卫星通信中的常见问题

1、问题： 5 5、降雨损耗及链路可用度 6 6、饱和通量密度 7 7、转发器的增益 8 8、连路计算 9 9、系统容量估算 5 5、降雨损耗及链路可用度： 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 Ku 波段的降雨衰减要比 C 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（1mn1mn 厚的水层所产生 的损耗是 14

2、 14 dB ）。 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。 链路可用度： 定义：在一年中 p% 的时间，链路的误比特率不超过一个给定的门限 值 pb 的概率，称为链路可用度。因此链路可用度表示含义是：一年 中经过该链路传输的误比特率性能优于门限 Pb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”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

3、噪比为： C C M （ dB） o N N th 6 6、饱和通量密度： 卫星转发器的行波管放大器（TWTATWTA 存在输出功率饱和现象，由此定义：使 TWTA 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EIRPs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： 4 s EIRP s LOSS s 10lg（ 2） 显然，EIRPs s LOSS s 10lg（3），这样，如果知道卫星接收系统 的设计参数s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

4、的 EIRP S。 7 7、 转发器的增益： 卫星转发器的三个主要参数为 吟 、S与 EIRP o G和S （饱和通 量密度）反 映卫星接收系统在其服务区的性能，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为接收系统的品质因数（figure of merit figure of merit ）。它是接收天线增益 G 与 接收系统噪声温度 T

5、之比值，单位为dB/k o T的计算公式为： G GRTS 式中的GR为卫星天线的接收增益，Ts为卫星接收系统的噪声温度。饱和通量 密度 S 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 dBw/m2。 S与 G的关系为：s constant attn G 式中的 constant 为反映转发器增益的计算常数，其数值多在 - -100 100 与- -90 90 之间， CO nsta nt越小，转发器的增益就越高；att n为转发器的增益调 整量，它可由 地面遥控改变，用于调整 S的灵敏度。用户在作链路 计算时，应向

6、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 GT 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，GT 为卫星天线的发送增益。 由对比同一颗通信卫星的 C C 频段 EIRP 分布图和 KuKu 频段 EIRP 分布图可 知，C 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；KuKu 频段转发器的服务区

7、小，通常只覆盖一个大 国或数个小国， 只适用于国业务。 C C 频段转发器的 EIRP 通常为 3636 到 4242dBw， G通常为- -5 5 到+ 1 + 1 dB/k，地面天线的口径一般不小 于 1.81.8 米；KuKu 频段转发器的 EIRP 通常为 4444 到 5656dBw, :G通常为- -2 2 到+8+8dB/k，地面天线口径有可能小于 1 1 米。另一方面，C 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； KuKu 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。 & &链路计算： 上

8、行链路： A A、:C的计算公式：一条卫星链路的上行链路是由地球站向卫星 No 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 U 表示这是 B B、 卫星接收的功率通量密度：在计算 2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： 4T， M EIRP 10lg(4 d 2) M 已知自由空间的传输损耗为： FSL 10lg( 42) 10lg(4 d 2)，因此, , M EIRP FSL 10lg( 4T)。如果考虑其他损耗

9、传输损耗: 上行链路，因此有： 厂 豈EIRP LOSSES u K(d BHz) M EIRP LOSSES 10lg( 食) )。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 C、 饱和通量密度 D D 输入补偿：当 TWTAhTWTAh 只有单载波时可以选择工作在饱和点， 但是 TWTATWTA 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 TWTATWTA 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 BO d

10、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BOQ,即：EIRP. EIRPsu BOi。可以用饱 和 通量密度计算载波与噪声谱密度之比： N0u EIRP u 车LOSSES u K (dBHz) 4 EIRP U S LOSSES 10lg(r) BO i C G 4 S 10lg( 2) )G BOi K N0 U 2 T U E E、地球站高功放 HPAHPA 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T

11、EL TELTEL TEL 中包括 HPAHPA 输出端与发射天线之间的波导、滤 波器和耦合损耗。 HPAHPA 勺输出功率由下式计 算：PHPAEIRPU GT TFL，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 BOIHPA， 这样地球站的额定饱和输出功率就由下式给 出： PHPAPHPA,S BOHPA。 下行链路： A A、 2的计算公式：卫星下行链路是卫星向地球站方向传输信号 No 的链路。端到端的载噪比计算公式为： c G 胡D E阿D 岂 LOSSES 。K 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

12、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BN,则上式变为： C G 兀D E|RPD TD LSESD K】BN B 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 5 5dB ），则 该点对应的实际输出功率减 5 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 EIRPD，则有:EIRP D=EIRPSD BO。，并且N-的计算公式 、 ： C G 变为：N0D

13、 EIRPSD B0O D LOSSES D K。 C C 卫星 TWTATWTA 勺输出：卫星功率放大器通常采用行波管放大器 （TWTATWTA,必 须提供包括发送馈线损耗在的发射功率。这些馈线 损耗来自 TWTAfTWTAf 卫星天线之间的波导、滤波器及耦合器。 TWTATWTA 的输出功率为:PTWTA EIRP D GTD TFL D。一旦PTWTA的值确 定，那么就可 以计算TWTA勺包和功率输出值： PTWTA S PTWTA B0。 9 9、系统容量估算： 卫星系统容量是指满足一定约束条件勺前提下， 系统支持同时发射勺 载波数。系统容量主要与要求勺传输质量、带宽扩展因子、系统抗干

14、 扰能力 以及地球站勺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 扰勺影响而损失。通常情况下，产生干扰勺主要原因有： 多频干扰和临波束 干扰以及多卫星勺同频干扰。 在用户端上行链路中，设系统勺一个波束具有 T( ( T13) ) ) A A I other d Aother 对于被度量的用户，这些用户发出的干扰功率变为： 其中 C AQdAother为其他小区接收到干扰用户信号后，采用功率 other Gi( i) Gi( i) 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。 于较远距离的干扰可以忽略，这里只考虑临近围的所有干扰功率。 而得到干扰因子 f : : fl

15、 皿 AAother 丄 ios/1Og( r2 d2)/R2dAot, other AC图 1：卫星网络干扰 other 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， 状如图 2 2 所示。波束间交界处的衰减为 2 24 4dB其形 图 Z Z 方位角(度) 在图 1 1 中，干扰信号上行夹角i actan(d/h)，干扰径向小区边缘上行 夹角s actan(R/h)，可将被度量的用户小区的天线特性增益 Eb/Nb用 2 地面距离 d 表示：Gc Gmax sg( (半 n 豐) )dBi，其中s径向干扰小区 actan(R/ h)丿 周围的衰减，满足 s GmaxGR。由于 h

16、? d 和 h? R，上式可变为： Gc(d) G max s(d/R) 2dBi。将 dBi 单位转换到线性单位： 2 Gc(r) Gmax10s/1叫d/R)。同样干扰方在自己波束的天线特性增益为: Gi(r) Gmax10 s/10g(r/R)。则干扰因子可变为: f 丄 空 QdAother 丄 10s/10g( r2 d2)/R2dAother。通过以上分析，得到 Ac other Gi( i) AC other 被度量的用户受到其他用户的总干扰为：I |own lother (1 f) N sbC。对于子载波带宽 Be GRb( ( G 是扩频比，Rb是信息速率) )和干扰功率 C

17、 EbRb( ( Eb是信息比特能量) )，总干扰的功率密度为: 1 1 Li GRb 考虑到各种噪声的功率密度 No, Ltot Li No，则得到一个子频带可(1 f)N cEb。 供使用的信道量: Nc 1 （和芒（加 设一个波束有 T 个子载波，一颗卫星具有 J 个波束，一个波束的有效 N sat JT N sb JT . i B beam J Eb x g () Rb (1 f) Ltot No 带宽为 Bbeam，则一颗卫星的可供信道量为 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

18、扩频码同步信道，各用户的扩频序列（ WalshWalsh 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。 假定小区的来话量服从泊松分布，来话到达率为常数 1/s，来话的 / Erl。根据一个 （小区）的可供信 子频带可供使用的信道量的公式容易得到一个波束 持续时间为 1/ s，从而小区的通信容量为：Vveam 道量 N cell / N ! V cell / N cell ? PB 。 N cell / n | V cell ! beam V veam N cell 实际通信容量 Vveam应小于 NceH，故小区的通信效率为: :在阻塞率一定的情况下， 信道占用率随可供信道量