衛(wèi)星通信中的常見問題

1、衛(wèi)星通信中的常見問題問題：5、降雨損耗及鏈路可用度6、飽和通量密度7、轉(zhuǎn)發(fā)器的增益8、連路計算9、系統(tǒng)容量估算5、降雨損耗及鏈路可用度：降雨對鏈路的影響：降雨會導(dǎo)致電磁波的散射并且會吸收無線電波的能量；降雨的衰減量隨著頻率的升高而增加，因此Ku波段的降雨衰減要比C波段嚴(yán)重；水平極化的降雨衰減要比垂直極化的降雨衰減 要大；雨衰會產(chǎn)生噪聲，衰減和噪聲對衛(wèi)星鏈路性能的影響在上、 下 行鏈路的雨衰余量中考慮。降雨對天線罩的影響：對半球形的天線罩，降雨會產(chǎn)生一個厚度不均 勻的水層，水層將導(dǎo)致吸收損耗和反射損耗（1m得的水層所產(chǎn)生的 損耗是14dB）。降雨會導(dǎo)致信號的去極化：雨滴通過大氣層時略帶橢圓形，主

2、軸方向 對電場分量的影響不同于次軸方向?qū)﹄妶龇至康挠绊懀?其結(jié)果就是使 電波變成了橢圓極化波；對圓極化波的影響大于線性極化波， 為了彌 補降雨引起的去極化，需要安裝去極化裝備。鏈路可用度：定義：在一年中p%的時間內(nèi)，鏈路的誤比特率不超過一個給定的門 限值Pb的概率，稱為鏈路可用度。因此鏈路可用度表示含義是：一年中經(jīng)過該鏈路傳輸?shù)恼`比特率性能優(yōu)于門限Pb的時間百分比。為了使鏈路可用度達(dá)到要求，定義一個門限載噪比C/Nth和余量M,余量M包括雨衰余量、系統(tǒng)余量以及設(shè)備余量等，因此設(shè)計系統(tǒng)應(yīng) 該達(dá)到的載噪比為：C CM （dB）。N N th6、飽和通量密度：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器（TWTA存在輸

3、出功率飽和現(xiàn)象，由此定 義：使TWTM到飽和時接收天線所要求的通量密度為飽和通量密度， 用s表示。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和通量密度也稱為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的靈敏度。 如果用EIRPs表示能使衛(wèi)星接收天線達(dá)到飽和通量密度所要求的地 球站的有效全向輻射功率，則有：4 、s EIRPs LOSS s 10lg（）顯然，EIRPs s LOSSs 101g（二）,這樣，如果知道衛(wèi)星接收系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)s以及系統(tǒng)的工作頻率、各種傳輸損耗，就可以計算單 一載波時地球站的EIRPs。7、轉(zhuǎn)發(fā)器的增益：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的三個主要參數(shù)為G、 s與EIRP。G和s （飽和通 量密度）反映衛(wèi)星接收系統(tǒng)在其服務(wù)區(qū)內(nèi)的性能，它們與衛(wèi)星接收天線

4、的增益分布線性相關(guān)。EIRP反映轉(zhuǎn)發(fā)器的下行功率，它與衛(wèi)星發(fā) 送天線的增益分布線性相關(guān)。衛(wèi)星天線增益隨天線指向與工作頻率而變。因此，轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)隨服務(wù)特定地區(qū)內(nèi)的不同地點而變，同一地點的不同轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)也有差異點的轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)可從城市參數(shù)列表或等值線分布圖中查到 申為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)(figure of merit )。它是接收天線增益G 與接收系統(tǒng)噪聲溫度T之比值，單位為dB/k。G的計算公式為：下Gr T s式中的Gr為衛(wèi)星天線的接收增益，Ts為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度。 飽和通量密度s為，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器被推到飽和工作點時，上行載波在接 收天線口面所達(dá)到的通量密度。它反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對上行功率的需求 量

5、，單位為dBw/m2。S與申的關(guān)系為：constant attn申式中的constant為反映轉(zhuǎn)發(fā)器增益的計算常數(shù)，其數(shù)值多在 -100與 -90之間，constant越小，轉(zhuǎn)發(fā)器的增益就越高；attn為轉(zhuǎn)發(fā)器的增 益調(diào)整量，它可由地面遙控改變，用于調(diào)整s的靈敏度。用戶在作鏈路計算時，應(yīng)向衛(wèi)星公司了解相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)器attn的當(dāng)前設(shè)置值，并且 據(jù)此對從圖表查到的s數(shù)據(jù)作修正。有效全向輻射功率EIRP為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在指定方向上的輻射功率。它 為天線增益與功放輸出功率之對數(shù)和，單位為dBw。EIRP的計算公式為：EIRP P LOSSES Gt式中的P為放大器的輸出功率，LOSSES為功放輸出端與天線饋源

6、之 間的饋線損耗，Gt為衛(wèi)星天線的發(fā)送增益。由對比同一顆通信衛(wèi)星的C頻段EIRP分布圖和Ku頻段EIRP分布圖可知，C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的服務(wù)區(qū)大，通常覆蓋幾乎所有的可見陸地，適用 于遠(yuǎn)距離的國際或洲際業(yè)務(wù)；Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的服務(wù)區(qū)小，通常只覆常為36到42dBw ,蓋一個大國或數(shù)個小國，只適用于國內(nèi)業(yè)務(wù)。C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP通通常為-5至U + 1dB/k,地面天線的口徑一般不 小于1.8米；Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP通常為44到56dBw, G通常為-2至1j+8dB/k,地面天線口徑有可能小于1米。另一方面，C頻段因 為電波傳播通常不受氣候條件的影響， 適用于可靠性較高的業(yè)務(wù)；Ku 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器則因

7、電波傳播可能遭受降雨衰耗的影響， 只適用于建網(wǎng)條 件較差、天線尺寸和成本受限的業(yè)務(wù)。8、鏈路計算:上行鏈路:A、2的計算公式：一條衛(wèi)星鏈路的上行鏈路是由地球站向衛(wèi)星No傳輸信號的鏈路，即地球站發(fā)送信號衛(wèi)星接收信號。端到端的載噪比計算公式可以用于上行鏈路的計算，通常用下表 U表示這是上行鏈路，因此有：卷eIRPu yu lossesu K (dBHz)B、衛(wèi)星接收的功率通量密度：在計算仔0時，經(jīng)常采用衛(wèi)星接收到的通量密度而不是地球站的 EIRP,這樣就需要對上式進行修改；僅考慮自由空間傳輸時，距離發(fā)送天線 d處的通量密度為:m ER, m EIRP 10lg(4 d2)4 d2已知自由空間的傳輸

8、損耗為：FSL 101g（t） 10lg（4 d2）,因止匕,m EIRP FSL 101g（勺）。如果考慮其他損耗傳輸損耗:m EIRP LOSSES 101g（二）。增上所述可得：衛(wèi)星接收到的通量密度等于地球站發(fā)送的有效全向輻射功率減去傳輸過程中的損 耗（不含饋線損耗）再加上接收天線單位面積的增益。C飽和通量密度D輸入補償：當(dāng)TWT&只有單載波時可以選擇工作在飽和點， 但是TWT仲有多個載波同時通過時，為了減小互調(diào)失真的影響， 工作點必須從飽和點推到TWT聯(lián)輸特性的線性區(qū)，將飽和點所需 的輸入功率與工作點所需的輸入功率之差稱為輸入補償，用BO表示。假設(shè)單載波工作時的飽和通量密度已知

9、，那么根據(jù)單載波 的飽和電平可以確定多載波工作時的輸入補償值。這時所有地球 站的上行EIRP的和等于使轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到飽和通量密度時所需的EIRP值減去補償值BOi,即：EIRP EIRPsu BOi?？梢杂蔑?和通量密度計算載波與噪聲譜密度之比：心U EIRP】U G】U LOSSESU K （dBHz）4EIRPu s LOSSES 101g（二）BOis4. G.101gL yu BOi KE、地球站高功放HPA地球站高功放的發(fā)送功率中應(yīng)該包括傳輸饋線損耗。傳輸饋線損耗記為TEL。TEL中包括HP喻出端與發(fā)射 天線之間的波導(dǎo)、濾波器和耦合損耗。HPAW輸出功率由下式計算：Phpa EIRPu

10、Gt TFL,該式包括了衛(wèi)星所需的輸入補償。 止匕外，地球站本身也可能會發(fā)送多個載波，它的輸出需要對應(yīng)的 補償，記為BOhpa,這樣地球站的額定飽和輸出功率就由下式給 出：Phpa Phpa,s BOhpa °下行鏈路：A、2的計算公式：衛(wèi)星下行鏈路是衛(wèi)星向地球站方向傳輸信號 N0的鏈路。端到端的載噪比計算公式為：.C .G兀d EIRPd Td L0SSESd 的計算結(jié)果是地球站接收機入口的載波與噪聲譜密度之比。如果要 計算載波噪聲功率比而不是載波與噪聲譜密度之比時，就要用到 等效噪聲帶寬。假設(shè)信號帶寬B等于噪聲帶寬Bn,則上式變?yōu)椋?. C ,.G.訴I 舊RPd Td L0SS

11、ESd 的 N0 D DEk輸出補償：定義：單載波飽和輸出功率與工作點對應(yīng)的輸出功 率之差。輸出補償值的確定方法：根據(jù)輸入補償?shù)姆秶ǔ鲅a償后的工作點，線性外推至某個點（該點比飽和輸出功率大5dB）,則該點對應(yīng)的實際輸出功率減 5dB后與補償后的工作點對應(yīng)的輸 出功率差即為輸出補償。如果飽和條件下衛(wèi)星的輸出EIRP定義為EIRPd，則有：EIRP D= EIRPsd BOo,并且2的計算公式 DDNoCG一變?yōu)椋憾鴈IRPsd BOo岸lossesd K。N U DIDC衛(wèi)星TWTA勺輸出：衛(wèi)星功率放大器通常采用行波管放大器（TWTA,必須提供包括發(fā)送饋線損耗在內(nèi)的發(fā)射功率。這些饋線損耗來自T

12、WTAf衛(wèi)星天線之間的波導(dǎo)、濾波器及耦合器。TWTA的輸出功率為：Ptwta EIRPd Gtd TFLd。一旦Ptwta的值確 定，那么就可以計算TWTA勺包和功率輸出值：Ptwtas PtwtaBOo。9、系統(tǒng)容量估算：衛(wèi)星系統(tǒng)容量是指滿足一定約束條件的前提下， 系統(tǒng)支持同時發(fā)射的載波數(shù)。系統(tǒng)容量主要與要求的傳輸質(zhì)量、 帶寬擴展因子、系統(tǒng)抗干 擾能力以及地球站的傳輸能力等因素有關(guān)。衛(wèi)星系統(tǒng)信道容量受到熱 噪聲和同頻干擾的影響而損失。通常情況下，產(chǎn)生干擾的主要原因有： 多頻干擾和臨波束干擾以及多衛(wèi)星的同頻干擾。在用戶端上行鏈路中，設(shè)系統(tǒng)的一個波束內(nèi)具有T（T<13）個子頻帶，用戶密度為

13、&波束內(nèi)一個子載波能提供的用戶數(shù)為 NC,則Nc/Ac, Ac是此波束覆蓋的小區(qū)面積，在功率控制下，衛(wèi)星接收天線將不同用戶的信號功率控制為同一的量值 C。這就使得在本小區(qū) 內(nèi)部，其他用戶對被度量的用戶干擾功率也得到了 “補償”，放大了 C , 進而得到同一小區(qū)內(nèi)部被度量的用戶受其他用戶干擾 （僅考慮同一子頻帶上的用戶）的功率為：Iown（Nc 1）CNc,其中 為平均話音激活率。周圍其他小區(qū)內(nèi)的用戶信號因為功率控制因子也得到了放大，對于他們自己波束的接收天線來說，也補償?shù)搅讼嗤β蔆。衛(wèi)星干擾示意圖如下圖所示:圖1:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾設(shè)Gc( C)和Gi( i)分別為被度量的用戶和干擾方波束

14、的天線特性增益。對于被度量的用戶，這些用戶發(fā)出的干擾功率變?yōu)?I otherGc( i) other Gi( i)d Aother其中CGldAother為其他小區(qū)接收到干擾用戶信號后，采用功率other Gi( i)控制并等效至干擾方波束中心，得到其對被度量用戶的干擾積累。住于較遠(yuǎn)距離的干擾可以忽略，這里只考慮臨近范圍內(nèi)的所有干擾功率。從而得到干擾因子f ：1 G c( J1s/10g(r2 d 2)/ R2fd Aother10 r d R d Aother °Ac other Gi( i)Ac other其形需要說明的是，衛(wèi)星系統(tǒng)用戶上行波段天線并不是蜂窩形狀的, 狀如圖2所示

15、。波束間交界處的衰減為 24dB。在圖1中，干擾信號上行夾角i actan(d/h),干擾徑向小區(qū)邊緣上行夾角s actan(R/h),可將被度量的用戶小區(qū)內(nèi)的天線特性增益Eb/Nb2用地面距離d表不：Gc Gmax sg(：噌?)dBi ,其中s徑向干擾小 “actan(R/h)，區(qū)周圍的衰減，滿足s Gmax Gr。由于h? d和h? R,上式可變?yōu)椋篏c(d) Gmax s(d/ R)2 dBi o將dBi單位轉(zhuǎn)換到線性單位：Gc(r) Gmax10s/10g(d/R)2。同樣干擾方在自己波束內(nèi)的天線特性增益為：2Gi(r) Gmax10s"干附。則干擾因子可變?yōu)椋篺1dAot

16、her -10sdbgdAother。通過以上分析，得到Acother Gi( i)Acother被度量的用戶受到其他用戶的總干擾為：I Iown I other (1 f)NsbC。對于子載波帶寬Bc GRb (G是擴頻比，Rb是信息速率)和干擾功率C EbRb (Eb是信息比特能量)，總干擾的功率密度為：11CLi-g(1f)NcEb。GRbG考慮到各種噪聲的功率密度N0, Ltot Li No ,則得到一個子頻帶內(nèi)11可供使用的信道量：Nc 1 （旦）（旦）。（1 f） LtotN0設(shè)一個波束內(nèi)有T個子載波，一顆衛(wèi)星具有J個波束，一個波束的有 效帶寬為Bbeam,則一顆衛(wèi)星的可供信道量為

17、:11心"""胃哈）得）。需要說明的是，對于前向鏈路下行信道，由于信號源子一個同一的衛(wèi) 星或關(guān)口站，碼分復(fù)用能夠很好地實現(xiàn)碼片同步。 微型系統(tǒng)下行鏈路 利用導(dǎo)頻信道和擴頻碼同步信道，各用戶的擴頻序列（ Walsh碼）具 有良好的自相關(guān)性（雖然相臨的衛(wèi)星仍會產(chǎn)生部分干擾），信號接收 能夠保持在有效信干比門限以下。 所以，系統(tǒng)的下行信道干擾比上行 時的情況要輕得多。假定小區(qū)內(nèi)的來話量服從泊松分布，來話到達(dá)率為常數(shù)1/s,來話的持續(xù)時間為1/ S,從而小區(qū)的通信容量為：Vveam / Erl。根據(jù)（小區(qū)）的VCeHNcelJ ONcellvCcii /n!n 0V veam beamN cell一個子頻帶內(nèi)可供使用的信道量的公式容易得到一個波束可供信道量Ncell ,話務(wù)阻塞率滿足Erlang-B公式：pb實際通信容量Vveam應(yīng)小于Ncell ,故小區(qū)內(nèi)的通信效率為:在阻