链路预算在无人卫星通信系统设计中的应用现状分析

王立辉

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

1 链路预算相关概述

1.1 链路预算的定义

链路预算指在通信系统设计过程中对通信链路所需的资源进行合理分配和优化的一种方法。其可以估计和计算通信链路所需的功率、带宽、信噪比以及误码率等参数，并在资源限制的前提下，进行系统性能分析和优化[1]。

1.2 链路预算的注意事项

解调门限是链路预算中的重要参数之一，表示接收器能够正确解调信号的最低信号强度。进行链路预算时，需要根据具体规划地区的场景，采用链路级仿真或实际设备测试的方法来获取解调门限的准确值，更准确地评估系统的性能和覆盖范围。

根据上行/下行链路的覆盖能力，一般由上行/下行链路来确定5G 系统的覆盖范围。3G 受移动终端传输功率的限制，其上行链路的覆盖面积远小于下行链路的覆盖面积。与3G 相比，全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）将子信道化技术应用于上行链路，划分信道，扩大了系统的覆盖范围，从而弥补了上行链路覆盖的不足[2]。

根据不同服务的覆盖能力，无论是在人口稠密的城市，还是在普通城市，运营商一般以电路交换（Circuit Switched，CS）64 kb/s 服务作为连续覆盖的目标服务。由于CS64 kb/s 的业务对覆盖范围、信号质量等有很高的要求，网络规划时应以覆盖能力为重点。

2 卫星通信系统组成概述

卫星通信网构成了一张完整的通信网，实现了全球通信的全覆盖。它主要由空间部分、地面部分和用户部分构成，构成了一个完整的通信网，具有通信覆盖区域广泛、灵活性高、较大的通信带宽和通信容量等特点，能够满足用户多样化的通信需求。

空间段在卫星通信系统中起着至关重要的作用。它由地球同步轨道卫星和中低轨道卫星组成，起到中继通信的作用，为网络用户提供通信服务。地球静止轨道卫星通常位于地球上空的静止轨道，其高度约为3.6×104km，可以实现全球范围的通信覆盖。中、低轨道卫星则位于较低的轨道，高度一般在1 000 km以下，可以提供更低的延迟和更大的带宽[3]。

地面段是卫星通信系统的控制和管理中心，通常包括信关站、网络控制中心和卫星控制中心。信关站是卫星通信系统中的中继站点，用于接收和转发卫星上的信号。网络控制中心负责管理和控制整个卫星通信网络，包括路由控制、资源分配和故障处理等。卫星控制中心则负责卫星的轨道控制、姿态控制和通信参数的调整。

用户段由通信连接的各种用户终端构成。用户终端机包括手持式终端机、车载终端机和船载终端机等。这些终端可以是移动，也可以固定安装。用户终端通过卫星通信系统与地面段和其他用户进行通信连接，实现语音、数据和视频等多种通信服务。

3 无人卫星通信系统设计发展现状

3.1 实施多个卫星计划

在空间基础设施、天地一体化信息网络等重点项目建设，以及国内商业航天产业蓬勃发展等因素的共同推动下，国内低轨卫星通信系统正处于快速发展阶段。目前，由各类企业和高校提出多达10 个以上的星座建设计划[4]。其中，“虹云”星座和“鸿雁”星座已经成功完成了试验星的空中试验。同时，中国电子科技集团有限公司“天象”试验1 星、2 星也在2019 年成功发射，进一步丰富了卫星队列。此外，由民营企业主导的卫星组网计划中，“天启”星座已成功发射了5 颗组网星，并且其天启卫星物联网系统已正式上线，是我国民营航天事业的一次重要突破，也为我国的物联网发展开辟了新的通道。

3.2 无人卫星通信技术不断突破

在步入信息社会的同时，移动通信技术也以惊人的速度从1G 向5G 进行突破，在此期间，催生了很多新兴技术。5G 作为最新一代蜂窝移动通信技术，并不是独立的、全新的无线接入技术，而是对现有无线接入技术的技术演进和一些新增的补充性无线接入技术集成后解决方案的总称，为无人卫星通信技术的发展提供了新的动力和可能性。而卫星互联网作为一种基于卫星通信的互联网，通过发射特定数量的卫星形成规模组网，向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务，实现全球互联网无缝链接服务，无论是地理位置偏远，还是环境条件困难，都能保证高效稳定的通信[5]。最为通用的是低轨卫星，其核心应用场景包括偏远地区通信、海洋作业和科考宽带、航空宽带以及灾难应急通信等。因此，低轨卫星系统对通信质量和稳定性有着极高的要求，无人卫星通信技术恰恰能够满足这些需求，有着巨大的潜力和价值。

3.3 万物互联

随着信息技术的飞速发展，对带宽的需求也在持续增长。为满足宽带接入、基站中继、高清/超高清视频等应用带来的带宽增长需求，基于多点波束和频分复用的高通量卫星（High Throughput Satellite，HTS）应运而生。2004 年以来，全球超过半数的卫星通信运营商合计部署了150 多颗高通量卫星。其中，包括地球同步转移轨道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）、中地球轨道（Middle Earth Orbit，MEO）、低地（球）轨道（Low Earth Orbit，LEO）等形式的卫星。这种“高—中—低”轨道的融合发展，体现了空间通信网络的多元化和灵活性。同时，随着通信技术的快速迭代发展，特别是5G 建设的推进以及包括远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等物联网通信标准的出台，万物互联已经具备了产业技术基础。另外，随着人工智能、云计算、大数据以及边缘计算等技术的同步发展，物联网作为数据的收集、环境的感知以及控制的执行端，其应用场景持续拓宽。

3.4 产业生态圈与产业链内循环发展

随着互联网、航天技术的飞速发展，高通量卫星（High Throughput Satellite，HTS）、非地球静止卫星轨道（Non Geostationary Satellite Orbit，NGSO）、灵活性载荷、中继通信、在轨服务以及量子保密通信等技术创新，将卫星互联网推向一个全新的发展阶段。该背景下，地球静止轨道（Geostationary Orbit，GEO）的HTS 正向大容量、微型化方向发展，一些运营商已开始布局全球卫星，以提升其全球服务能力。在LEO 卫星方面，OneWeb 和Space-Spaces 同时在全球范围内进行部署，以增强卫星服务的能力。同时，O3b 不断扩大MEO 星座的规模与服务容量。此外，ViaSat 公司探索MEO 与GEO 间的中继通信，并进行协同开发。Q/V 波段、激光在卫星通信领域已进入实用化阶段，太赫兹（THz）技术在卫星通信、天地一体化通信等领域具有广阔的应用前景。低轨卫星的蓬勃发展，给卫星制造与发射产业带来了变革与产业升级。卫星互联网和5G技术的融合也取得了显著进展，主要应用在内容投递，宽带接入，基站中继，移动平台等方面。跨平台跨网电调板天线的研究方兴未艾，但其成本有待进一步降低。卫星通信、卫星导航、自动关联广播及自动识别系统等综合应用越来越广泛。

4 链路预算在无人卫星通信系统设计中的应用策略

4.1 了解通信系统的性能

通过链路预算，可以预测和理解整个通信系统的运行状态和性能表现。具体来说，链路预算可以揭示系统的潜在问题，帮助工作人员作出必要的调整，从而确保通信系统能够在各种环境条件下可靠地开展工作。首先，通过链路预算，可以预测信号在传播路径中的传输损耗、噪声和干扰等因素。通过对这些因素参数的分析，可以评估链路的信号质量，包括信噪比、误码率等指标，有助于工作人员预测通信系统的性能表现，并在设计阶段进行必要的优化。其次，链路预算可以帮助优化通信系统中的资源分配。通过调整链路预算中的参数，如功率、频谱和带宽等，可以优化资源的利用，提高通信系统的性能和效率。例如，在无人卫星通信系统中，可以根据链路预算的结果，调整卫星的功率分配，以提高系统的覆盖范围和传输速率。最后，链路预算可以用于验证通信系统的设计方案。根据链路预算计算得出的结果，与实际的传输性能相比，可以评估设计方案的合理性和可行性。如果链路预算的结果与实际情况不符，就需要调整和改进系统，以确保系统能够如预期地进行工作。

4.2 确定最佳配置和接口电平

链路预算不仅可以评估通信系统的性能，还可以帮助确定地球站或卫星资源的最佳配置。通过链路预算的计算和分析，工程师可以在众多可能的配置方案中找到最能满足性能需求和成本效益的方案。同时，链路预算可以为系统设计人员提供决策支持，帮助他们选择合适的设备数量、位置和参数设置，从而构建出具有优化性能的无人卫星通信系统。具体来说，通过链路预算的计算，工程师可以评估不同配置方案下的信号传输质量、覆盖范围和传输速率等关键性能指标。他们可以通过调整卫星的数量、位置和天线参数等来优化链路预算的结果，以满足系统的性能要求。例如，某无人卫星通信系统设计团队使用链路预算技术来评估不同地球站和卫星资源配置方案的性能。通过计算和分析，发现增加地球站的数量和改变卫星的位置可以显著扩大系统的覆盖范围和提高系统传输速率。基于链路预算的结果，最终确定了最佳配置方案，使得系统能够在广泛的区域内提供稳定和高效的通信服务。此外，链路预算可以用于确定地球站各设备之间的最佳接口电平。接口电平的选择将直接影响设备的工作效率和系统的整体性能。通过链路预算的计算和分析，工程师可以在保证设备工作效率的同时最大限度地提高系统性能的接口电平。

4.3 了解系统的设计性能是否满足要求

系统链路设计是整个卫星通信系统设计的核心之一。通过链路预算的计算和分析，可以了解整个系统的设计性能是否满足要求，并对整个卫星移动通信系统及其设备的技术指标的选取具有指导意义。首先，链路预算可以通过计算和分析，评估卫星通信系统的性能表现。通过预测信号传播路径中的传输损耗、干扰、噪声等因素，可以了解系统的通信质量和可靠性。通过链路预算的结果，可以评估系统的传输速率、覆盖范围和误码率等关键性能指标，以确保系统能够满足用户的通信需求。其次，链路预算可以用于验证通信系统的设计方案。通过与实际的传输性能相比，可以评估设计方案的合理性和可行性。如果链路预算的结果与实际情况不符，就需要调整和改进系统，以确保系统能够如预期地工作。通过链路预算的验证，可以提高系统的设计可靠性和稳定性。最后，链路预算可以为设备的选取提供指导。通过链路预算的计算和分析，可以了解不同设备参数对系统性能的影响。例如，在选择天线时，可以通过链路预算来评估不同天线增益对系统的覆盖范围和传输速率的影响。通过链路预算的指导，可以选择合适的设备和参数，以优化系统的性能和效率。

4.4 卫星通信与产业链生态深度融合

产业生态深度融合已成为信息时代卫星通信发展的一个重要趋势。高、中、低轨道卫星分别承担着天地一体化信息网络的功能，尤其是非地球静止轨道星座的大规模部署，是该领域的重要发展方向。卫星互联网业务的发展离不开边缘计算、卫星多播、内容缓存等前沿技术支撑，应将链路预算技术应用在此过程，在资源限制的前提下，对通信链路所需的资源进行合理分配和优化。同时，为提高通信系统的能效比，要适应不断变化的市场需求，开发数字载荷与软件定义技术。此外，随着NGSO 星座的大规模部署，卫星间的频率冲突、干扰等问题日益突出，冲突风险日益增加，迫切需要统筹规划星地资源，探索高效率的频率复用技术，同时加强人工智能在干扰检测、轨道预测、碰撞规避等方面的应用，为卫星通信产业提供更广阔的发展空间，促进产业链生态的深度融合。

5 结 论

通过链路预算，可以评估和优化通信系统的性能，确定最佳配置和接口电平，并了解系统设计的符合性。无论是了解通信系统的性能、确定最佳配置，还是检查系统的设计性能是否符合要求，链路预算都是不可或缺的工具。另外，通过合理应用链路预算等技术手段，可以进一步优化卫星通信系统的设计，提高通信质量和性能，为用户提供更加稳定和可靠的通信服务。