卫星通信系统中功率控制的设计实现

杨仁庆，杨清森，许 陵，陈 涛

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210004）

1 信道资源与功率资源

随着卫星通信技术的快速发展和广泛应用，卫星通信系统越来越庞大，信道资源和功率资源成为限制卫星通信系统发展的关键因素[1]。在卫星通信系统中，卫星转发器的信道资源和地球站的功率资源是极其珍贵的系统资源，合理使用和分配信道资源、功率资源可以有效的增加系统容量及通信可靠性。信道资源的使用分配是为降低邻道干扰的同时实现频谱效率最大化，受调制解调方式及收发设备性能影响，其方案在系统建成之初即已确定。而功率控制则从通信系统建成开始，跟随系统的扩建、改造、维修等不断调整修正。

2 系统分析

卫星通信系统是一个功率受限系统，功率控制是其最重要的功能之一[2]。由于卫星转发器有容量和功率限制，因此控制发射功率使得地球站接收的卫星信号均能达到可靠通信所需的最小信噪比，则卫星通信系统可在容量允许范围内提供更多的通信数量。卫星通信的功率控制是根据地球站接收信号的信噪比等指标，在保证通信质量的条件下，适时改变地球站的发射电平来补偿卫星信道中的损耗和衰减，使得系统和转发器性能最优[3]。

传统的功率控制采用功率参考值控制方案，对系统站型进行统一分类，设置固定的参考功率值，进行功率的简单调整和限制[4]。此方案模型简单，没有充分考虑不同地区的雨衰、场强分布以及地球站的天线尺寸、功放大小、接收能力、线路衰减等因素，使得功率控制效果较差。结果便是地球站发送功率不均衡，部分地球站发送超大功率信号，恶化卫星转发器底噪，整个系统的承载能力大大降低。

为了解决传统功率控制方法带来的问题，本文深入研究卫星通信系统链路中的传输规律，充分考虑各方面影响因素，推导出地球站接收功率的计算公式。依据理论推导公式，提出了一种适合大型卫星通信系统的功率控制方案，并给出详细的实施步骤。

2.1 站内上行发射线路分析

在卫星通信地面站中，上行发射功率的影响设备有：调制器、上行处理设备、上变频器、高频功率放大器、卫星天线，如图1所示[5]。

根据对地球站内上行发射线路的分析，可以得出某一调制器发出的信号在天线出口处的电平值为：

图1 站内上行发射线路

式中，Pi为第i 路调制器的发送电平值；GC为上行处理设备的增益；GF为上变频器的增益；GP为功放的增益；GA为天线的发射增益；LL为站内线路得衰减。

由于地面站的建设环境、施工工艺的不同，GC、GF、GP、GA、LL这些值存在差异，但是对于一个地面站来说，这些值又是固定不变的。为了简化分析过程，假设站内上行增益为GS，即：

则

由此可以看出，上行电平值PSi与调制器的电平值Pi是线性正相关的，可通过调节调制器的输出电平值来调节地面站的发射功率。

2.2 空间射频链路分析

卫星通信系统的信息传输中，一条传输链路是由发端地球站经过上行链路，到达卫星转发器，处理放大后经过下行链路到达收端地球站。空间射频链路部分包括：上行链路、卫星转发器、下行链路。影响其通信性能的因素主要有：上下行传输过程中的损耗、传输过程中所引入的噪声与干扰、卫星转发器的接收增益与发射增益等[6]。为了对卫星通信传输路径进行定量计算，把损耗如：传输损耗，还有大气损耗、降雨损耗、天线跟踪误差损耗、极化误差损耗等加到链路中进行分许，如图2 所示。

图2 空间射频链路

根据空间链路分析，可以得出地面站接收天线入口处的电平值为

式中，LU为上行链路损耗；GRS为卫星接收增益；为LD下行链路损耗；GSS为卫星发送增益。

将上行链路和下行链路分开讨论，假设空间链路上行部分的总增益为GU，空间链路下行部分的总增益为GD，则：

由于卫星覆盖范围大，各地区的卫星G/T 值、ERIP 值均不一致。为了实现对空间链路工程计算，依据ERIP 分布图、G/T分布图等，制作上下行链路场强补偿图。

由地区部不同引起的上行链路增益和下行链路增益可通过功率补偿进行均衡。补偿是通过调整发送电平来实现，假设上下行链路增益的标准值为：GUS、GDS，上行补偿值为：GUi，下行补偿值为：GDi，则

可以看出，经过场强补偿后的空间链路部分总增益在各地区可认为是相同的。

2.3 站内下行接收线路分析

在卫星通信地面站中，下行接收电平的影响设备有：解调器、下行处理设备、下变频器、低噪声放大器、卫星天线，如图3所示。

图3 站内下行接收线路

根据对地球站内下行接收线路的分析，可以得出解调器入口电平值为：

式中，PRi为卫星天线收到的i 路信号电平值；GS为下行处理设备的增益；GF为下变频器的增益；为GL低噪放的增益；GA为天线的接收增益；LL为站内线路得衰减。

同理，但是对于一个地面站来说，GS、GF、GL、GA、LL值是固定不变的。假设站内下行增益为GR，即：

则，

带入之前公式可得出：

这既是解调器接收电平值GRi的计算公式。下面根据此公式设计地面站发送电平的控制方法和实施步骤。

3 实施步骤

由上述推导过程可以看出，许多链路参数无法精确定量计算，因此本文采用系统校准对比的方法得到发送电平值，实现卫星链路的功率控制。

3.1 电平校准

电平校准分两个部分，接收电平校准和发送电平校准。

接收电平校准一方面是校准接收信号底噪，要求卫星通信系统内所有解调器的入口底噪满足解调器性能，且保持一致。另外一方面是校准地球站接收能力。网控中心站会一直发送TDM 信号，各地地面站接收道德地面站接收此信号后，需将实时电平值PTi经过ALOHA 发送给网控中心站。同时中心站根据地面站所在地区得出下行链路的增益补偿值为GDi，则地面站的接收增益补偿值：

式中，PT为中心站收到TDM 的电平值。

发送电平校准是对地球站发送能力进行校准。中心站通过接收地球站发送的信号对地球站进行功率校准，调整地球站调制器发送电平为Pi，使得中心站解调器入口电平为解调门限值。此时的发送电平为Pi包含地球站的上行链路增益补偿GUi、中心站的下行链路增益补偿GDi，因此，地球站调制器的发送基准电平为

此值反应地球站的发送性能，是通信时发送电平的计算基准。

3.2 电平计算

在通信时，地球站的发送电平由基准电平Pref、上行线路增益补偿GU以及接收地球站的下行链路增益补偿GD、接收增益补偿组成ΔPA，即

其中，GU、GD、ΔPA由中心站通过TDM 发送给地球站。

地球站需每3个月进行一次电平校准，以保证计算的准确有效。

3.3 功率控制

由于计算得出的发送电平值是开环值，仅保证双方可通信，在正式初始阶段，通信双方可根据实际的通信效果，进行闭环互调。因此地球站发送功率控制分为两步：首先根据发送电平计算值设置调制器的发送电平；然后收发双方根据通信效果进行功率互调。

功率互调是以实际通信效果为依据的，通过接收地球站反馈的接收信噪比来动态调节发送电平。由于卫星传输延迟较大，有较大的滞后性，因此闭环算法采用比例+微分（PD）控制器，可以有效解决调节过程中可能会出现的过调现象，保证通信系统的稳定性。

4 试验验证

在某卫星系统中实施功率控制后，卫星转发器底噪有显著降低，再无特大信号出现，信号相对比较均衡，如图4所示。

图4 功率控制频谱效果

经过数月观察，整个卫星通信系统通信效果显著提高，首次呼通率超过95%，未出现功放饱和报警。

5 结束语

本文通过对卫星系统的站内发射线路、站内接收线路以及空间链路的详细分析，得出了卫星通信中各功率电平之间的计算关系。依据公式给出了功率控制的实施办法，包括电平校准、电平计算以及闭环互调。通过验证结果可以看出本文设计的功率控制方案效果显著，具有很高的实用推广价值。