一种FDMA-DAMA卫星通信网功率控制方案

李斌成，李 影

一种FDMA-DAMA卫星通信网功率控制方案

李斌成1，李 影2

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；2.石家庄邮电职业技术学院，河北石家庄050031）

卫星通信系统中对系统功率的控制非常重要，这直接关系到系统的可用性程度，并且随着系统工作频率的提高尤为显著。针对资源按需分配频分多址 （FDMA-DAMA）体制卫星通信系统功率控制问题，分析了传统方案的局限性和不足，在工程实际经验基础上，通过理论推导提出了一种新的功率控制方案，并给出了具体的功率参考值测试方法。通过与实际系统链路发射功率参考值测试数据比对，验证了新功率控制方案的发射功率参考值测试以及计算方法的正确性。

频分多址；按需分配；功率控制；卫星通信；比特信噪比

引用格式：李斌成，李 影.一种FDMA-DAMA卫星通信网功率控制方案［J］.无线电工程，2016，46（5）：75-79.

0 引言

在卫星通信系统中，对系统功率的控制是关系到整个卫星通信系统可用性的关键因素。系统功率控制主要是指各站发射功率的设置，系统发射功率应根据卫星转发器的地域覆盖特性、通信双方所处地理位置、站型大小、天气情况和载波速率等因素进行合理的设置。在FDMA-DAMA卫星通信系统中，全网状网、多载波和资源按需动态分配等特点使系统的功率控制更加复杂。某系统中采用了站到站型功率参考值功率控制方案，考虑了雨衰补偿，但对不同目的站的地理衰减补偿不完善，导致系统对个别站功率控制效果不佳。

为了完善上述功率控制方案中对地理衰减补偿的不足，需要寻找基于站到站功率参考值的系统功率控制方案。通过研究分析网状网卫星通信系统链路功率信号的传输规律，将站到站的功率关系转换到各站相对基准站的功率关系，以此为基础提出了相对基准站功率参考值的系统功率控制改进方案。

1 功率控制技术

大气传输损伤，包含降雨产生的衰耗和去极化的影响会引起系统性能下降，增加了系统的不可用度。在10 GHz以上频段，雨的衰减是卫星链路衰减的主要因素［1］，需要增加额外的功率补偿（采用功率控制）才能保证通信信道的正常工作［2］。

上行链路开环功率控制是卫星通信最常使用的抗衰技术之一，其主要作用是在降雨期间对上行链路衰减进行估算，然后根据衰减量相应增大发射功率，使卫星接收的信号功率保持在一定的范围之内，其目的是补偿慢变化的衰减量和幅度闪烁。其他因素，如温度等所引起的慢变化衰减，在补偿过程中都当作降雨衰减来处理［2］。

功率控制技术从不同的角度来考虑可以有不同的分类方法［3］，从通信的上下行链路来考虑，可分为反向功率控制与前向功率控制；从实现功率控制的方式来考虑，则可划分为集中式功率控制与分布式功率控制；从功率控制环路的类型来划分，可分为开环功率控制与闭环功率控制等。

现在，一般在系统中采用自适应功率控制技术控制发射功率。自适应功率控制技术通过改变发送端信号的发送功率来补偿信号在信道传输过程中的功率衰减［4］。功率控制算法按照控制准则一般包括基于功率平衡准则和基于信噪比平衡准则两大类。基于功率平衡准则是指通过发送端功率的自适应从而保证接收端接收信号的功率保持在一定的范围内。基于信噪比平衡准则是指通过发送端功率的自适应使接收端的信噪比保持在一定的范围内，从而保证整个通信系统稳定的工作。文献［5-17］中从不同角度对功率控制方法进行了研究。

2 传统方案及其局限性

2.1 工作过程

闭环功率控制和开环功率控制2种控制方式，闭环功率控制稳态性能好，但收敛时间较长，开环功率控制响应快，但误差较大。对于工作于DAMA方式的系统需要实时建立双向单路单载波（SCPC）卫通链路，要求建链时间短，建链可靠性高，因此在基于FDMA-DAMA系统中，一般传统功率控制方案采用开环+闭环的混合功率控制方案，以兼顾响应时间、调整误差和建链可靠性，即在进行业务信道DAMA分配时，由网管中心为通信双方站分配一个初始功率值，链路建立后由通信双方自动进行闭环功率控制。混合功率控制方案流程如图1所示。

图1　系统功率控制流程

混合功率控制方案工作过程如下：

①测试晴天情况下地球站到某站型通信时的参考发射功率，即按基准速率（如IR=128 kbps）发射载波使接收信噪比为基准Eb/N0（如7.0 dB）时的发送站发射功率，并将该参考值保存在网管中心数据库中；

②根据站点所在雨区分配合适的固定雨衰补偿，保证其在下雨情况下能够正常通信，将该补偿值保存在网管中心数据库中；

③中心站在分配信道时，根据通信双方所处地理位置、站型大小、雨衰情况、载波速率和允许最大发射功率等因素计算分配给通信双方的发射功率；

④各站根据中心站分配的发射功率值对本站调制解调器的发射功率进行配置；

⑤通信过程中调制解调器监视通信对端信号接收情况，自动闭环调整本站发射功率；

⑥转发器参数发生变化或转星后，重新测试各站功率参考值并更新数据库数据。

2.2 功率参考值

功率参考值指DAMA系统中卫通地球站在链路建立时使用的初始发送功率值（含固定雨衰补偿）。该值应能保证链路通信双方初始能够获得良好的接收Eb/N0，建立起良好通信，通信过程中由双方通信终端根据规则自动进行闭环功率调整。

功率参考值体现了一个卫通地球站与其他站通信的功率特性，是FDMA-DAMA卫星通信系统自动功率控制机制中的主要参数。

功率参考值的常规测试方法：卫星通信系统开通时，各站在晴天情况下测试与不同站点（或站型）之间采用基准信息速率通信时所需的最小发射功率（接收Eb/N0等于基准值时），然后将该数值保存到网管中心数据库。

根据各地球站能力、地理位置和雨衰等因素在最小发射功率的基础上适当增加补偿（主要是补偿雨衰），作为地球站通信功率参考值。

2.3 局限性

传统方案虽然能够完成自动功率控制的初始参考值测试、分配，但存在以下不足：

①测试过程复杂，针对一个站到一个站型的功率参考值测试，需建立到该站型多个站的多条链路多次测试获得到该站型的功率参考值，并且需测试该站到每个站型的功率参考值，当站较多时整个系统的测试量较大；

②误差较大，当采用站到站型的功率参考值方案时，由于同型地球站所处地理位置不同，该参考值实际是由对多个同型地球站测试值平均后得到的，有时与实际参考值差别较大；

③系统建成或换星进行功率参考值测试时工作量较大。

通过分析及理论推导，提出一种相对基准站的功率参考值方法，可以减少功率参考值测试工作量，同时提高功率参考值的精度。

3 相对功率参考值方案

3.1 依据的导出

传统功率控制方案由于直接针对站到站进行功率参考值测试造成了测试工作量较大。虽然为减少测试工作量优化为按站到站型进行测试，一定程度减少了测试量，却又引入了同型站地理位置不同造成的误差。

新方法尝试通过将所有站收发能力与中心站收发能力建立归一化关系，经由中心站为媒介，间接估计2个远程站之间的通信功率参考值，即采用新的方法测试、计算参考值。

由发站A、基准站O（中心站）和收站B这3个站组成的卫通网（如图2所示），在相同的通信信息速率、调制编码方式及相同的基准Eb/N0前提下，考察它们构成的 4个链路：A→O、O→O、O→B 和A→B。

图2 新的功率控制方案原理

图2中，PAB、PAO、POB和POO分别表示发送站（A或O）以基准信息速率IR（记为IRRef）与接收站（O或B）通信时，为使接收站接收达到基准Eb/N0（记为Eb/N0Ref），需发送站发射的功率；GOu、GOd分别表示基准站的上下行链路总增益；GA、GB分别表示A和B站的上、下行链路总增益；GX表示卫星转发器总增益，NONB分别表示O和B站接收端噪声，4个链路的特征如下：

①链路A→O，特征：PAO、GA、GX、GOd、NO和Eb/N0Ref；

②链路O→O，特征：POO、GOu、GX、GOd、NO和Eb/N0Ref；

③链路O→B，特征：POB、GOu、GX、GB、NB和Eb/N0Ref；

④链路A→B，特征：PAO、GA、GX、GB、NB和Eb/N0Ref。

一般O站选择为中心站。相对参考功率方案的思路是，通过测试链路A→O、O→O和O→B的发站发送功率，采用等效代替法，寻求链路A→B功率参考值与链路A→O、O→O和O→B的功率参考值的关系，从而将链路A→B功率参考值问题转换为A、B站到基准站（中心站）功率参考值的问题。

根据文献［15］全链路质量公式：

式中，T为接收端系统噪声温度包含了上行链路、转发器和下行链路噪声温度，对确定的站确定环境下是一定的。认为链路传输过程是对原始信号功率P在传输中进行放大、衰减后到达接收端，在接收端引入噪声N形成Eb/N0，可将传输（含上行、下行）链路质量描述为：

在固定调制编码方式、IRRef和晴空环境条件下为达到基准Eb/N0，因Gu、GX、Gd、N、BN均为定值，所以需要发射的P值是一定的。采用基准IR、Eb/N0基准值对P进行测量，有

式（4）+式（5）-式（3）得：

式（6）-式（7）得到：

式（8）即相对功率参考值方案的理论基础，表示A→B链路发功率参考值可等效为A→O、O→B链路发功率参考值之和与O→O自环链路发功率参考值的差值。

3.2 基准站选择

FDMA-DAMA卫星通信系统中，一般网管中心部署在较大的固定中心站，通常情况下也是卫通网管理部门的所在地。

基于以下因素，一般选择中心站作为功率参考值测试的基准站。

①各站与中心站的通信较多；

②一般中心站运行维护情况较好，卫通站电特性稳定；

③系统更换所用卫星时在中心站方便对功率参考值重新测试。

3.3 功率参考值测试

通过将序号为i=0，1，2，...的一系列站与基准站建立归一化关系，间接计算2个远端站之间的功率参考值，约定：

①站发射能力：保证基准站接收 Eb/N0= Eb/N0Ref，远端站i需发射功率电平，记为Pui；

②站接收能力：保证远端站i接收 Eb/N0= Eb/N0Ref，基准站需发射的功率电平，记为Pdi；

③基准站发射/接收能力：为保证基准站接收Eb/N0=Eb/N0Ref时，基准站需发射的功率电平值，记为Pu0、Pd0，Pu0=Pd0；

④站相对发射能力：远端站i相对基准站的发射能力差：Dui=Pui-Pu0；

⑤站相对接收能力：远端站i相对基准站的接收能力差：Ddi=Pdi-Pd0。

在以下约束下进行各站发射功率参考值的测试：

①卫星转发器工作在线性区内；

②地球站高功放工作在线性区内；

③ 确定调制编码方式、IRRef、Eb/N0Ref。

测试得到基准站0到各站i、以及各站i到基准站0的发射功率参考值，即星型网络拓扑结构的功率参考值，记录到表1中形成基本的发射功率参考库。

表1　功率参考值测试表

3.4 任意站间功率参考值计算

发射功率参考值测试工作完成后，形成如表1所示得基本数据库表，在此基础上，依据式（8）可得到任意2个站 i、j之间的功率参考值，计算公式如下：

式（9）是式（8）的通用形式，以式（9）为依据，在以上发射功率测试表结果基础上，可实时计算全网网状网链路请求的Pij。

3.5 功率分配计算流程

实际卫星通信系统中，常需要支持不同调制编码方式和信息速率等，以上发射功率参考值表是在确定的调制编码方式、IRRef和Eb/N0Ref等约束下测试得到的，测试数据需经过校正才可使用。

依据发射功率参考值测试数据和式（9），中心站（基准站）网管中心功率分配计算流程如图3所示。其中，IRijIRji、MijMji分别表示站i、j双向通信信息速率、调制编码方式；DIRDM分别表示因通信信息速率、调制编码方式不同对功率分配值进行的调整；Pth表示允许的最大发射功率值。

图3　站发射功率初始值计算流程

3.6 DIR校正

DIR校正是指当通信使用的信息速率和测试功率参考值使用的基准信息速率IRRef不同时（调制编码方式不变），需要对分配给站的发射电平值进行校正。

按照比特信噪比定义和公式：

因为调制编码不变时N0不变，同一链路Gu、GX、Gd不变，当IR不同时为保证Eb/N0Ref相同，则

功率分配计算时按式（12）进行DIR的校正。

3.7 DM校正

DM校正是指当通信使用的调制编码方式不同时（信息速率不变），需要对分配给站的发射电平值进行校正。

不同调制编码方式对应的链路基准Eb/N0不同，记基准调制编码方式和实际调制编码方式对应功率参考值分别为P0、P1，对应的基准比特信噪比分别为Eb/N0Ref0和Eb/N0Ref1，依据式（10）在信息速率不变时有以下关系：

功率分配计算时按式（13）进行DM的校正。

4 方案数据验证

在QPSK 1/2调制编译码方式下以IRRef=128 kbps，Eb/N0Ref=7.0 dB为标准对某卫星通信网地球站的调制解调器的发射电平参考值进行了实际测试。测得基准站（中心站）射频自环参考功率电平为Pu0=Pd0=-29.5 dBm。依据Pu0、各站实测Pui、Pdi和式（9）计算了各地球站间的发射功率参考值Pij，并实际测试了站到站间的发射功率参考值，站到站发射功率参考值的计算值和实测值如表2所示。分析显示Pij计算值与实测值的平均误差为0.11 dBm，排除测试过程人为误差、天气因素等，计算值与实测值基本一致（在1 dB之内），验证了该方案的正确性。

表2　实测数据验证表（Pu0=-29.5 dBm）

5 结束语

功率控制是卫星通信系统网络控制中一个必须处理的问题，本文阐述了功率控制的基本原理，分析了传统FDMA-DAMA系统功率控制方案的不足，通过理论推导分析提出了一种相对功率参考值功率控制方法，并给出了其测试方法和功率分配计算流程。通过实测数据验证了该方法的正确性。

与传统方案相比，相对发射功率参考值方案，系统发射功率参考值测试更方便、测试量更少，适应范围更广。在新建系统或更换卫星功率参考值测试时，仅需进行各站到中心站（基准站）的链路测试，且不区分站型，测试量比传统方案大大减少。

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Research on Power Control Scheme in FDMA-DAMA Satellite Communication Systems

LI Bin-cheng1，LI Ying2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Shijiazhuang Posts and Telecommunications Technical College，Shijiazhuang Hebei 050031，China）

The system power control is very important in satellite communication systems，directly related to system availability，and its importance is remarkable with the increasing of working frequency.Aiming at the system power control problem in FDMA-DAMA satellite communication systems，a new power control scheme is proposed after analyzing the limitations and shortage of the traditional program by theoretical derivation.And the test method for specific reference value of power is designed in this paper.By comparing the test data of link transmitting power reference value of actual system，the test and computation methods of transmitting power reference value of this scheme are proved to be correct.

FDMA；DAMA；power control；satellite communication；Eb/N0

TN927.2

A

1003-3106（2016）05-0075-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.20

2016-02-04

国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2014AA7011017）。

李斌成 男，（1974—），高级工程师。主要研究方向：卫星通信与信息传输技术。

李 影 女，（1977—），副教授。主要研究方向：移动通信技术。