低轨卫星互联网通信系统链路预算分析与设计*

2020-12-23郝兴斌郑金秀

通信技术 2020年10期

周慧，郝兴斌，汤辉，郑金秀

（1.中国西南电子技术研究所，四川成都 610036；2.解放军32381 部队，北京 100070）

0 引言

随着通信技术的飞速发展，地面蜂窝通信系统已逐渐无法满足用户日益增长的通信需求[1]。作为地面5G 通信系统的补充，低轨卫星互联网通信系统可为全球用户提供低延时、高带宽、全球无缝覆盖以及灵活便捷的互联网接入服务[2]，因此将成为实现全球通信的重要组成部分。

卫星通信系统的链路预算是指卫星通信系统中对发送段、通信链路、传播环境和接收段中所有增益和衰减的核算，需要考虑自由空间衰减、大气衰减、云雾衰减、降雨衰减、天线指向衰减以及极化衰减等[3]。文献[4]针对卫星通信链路的逐步计算进行了详细说明。文献[5]针对Ku 频段的卫星通信链路进行了预算，考虑了雨衰对链路的影响。文献[6]以火星-地球中继通信为背景进行了链路预算，频率高达Ka 频段，分析了降雨、云雾等对链路传输的影响。

我国低轨卫星互联网通信系统馈电侧工作于Q/V 频段，用户侧工作于K/Ka 频段，而针对Q/V频段的星地链路预算，鲜有文献进行详细的分析与设计。本文从工程应用的角度出发，仔细分析了大气衰减、云雾衰减、降雨衰减以及自由空间衰减对高频段信号链路传输的影响，给出了详细的星地链路预算分析过程，分析结果对低轨卫星互联网通信系统的链路设计具有一定的参考价值。

1 链路衰减分析

1.1 大气衰减

无线电波通过地球大气层传播时，传播路径上存在着多种气体成分，会降低信号电平。信号衰减的程度取决于频率、温度、湿度和气压[7]。目前，国内卫星通信的工作频率最高至V 频段，所以本文只针对52 GHz以下频率的大气吸收衰减进行分析。

在进行大气衰减计算时，需要明确几个参数数值：（1）工作频率f，单位GHz；（2）大气压强Bp，单位hPa；（3）当地气温t，单位℃；（4）相对湿度RH，单位%。

具体计算过程如下。

步骤1：计算干燥空气的衰减率γ0(dB/km)。

1.2 云雾衰减

云和雾属于水悬体，对于工作在20 GHz 以上的系统，水悬体造成的衰减很大。对于高余量系统，雨衰是最主要的衰减。然而，对于低余量系统和更高的频率，云引起的衰减将起到主要作用。由于卫星链路穿过雾的总路径较短（几百米量级），且对于大雾来讲水汽密度约为0.5 g/m3，因此对于100 GHz 以下的系统，雾引起的衰减可以忽略不计[8]。云衰的程度取决于工作频率和液态水总柱含量[9]。

在进行云衰计算时，需要明确如下几个参数的数值：

（1）工作频率f，单位GHz；

（2）液态水总柱含量L，单位kg/m2。

具体计算过程如下。

步骤1：计算水的复介电常数。

1.3 降雨衰减

在10 GHz 以上时，雨衰将成为无线电波通过对流层传播的主要衰减。雨衰的程度取决于频率、地面站纬度、极化倾角、地面站海拔高度以及地面站平均年0.01%时间的降雨率[10]。

在进行雨衰计算时，需要明确如下参数的数值：

（1）工作频率f，单位GHz；

（2）地面站纬度φ，单位°；

（3）极化倾角τ，单位°，对于圆极化取τ=45°；

（4）地面站海拔高度hs，单位km；

（5）地面站平均年0.01%时间的降雨率R0.01。

具体计算过程如下。

步骤1：计算地面站的降雨高度hR（km）。

其中，kH、kv、αH和αV是与频率相关的回归系数，可以在文献[11]中查询到。

步骤4：计算水平缩减因子r0.01和垂直缩减因子v0.01。

式中，当|φ|<36 时，χ=36-|φ|，否则χ=0。

步骤4：计算平均年0.01%时间超出的衰减A0.01（dB）。

步骤5：计算平均年p%时间超出的衰减Ap（dB）。

1.4 自由空间衰减

无线电波通过自由空间时，其信号衰减与工作频率和距离相关，具体传输衰减如：

式中，f的单位为MHz；R的单位为km，是卫星与地球之间的距离：

式中，Re为地球半径，取值6 378.14 km，h为卫星轨道高度，θ为地面站天线工作仰角，且有：

2 仿真分析

使用Matlab 对大气衰减、云雾衰减以及降雨衰减的影响因素进行仿真分析，仿真输入条件如表1所示。

表1 我国典型站点信息

2.1 大气衰减仿真分析

仿真结果如图1～图5 所示。

由仿真结果可以看出，天线仰角在5°时，由于电磁波穿过大气层的路径较长，所以衰减很大。随着天线仰角增加，电磁波穿过大气层的路径缩短，衰减逐渐减小。当仰角到20°以上时，衰减的变化率急剧减小。

图1 北京站不同仰角和频率下的大气衰减

图3 三亚站不同仰角和频率下的大气衰减

图4 喀什站不同仰角和频率下的大气衰减

图5 昆明站不同仰角和频率下的大气衰减

由仿真结果还可以看出，大气衰减在22.3 GHz附近有一个峰值，这是由于水蒸气在22.3 GHz 左右具有明显的谐振频率，导致在此频点附近总的大气衰减出现明显的峰值。除此频点之外，总的大气衰减随频率的增加呈现增大的趋势。对比5 个站的仿真结果和站点信息，随着湿度、气压和温度的增加，大气衰减在逐渐增大。

2.2 云雾衰减仿真分析

仿真结果如图6～图11所示。

图6 北京站不同仰角和频率下的云衰

图7 西安站不同仰角和频率下的云衰

图8 三亚站不同仰角和频率下的云衰

图9 喀什站不同仰角和频率下的云衰

图10 昆明站不同仰角和频率下的云衰

图11 液态水总柱含量（P=0.5%）对不同频段云衰的影响（θ=10°）

由仿真结果可以看出，云衰随着频率的增加逐渐增大，且当天线仰角到20°以上，衰减的变化率迅速降低。同时，由图11 可以看出，液态水总柱含量对衰减的影响很大，因此在确定云衰时，液态水总柱含量的精确测量十分重要。文献[9]给出了在不同时间百分比下全球归一化云中液态水总柱含量的分布。

2.3 降雨衰减仿真分析

仿真结果如图12～图17 所示。

图12 北京站不同仰角和频率下的雨衰（P=0.01%）

图13 西安站不同仰角和频率下的雨衰（P=0.01%）

图14 三亚站不同仰角和频率下的雨衰（P=0.01%）

图15 喀什站不同仰角和频率下的雨衰（P=0.01%）

图16 昆明站不同仰角和频率下的雨衰（P=0.01%）

图17 北京站不同时间百分比下的雨衰（θ=10°）

由仿真结果可以看出，雨衰随着频率的增加逐渐增大，且当天线仰角到20°以上，衰减的变化率迅速降低；对比5 个站点的仿真结果及站点信息，地面站平均年0.01%时间的降雨率对雨衰的影响最大。降雨率越大，衰减数值越大。在相同降雨率的条件下，地面站海拔高度越高，雨衰数值越小。

由图17 可以看出，选取计算的时间百分比对雨衰的数值计算影响很大。时间百分比越小，衰减越大。通常地面站要求的系统可用度为99.75%或者99.5%，即一年内业务中断的时间分别为21.9 h和43.8 h，对应时间百分比分别为0.25%和0.5%。

2.4 自由空间衰减仿真分析

设定卫星轨道高度为1 175 km，仿真结果如图18 所示。

图18 地面站不同工作仰角下的自由空间衰减（h=1 175 km）

由仿真结果看出，自由空间衰减随着频率的增加而增大，同时在当前轨道高度下，地面站仰角从5°～90°时，自由空间衰减动态约为9.5 dB。

3 链路预算过程

星地链路预算流程如图19 所示，根据输入参数计算链路余量，余量指标以地面站品质因数G/T值为标尺进行衡量，判断链路余量是否满足要求。若不满足要求，则需要调整地面站的参数，包括地面站选址位置、天线口径等。

步骤1：地面站参数输入，包括地面站站址信息（降雨率、经纬度、海拔、相对湿度、气压、气温以及液态水总柱含量）、工作频率、天线口径、天线效率、地球半径、地面站工作仰角、解调器误码率要求、信息速率以及解调损耗。

步骤2：卫星参数输入，包括卫星轨道高度和星上EIRP。

步骤3：计算链路衰减，包括大气衰减、云雾衰减、降雨衰减、自由空间衰减、天线指向误差带来的信号衰减以及极化衰减。利用本文第2 章节进行大气衰减、云雾衰减、降雨衰减和自由空间衰减的计算，天线指向衰减和极化衰减需参考所使用的地面站天线的相关指标。

图19 星地链路预算流程

步骤4：计算解调所需的载噪比C/N0。

式中，Eb/N0为指定误码率下的理论值，Rb为编码前的信息速率，M为解调损耗。

步骤5：计算系统所需的G/T值，可利用计算。

式中，EIRP为卫星的有效全向辐射功率，L∑为链路衰减总和，K为玻尔兹曼常数，取值为-228.6 dB·W·Hz/K。

步骤6：计算地面站的品质因数G/T值。

式中，GR为天线接收增益，Ts为系统噪声温度。

针对抛物面天线，它的接收增益为：

式中，D为天线主反射面直径，η为天线总的辐射效率。

系统等效噪声温度（以接收机输入端为参考点）为：

式中，TA为天线馈源输出口噪声温度，LF为天线馈源输出口与接收机之间连线损耗，T1为连线的环境温度，一般取值296 K（即23 ℃），Ter为接收机的等效噪声温度：

式中，Te1为第一级网络的等效噪声温度，Tei为其他各级网络的等效噪声温度，Gr为各级网络的增益。

步骤7：比较步骤5 和步骤6 计算所得的G/T值的数值，确定链路余量是否满足要求。若不满足要求，则通过调整地面站参数进行重新计算。

以北京站为实例进行Q/V 频段的链路预计，站址信息如表1 所示，频率设定为50 GHz，卫星轨道高度1 175 km，预计结果如表2 所示。

由表2 可见，北京站在当前预算条件下，链路最大衰减为257 dB，最小衰减为189.7 dB，动态为67.3 dB。以此数据为基础，结合地面站解调器参数及卫星EIRP 能力，进行链路余量的计算。比较表2 的衰减数据，对于卫星通信来讲，可以采用自适应编码、功率控制、波束分集以及位置分集等技术提高系统的抗雨衰能力。