卫星通信中的常见问题

卫星通信中的常见问题
问题：
5、降雨损耗及链路可用度
6、饱和通量密度
7、转发器的增益
8、连路计算
9、系统容量估算
5、降雨损耗及链路可用度：
①降雨对链路的影响：降雨会导致电磁波的散射并且会吸收无线电波的能量；降雨的衰减量随着频率的升高而增加，因此Ku波段的降雨衰减要比C波段严重；水平极化的降雨衰减要比垂直极化的降雨衰减要大；雨衰会产生噪声，衰减和噪声对卫星链路性能的影响在上、下行链路的雨衰余量中考虑。

降雨对天线罩的影响：对半球形的天线罩，降雨会产生一个厚度不均匀的水层，水层将导致吸收损耗和反射损耗（1mm厚的水层所产生的损耗是14dB）。

降雨会导致信号的去极化：雨滴通过大气层时略带椭圆形，主轴方向对电场分量的影响不同于次轴方向对电场分量的影响，其结果就是使电波变成了椭圆极化波；对圆极化波的影响大于线性极化波，为了弥补降雨引起的去极化，需要安装去极化装备。

②链路可用度：
定义：在一年中%
p的时间内，链路的误比特率不超过一个给定的门限值
p的概率，称为链路可用度。

因此链路可用度表示含义是：一
b
年中经过该链路传输的误比特率性能优于门限b p 的时间百分比。

为了使链路可用度达到要求，定义一个门限载噪比C/N []th 和余量[M]，余量[M]包括雨衰余量、系统余量以及设备余量等，因此设计系统应该达到的载噪比为：[][M](dB)[]C C N
N th =+。

6、饱和通量密度：
卫星转发器的行波管放大器（TWTA ）存在输出功率饱和现象，由此定义：使TWTA 达到饱和时接收天线所要求的通量密度为饱和通量密度，用s ψ表示。

卫星转发器的饱和通量密度也称为卫星转发器的灵敏度。

如果用[]EIRP S 表示能使卫星接收天线达到饱和通量密度所要求的地球站的有效全向辐射功率，则有：
2
4[][][]10lg(
)s s s LOSS EIRP π
ψλ
=-+
显然，2
4[][][]10lg(
)s s s LOSS EIRP π
ψλ
=+-，这样，如果知道卫星接收系统
的设计参数s ψ以及系统的工作频率、各种传输损耗，就可以计算单一载波时地球站的[]EIRP S 。

7、转发器的增益：
卫星转发器的三个主要参数为[]G
T
、S ψ与EIRP 。

[]G T
和S ψ（饱和通量密度）反映卫星接收系统在其服务区内的性能，它们与卫星接收天线的增益分布线性相关。

EIRP 反映转发器的下行功率，它与卫星发送天线的增益分布线性相关。

卫星天线增益随天线指向与工作频率而变。

因此，转发器参数随服务
区内的不同地点而变，同一地点的不同转发器参数也有差异。

特定地点的转发器参数可从城市参数列表或等值线分布图中查到 。

[]G
T
为接收系统的品质因数
（figure of merit ）。

它是接收天线增益G 与接收系统噪声温度T 之比值，单位为/dB k 。

[]G T
的计算公式为:
[][][]S R G
G T T
=- 式中的R G 为卫星天线的接收增益，S T 为卫星接收系统的噪声温度。

饱和通量密度S ψ为，当转发器被推到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度。

它反映卫星转发器对上行功率的需求量，单位为2/dBw m 。

S ψ与[]G
T
的关系为:[][constant][attn][]s G T
ψ=+- 式中的[constant]为反映转发器增益的计算常数，其数值多在-100与-90之间，[constant]越小，转发器的增益就越高；[attn]为转发器的增益调整量，它可由地面遥控改变，用于调整S ψ的灵敏度。

用户在作链路计算时，应向卫星公司了解相关转发器[attn]的当前设置值，并且据此对从图表查到的S ψ数据作修正。

有效全向辐射功率EIRP 为卫星转发器在指定方向上的辐射功率。

它为天线增益与功放输出功率之对数和，单位为dBw 。

EIRP 的计算公式为: [EIRP][P][LOSSES][]T G =-+
式中的[P]为放大器的输出功率，
[LOSSES]为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，[]T G 为卫星天线的发送增益。

由对比同一颗通信卫星的C 频段EIRP 分布图和Ku 频段EIRP 分布图可
知，C 频段转发器的服务区大，通常覆盖几乎所有的可见陆地，适用于远距离的国际或洲际业务；Ku 频段转发器的服务区小，通常只覆盖一个大国或数个小国，只适用于国内业务。

C 频段转发器的EIRP 通常为36到42dBw ，[]G
T
通常为-5到+1/dB k ，地面天线的口径一般不小于1.8米；Ku 频段转发器的EIRP 通常为44到56dBw ，[]G T
通常为-2到+8/dB k ，地面天线口径有可能小于1米。

另一方面，C 频段因为电波传播通常不受气候条件的影响，适用于可靠性较高的业务；Ku 频段转发器则因电波传播可能遭受降雨衰耗的影响，只适用于建网条件较差、天线尺寸和成本受限的业务。

8、链路计算：
① 上行链路： A 、0
[
]C N 的计算公式：一条卫星链路的上行链路是由地球站向卫星
传输信号的链路，即地球站发送信号卫星接收信号。

端到端的载噪比计算公式可以用于上行链路的计算，通常用下表U 表示这是上行链路，因此有：[K](dBHz)EIRP LOSSES 0
[
][][]
[]U
U
U
U
C G N T
=+--
B 、卫星接收的功率通量密度：在计算0
[
]
U
C N 时，经常采用卫星接
收到的通量密度而不是地球站的EIRP ，这样就需要对上式进行修改；仅考虑自由空间传输时，距离发送天线d 处的通量密度为：
2
4M EIRP d ψπ=
，2
[][EIRP]10lg(4)M
d πψ=-
已知自由空间的传输损耗为：2
2
4[FSL]10lg(
)10lg(4)d π
πλ
=+，因此， 2
4[][EIRP][FSL]10lg(
)M π
ψλ
=-+。

如果考虑其他损耗传输损耗： 2
4[][EIRP][]10lg(
)M LOSSES π
ψλ
=-+。

增上所述可得：卫星接收到的通
量密度等于地球站发送的有效全向辐射功率减去传输过程中的损耗（不含馈线损耗）再加上接收天线单位面积的增益。

C 、饱和通量密度
D 、输入补偿：当TWTA 中只有单载波时可以选择工作在饱和点，但是TWTA 中有多个载波同时通过时，为了减小互调失真的影响，工作点必须从饱和点推到TWTA 传输特性的线性区，将饱和点所需的输入功率与工作点所需的输入功率之差称为输入补偿，用[]i BO 表示。

假设单载波工作时的饱和通量密度已知，那么根据单载波的饱和电平可以确定多载波工作时的输入补偿值。

这时所有地球站的上行EIRP 的和等于使转发器达到饱和通量密度时所需的
EIRP 值减去补偿值[]i BO ，即：[]EIRP [][]i U U BO EIRP s =-。

可以用饱
和通量密度计算载波与噪声谱密度之比：
[K](dBHz)EIRP LOSSES 0
[][][]
[]U
U
U
U
C G N T
=+--
2
4[[][LOSSES]10lg(
)[]]i U s EIRP BO π
ψλ
=+--
2
4[]10lg(
)[][K]0
[]
[]i s U
U
C G
BO N T π
ψλ
⇒
=-+-- E 、地球站高功放HPA ：地球站高功放的发送功率中应该包括传输
馈线损耗。

传输馈线损耗记为TEL 。

TEL 中包括HPA 输出端与发射天线之间的波导、滤波器和耦合损耗。

HPA 的输出功率由下式计算：[][][TFL]EIRP []HPA T U G P =-+，该式包括了卫星所需的输入补偿。

此外，地球站本身也可能会发送多个载波，它的输出需要对应的补偿，记为[]HPA BO ，这样地球站的额定饱和输出功率就由下式给出：,S [][][]HPA HPA HPA BO P P =-。

②下行链路：
A 、0
[
]C N 的计算公式：
卫星下行链路是卫星向地球站方向传输信号的链路。

端到端的载噪比计算公式为：
[K]EIRP LOSSES 0
[][][][]D
D
D
D
C G N T
=+--
计算结果是地球站接收机入口的载波与噪声谱密度之比。

如果要计算载波噪声功率比而不是载波与噪声谱密度之比时，就要用到等效噪声带宽。

假设信号带宽B 等于噪声带宽N B ,则上式变为：
[K][]EIRP LOSSES 0
[][][][]N D
D
D
D
C G B N T
=+---
B 、输出补偿：定义：单载波饱和输出功率与工作点对应的输出功率之差。

输出补偿值的确定方法：根据输入补偿的范围定出补偿后的工作点，线性外推至某个点（该点比饱和输出功率大5dB ），则该点对应的实际输出功率减5dB 后与补偿后的工作点对应的输出功率差即为输出补偿。

如果饱和条件下卫星的输出EIRP 定义为
EIRP []D ，则有：[][][EIRP]EIRP o s D D BO -＝ ，并且0
[
]C N 的计算公式
变为：[][K]LOSSES EIRP 0
[
][]
[][
]o s D
D
D
D
C G
BO N T =-+--。

C 、卫星TWTA 的输出：卫星功率放大器通常采用行波管放大器（TWTA ），必须提供包括发送馈线损耗在内的发射功率。

这些馈线损耗来自TWTA 与卫星天线之间的波导、滤波器及耦合器。

TWTA 的输出功率为: [][EIRP][][TFL]TWTA T D D D P G =-+。

一旦[]TWTA P 的值确定，那么就可以计算TWTA 的包和功率输出值：
[][][]TWTA o TWTA s BO P P =+。

9、系统容量估算：
卫星系统容量是指满足一定约束条件的前提下，系统支持同时发射的载波数。

系统容量主要与要求的传输质量、带宽扩展因子、系统抗干扰能力以及地球站的传输能力等因素有关。

卫星系统信道容量受到热噪声和同频干扰的影响而损失。

通常情况下，产生干扰的主要原因有：多频干扰和临波束干扰以及多卫星的同频干扰。

在用户端上行链路中，设系统的一个波束内具有T （T <13）个子频带，用户密度为β，波束内一个子载波能提供的用户数为C N ，则
/C C N A β=,C A 是此波束覆盖的小区面积，在功率控制下，卫星接收
天线将不同用户的信号功率控制为同一的量值C 。

这就使得在本小区内部，其他用户对被度量的用户干扰功率也得到了“补偿”，放大了C ，进而得到同一小区内部被度量的用户受其他用户干扰（仅考虑同一子频带上的用户）的功率为：(1)OWN C C N N I αα=-≈Ｃ，其中α为平均话音激活率。

周围其他小区内的用户信号因为功率控制因子也得到了放大，对于他
们自己波束的接收天线来说，也补偿到了相同功率C 。

卫星干扰示意图如下图所示：
图1:卫星网络干扰
设()C C G θ和()i i G θ分别为被度量的用户和干扰方波束的天线特性增益。

对于被度量的用户，这些用户发出的干扰功率变为：
()
()C i other other i i
other G C d I A G ψαβ
θ=⎰⎰ 其中()
()C i other i i
other G C d A G ψβ
θ⎰⎰为其他小区接收到干扰用户信号后，采用功率控制并等效至干扰方波束中心，得到其对被度量用户的干扰积累。

由于较远距离的干扰可以忽略，这里只考虑临近范围内的所有干扰功率。

从而得到干扰因子f ：
222/10()/()1
110()C s i other other C C i i other other
G d r R f d d A A G A A ϕθ-==⎰⎰⎰⎰g 。

需要说明的是，卫星系统用户上行波段天线并不是蜂窝形状的，其形状如图2所示。

波束间交界处的衰减为2~4dB 。

图2:方位角（度）
在图1中，干扰信号上行夹角tan(d/h)i ac ψ=，干扰径向小区边缘上行夹角tan(/h)s ac R θ=，可将被度量的用户小区内的天线特性增益/b b
N E 用地面距离d 表示：2
max tan(d/h)
tan(/h)
()c ac s dBi G G ac R =-g ，其中s 径向干扰小
区周围的衰减，满足max R s G G =-。

由于h d ?和h R ?，上式可变为：
2
max (d)(d/R)c s dBi G G =-。

将dBi 单位转换到线性单位：
2
/10max (d/R)(r)10s c G G -=g。

同样干扰方在自己波束内的天线特性增益为：
2
/10max (/R)(r)10
s i r G G -=g。

则干扰因子可变为：
222/10()/()1
110()C s i other other C C i i other other
G d r R f d d A A G A A ϕθ-=
=⎰⎰⎰⎰g 。

通过以上分析，得到被度量的用户受到其他用户的总干扰为：(1f)own other sb I C N I I α=+=+。

对于子载波带宽c b G B R =（G 是扩频比，b R 是信息速率）和干扰功率
b b C E R =（b E 是信息比特能量），总干扰的功率密度为：11
(1f)i c b b E L N G G
R α=
=+g 。

考虑到各种噪声的功率密度0N ，0tot i N L L =+
，则得到一个子频带内
可供使用的信道量：1
10()()1[](1f)b b c tot G E E N N L α--=+-+。

设一个波束内有T 个子载波，一颗卫星具有J 个波束，一个波束的有效带宽为beam B ，则一颗卫星的可供信道量为：
1
10()()[](1f)b b beam sat sb tot b J E E B JT JT N N N L R α--==+-+g 。

需要说明的是，对于前向链路下行信道，由于信号源子一个同一的卫星或关口站，码分复用能够很好地实现码片同步。

微型系统下行链路利用导频信道和扩频码同步信道，各用户的扩频序列（Walsh 码）具有良好的自相关性（虽然相临的卫星仍会产生部分干扰），信号接收能够保持在有效信干比门限以下。

所以，系统的下行信道干扰比上行时的情况要轻得多。

假定小区内的来话量服从泊松分布，来话到达率为常数[1/s]λ，来话的持续时间为1/[s]μ，从而小区的通信容量为：/veam Erl V λμ=。

根据一个子频带内可供使用的信道量的公式容易得到一个波束（小区）的
可供信道量cell N ，话务阻塞率满足Erlang-B 公式：0
!//!cell cell cell cell B n cell
n N N V P N n V ==∑。

实际通信容量veam V 应小于cell N ，故小区内的通信效率为：veam beam cell V N η=。

在阻塞率一定的情况下，信道占用率随可供信道量的增大而提高。

如在1%,10b cell N P ==时，beam η仅为0.45；而当1000cell N =时，beam η显著提升到0.97。

由图2可知，卫星的天线产生16个点波束，其周围的波束覆盖区域结构相似，容易形成差不多的通信容量，而中心波束与周围15个波
束具有一定差异，覆盖面积也不同。

如果每个波束范围内通信容量为i V ，共Z 颗卫星，则系统总通信容量为：16
1s i i Z Erl C V ==∑g 。

由于同时只会有少数用户使用通信业务，故系统实际能够承受的用户容量大于s C ，这与当地的业务使用率有关。