卫星通信系统中的功率控制技术

卫星通信系统中的功率控制技术王 喜* 朱小流** 廖晓谈***摘 要本文讨论了卫星通信系统中的功率控制技术,在保证用户通信质量的前提下,最低限度的降低发射功率,减少系统干扰,增加系统余量。

本文给出了功率控制的具体方案。

关键词:卫星通信 功率控制Po w er Contro l T echnology i n Satellite Co mm unication Syste mW ang X i Zhu X iao li u Liao X iaotanA bstractTh is paper presents discussion on t h e po w er contro l techno logy to obta i n ed the lo w estm un i m um trans m it po w er reqired for the pur pose of reduced syste m i n terferencce and increased syste m a llo w rance.The paper g i v es the deta ils of po w er contro l sche m e.K ey w ords:satellite co mm unication po w er contr o l卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。

卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。

地球站则是卫星系统与地面公众网的接口,地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。

卫星通信具有通信范围大、不易受陆地灾害影响、建设速度快、易于实现广播和多址通信和电路和话务量可灵活调整等优点。

随着卫星业务向宽带化发展,越来越多的卫星将工作在Ka频段,该频段雨衰严重,功率控制也是抗雨衰的重要策略之一,因此,研究卫星移动通信中的功率有效控制技术具有十分重要的意义。

* 作者系南京熊猫汉达科技有限公司系统部工程师** 作者系南京熊猫汉达科技有限公司系统部工程师*** 作者系南京熊猫汉达科技有限公司系统部助理工程师一、功率控制技术简介卫星通信系统中功率控制技术主要是指在保证用户通信质量的前提下,最低限度的降低发射功率,减少系统干扰,增加系统余量。

它是在对接收端的接收信号强度和信噪比等指标进行评估的基础上,适时地改变发射功率来补偿无线信道中的路径损耗和衰落,从而既维持通信质量,又不会对无线资源中的其它用户产生额外干扰。

功率控制技术按其不同的分类方法,可以分成不同的类型,如图1所示。

图1 功率控制技术分类以上各种功率控制方法各有其优缺点,具体采用何种功率控制方法应根据具体的信道条件,传输的业务类型而定。

比如在慢衰落信道中,一般可采用开环功率控制,技术简单,反应灵敏;而在快衰落信道中,一般采用闭环功率控制,控制精度高,但距离远时,时延较大。

卫星通信系统是典型的功率受限系统,系统功率控制是保证系统正常工作,提高系统容量的关键技术,Ka频段传播链路中的大气衰减(雨、雪等衰减是主导因素)和波束边缘的影响,会使地球站的收发电平起伏很大,根据I T U的雨衰统计曲线,在Ka频段(30GH z附近),在降雨达到16mm/h(气象定义为大雨)时,K a的雨衰率达到2 9dB/km,而我国的境内降雨高度在4~6km左右,这就意味着Ka频段有12dB以上的雨衰,加上波束边缘的影响,K a频段的链路衰减将会更大,如果要保证每个信道的通信质量而为每一个地球站预留足够的余量,将会大大减小系统通信容量,造成资源浪费,因此必须进行系统功率控制。

二、卫星通信系统中的功率控制算法卫星移动信道与地面移动信道相比有很多不同之处,其中最显著的特点是卫星信道的传输距离远,传播时延大,因此,卫星移动系统一般采用开环功率控制算法。

此外,由于卫星在距离地面很远的太空中运行,且卫星转发器一般是功率受限的,因此,对卫星进行功率控制比对地面基站要难,地面CDMA系统中的很多功率控制算法在卫星移动系统中也是不可行的。

目前,对卫星移动系统中的功率控制算法还相对较少,下面,我对几种常见的功率控制算法作一简单的分析。

1 K a波段卫星通信中的功率控制I TU分配给移动卫星业务(M SS)的频段主要由UH F频段、L/S频段、C频段、Ku频段和Ka频段等很多频段资源组成,其中UH F频段和L/S频段受降雨因素影响不大,可忽略不计。

但由于带宽的限制,目前这些频段已趋向饱和,现在的M SS更多地开始集中在Ku和K a频段。

这个频段雨衰严重(暴雨时超过10dB),采用传统的预留备余量的方法会造成较大的功率资源的浪费。

因此,需进行有效的功率控制。

上行链路功率控制一般采用自适应功率控制算法,其基本思想是:以晴空基带电平为基础,以下行频段的固定信号作为算法的控制参数,通过上下行信号衰落之间频率转换因子,预测出上行链路的总衰减,然后相应的增大发射功率来补偿这种衰落的影响。

这种算法相对比较简单,但当上下行链路不相干性严重时,功率控制误差较大。

文献[7]提出了改进的自适应功率控制算法,在这种算法中,雨衰被抽象成一个对数正态分布的,具有已知统计特征的自回退过程模型,利用MMSE信道估值的方法,从而可以减小功率控制误差。

卫星下行链路一般是功率受限的,功率控制的动态范围不足以补偿雨衰强度的变化。

因此,卫星下行链路一般采用自适应FEC编码技术,其基本思想是:雨衰发生期间,降低数据速率,加入额外的信道编码,并保持信道总的传输速率不变,通过编码增益来增加衰落备余量,从而提高信道的传输性能。

2 低轨卫星系统的下行链路功率控制与同步卫星相比,低轨卫星具有传输时延小,路径损耗小等优点,在第三代移动通信中得到广泛应用。

但是,由于低轨卫星在低轨上作高速运动,卫星波束切换频繁,当用户位于波束的边界处时,由于天线增益较低且易受相邻波束的干扰,用户接受的信号功率将降低,为了保证用户接受信号的质量,必须增大转发器的发射功率。

然而,低轨卫星转发器的功率资源是相当宝贵的,提供较大的功率会导致卫星电池寿命的减少,从而会加快更换卫星的频率。

文献[6]提出了一种基于不同速率数据业务的功率分配算法。

其基本思想是:以星下点蜂窝为参考,按照一定的信干比要求将卫星蜂窝进行分割。

当用户位于蜂窝的中心区域附近时,卫星可以以较高的速率传输数据业务;而当用户处于蜂窝的边界附近时,卫星以较低的速率传输数据业务。

仿真结果表明,这种算法可使系统容量提高25%到40%。

在这种算法中,地面控制中心应该实时掌握用户所在卫星蜂窝中的位置来调整数据业务的速率,在理想情况下,可认为用户的位置可通过测量信号功率、仰角、信号往返时延或通过导航系统来得到,但由于低轨卫星波束切换频繁,实际中准确确定用户在蜂窝中的位置比较困难。

3 雨衰估算在卫星通信系统功率控制中,雨衰的估算非常重要,它是实现功率控制的关键所在。

对于雨衰的估算有两种方式:一是通过气象站发布的气象信息,配合地球站的位置信息,确定地球站所在地的雨衰情况;二是通过系统自身环路进行通信质量(信噪比)检测,再与额定值进行比较,估算出当前信道的雨衰情况。

前一种方式工作流程简单,但由于气象信息的非实时性和大范围预报的原因,导致对雨衰的估算准确性较差;后一种方式虽然工程实现较为复杂,但具有较好的实时性和准确性,因此一般采用后一种方式。

4 功率控制方案(1)上行链路功率控制方案对于上行FD MA的链路,受云雾雨雪等天气条件的影响,使得在卫星接收端的信号接收电平存在较大波动,影响上行信号的接收;而对于上行TDMA链路,还受各地球站天线增益、发射功率、地理位置等因素的影响,使得卫星接收端的各突发信号间接收电平有较大变化,影响对各地球站突发信号的接收。

因此对于上行FDMA、TDMA链路都需要在工作过程中实时进行功率控制以保证星载解调器可靠、稳定地接收信号。

两种链路的功率控制调整流程基本是相同的,由地球站和星载设备共同完成,其功率控制调整流程如图2所示。

调整方法如下:星载解调器检测上行信号的信噪比并以专用信元方式实时向各地球站广播,地球站判断上行信号的接收信噪比是否超过判决门限;判决门限是一个窗口,要保证上行信号的接收信噪比在一个固定范围内。

如果接收Eb/No值大于设定的(Eb/No)m ax,则适当减小其发送功率;如果Eb/N o值不大于设定的(Eb/No)m ax,则判断其是否小于(Eb/N o)m i n,如果Eb/No值小于设定的(Eb/No)m i n,则参考终端增加其发送功率;如果接收值在(Eb/No)m ax和(Eb/No)m in之间就不对其发送功率进行调整。

Eb/N o值的调整周期,包括信号发射、卫星检测、卫星返回、状态值提取以及发射频率计算,最后再发射信号;一般的其星地传输时延为一个来回约270m s,卫星和地面处理时延约10m s以内,一个调整周期约为280m s。

图2 上行链路功率控制流程(2)下行链路功率控制方案为了满足波束内不同天线增益的地球站均能可靠工作,通常卫星处于最大发射功率状态。

由于地球站天线增益的差异及接收信道不同(如速率、工作频段),需对地球站接收信道进行合理的电平分配和设计,使解调器处在最佳接收状态。

同时考虑到下行链路受天气条件的影响,解调器接收信号电平存在波动,因此解调器应具备AGC功能,设计足够的输入电平动态适应范围。

综合考虑雨衰及速率影响,地面解调器输入电平动态范围应不小于30dB。

(下转第21页)对于各种波特率,识别最大时间约为1秒,可以满足实际的使用要求。

五、结 论本文根据起止式异步通信协议的协议特点,提出了一种新型的串行接口波特率自适应算法,能够自适应的识别串行设备使用的波特率。

该算法无需串行设备发送特征字符,即可实现波特率的自适应识别,提高了串行设备使用上的灵活性和通用性。

测试结果表明,算法能够准确地对波特率进行识别,且具有较小的识别时间,能够满足实际使用的需要。

参 考 文 献1 N elson M ark. 串行通信开发指南.中国水利水电出版社2 程艳 吴毅. 微机原理及接口技术.北京大学出版社(上接第4页)三、结 束 语卫星移动通信业务的日益增长和移动通信范围的逐渐扩大,对卫星通信系统中的功率控制技术提出了越来越高的要求。

目前,蜂窝CD MA系统中的功率控制技术发展已经比较成熟,文献[4]对多种功率控制算法进行了分析与比较,虽然某些算法由于对硬件要求较高,在实际中实现起来有些困难,但随着计算机和硬件技术的发展,这些算法经优化后是可以实现的。

而卫星移动系统由于其信道的特殊性和系统的复杂性,为进行有效的功率控制带来了一定的难度,目前,对这方面的研究还相对较少。

此外,传输数据业务和多媒体业务时,也会将单传话音业务的功率控制算法复杂化。