衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)

1、2009年第1期通信與廣播電視3衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)王喜* 作者系南京熊貓漢達(dá)科技有限公司系統(tǒng)部工程師* * 作者系南京熊貓漢達(dá)科技有限公司系統(tǒng)部工程師 * * 作者系南京熊貓漢達(dá)科技有限公司系統(tǒng)部助理工程師© 1 爭(zhēng)*4-20 Q China Academic Journal Eltctronic Publishing House. All rights reserved. htrpi/AW'V*朱小流* *廖曉談本文討論了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)，在保證用戶通信質(zhì)量的前提下最低限度的降低發(fā)射功率，減少系統(tǒng)干擾，增加系統(tǒng)余量。本文給出了功率控制的 具體方案。關(guān)鍵

2、詞：衛(wèi)星通信功率控制Power Con tro IT ech no logy in Satellite Comm uni cati on SystemWangX i Zhu X iaoliu Liao X iaotanA bstractTh is paper prese nts discussi on on he power con trol tech no logy to obtai ned the lowestm u n m um transm it power reqired for the purpose of reduced systm interferencce and in cr

3、easedsysten allow rance The paper g ves the details of power control schemeK eyw ords: satellite comm unication power control衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，即把地球站發(fā)上來的電磁波放大后再返送回另一地球站。地球站則是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面公眾網(wǎng)的接口，地面用戶通過地球站出入衛(wèi)星系統(tǒng)形成鏈路。衛(wèi)星通信具有通信范圍大、不易受陸地災(zāi)害影響、 建設(shè)速度快、易于實(shí)現(xiàn)廣播和多址通信和電路和話務(wù)量可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。隨著衛(wèi)星業(yè)務(wù)向?qū)拵Щl(fā)展 ，越來越多的衛(wèi)星將工

4、作在 Ka頻段，該頻段雨衰嚴(yán)重，功 率控制也是抗雨衰的重要策略之一，因此，研究衛(wèi)星移動(dòng)通信中的功率有效控制技術(shù)具有十 分重要的意義。一、功率控制技術(shù)簡(jiǎn)介衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制技術(shù)主要是指在保證用戶通信質(zhì)量的前提下，最低限度的降低發(fā)射功率，減少系統(tǒng)干擾，增加系統(tǒng)余量。它是在對(duì)接收端的接收信號(hào)強(qiáng)度和信噪比等指標(biāo) 進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，適時(shí)地改變發(fā)射功率來補(bǔ)償無線信道中的路徑損耗和衰落，從而既維持通信質(zhì)量，又不會(huì)對(duì)無線資源中的其它用戶產(chǎn)生額外干擾。功率控制技術(shù)按其不同的分類方法 ，可以分成不同的類型，如圖1所示。以上各種功率控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體采用何種功率控制方法應(yīng)根據(jù)具體的信道條件，傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類

5、型而定。比如在慢衰落信道中，一般可采用開環(huán)功率控制，技術(shù)簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏；而在快衰落信道中，一般采用閉環(huán)功率控制，控制精度高，但距離遠(yuǎn)時(shí)，時(shí)延較 大。衛(wèi)星通信系統(tǒng)是典型的功率受限系統(tǒng)，系統(tǒng)功率控制是保證系統(tǒng)正常工作，提高系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)，Ka頻段傳播鏈路中的大氣衰減（雨、雪等衰減是主導(dǎo)因素）和波束邊緣的影響，會(huì)使地球站的收發(fā)電平起伏很大，根據(jù)TU的雨衰統(tǒng)計(jì)曲線，在Ka頻段（30GHz附近），在降雨達(dá)到 16mm/h （氣象定義為大雨）時(shí)，Ka的雨衰率達(dá)到 2 9dB/km，而我國(guó)的 境內(nèi)降雨高度在 4 6km左右，這就意味著Ka頻段有12dB以上的雨衰，加上波束邊緣的影 響，K a頻段的鏈路衰

6、減將會(huì)更大，如果要保證每個(gè)信道的通信質(zhì)量而為每一個(gè)地球站預(yù)留 足夠的余量，將會(huì)大大減小系統(tǒng)通信容量，造成資源浪費(fèi)，因此必須進(jìn)行系統(tǒng)功率控制。二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制算法衛(wèi)星移動(dòng)信道與地面移動(dòng)信道相比有很多不同之處，其中最顯著的特點(diǎn)是衛(wèi)星信道的傳輸距離遠(yuǎn)，傳播時(shí)延大，因此，衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)一般采用開環(huán)功率控制算法。此外，由于衛(wèi)星在距離地面很遠(yuǎn)的太空中運(yùn)行，且衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器一般是功率受限的，因此，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行功率控 制比對(duì)地面基站要難，地面CDMA系統(tǒng)中的很多功率控制算法在衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)中也是不可 行的。目前，對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)中的功率控制算法還相對(duì)較少，下面，我對(duì)幾種常見的功率控口1-.1 JII 制算法作

7、一簡(jiǎn)單的分析。1 K a波段衛(wèi)星通信中的功率控制ITU分配給移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）的頻段主要由 UHF頻段、L/S頻段、C頻段、Ku頻段和Ka頻段等很多頻段資源組成，其中UHF頻段和L/S頻段受降雨因素影響不大，可忽略 不計(jì)。但由于帶寬的限制，目前這些頻段已趨向飽和，現(xiàn)在的MSS更多地開始集中在 Ku和 K a頻段。這個(gè)頻段雨衰嚴(yán)重（暴雨時(shí)超過10dB）,采用傳統(tǒng)的預(yù)留備余量的方法會(huì)造成較大的功率資源的浪費(fèi)。因此，需進(jìn)行有效的功率控制。上行鏈路功率控制一般采用自適應(yīng)功 率控制算法，其基本思想是：以晴空基帶電平為基礎(chǔ)，以下行頻段的固定信號(hào)作為算法的控 制參數(shù)，通過上下行信號(hào)衰落之間頻率轉(zhuǎn)換因子，

8、預(yù)測(cè)出上行鏈路的總衰減，然后相應(yīng)的增 大發(fā)射功率來補(bǔ)償這種衰落的影響。這種算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但當(dāng)上下行鏈路不相干性嚴(yán)重時(shí)，功率控制誤差較大。文獻(xiàn)7提出了改進(jìn)的自適應(yīng)功率控制算法，在這種算法中，雨衰被抽象成一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的，具有已知統(tǒng)計(jì)特征的自回退過程模型，利用MMSE信道估值的方法，從而可以減小功率控制誤差。衛(wèi)星下行鏈路一般是功率受限的，功率控制的動(dòng)態(tài)范圍不足以補(bǔ)償雨衰強(qiáng)度的變化。因此，衛(wèi)星下行鏈路一般采用自適應(yīng)FEC編碼技術(shù)，其基本思想是：雨衰發(fā)生期間，降低數(shù)據(jù)速率，加入額外的信道編碼，并保持信道總的傳輸速率不變，通過編碼增益來增加衰落備 余量，從而提高信道的傳輸性能。2 低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的下

9、行鏈路功率控制與同步衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星具有傳輸時(shí)延小，路徑損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在第三代移動(dòng)通信中 得到廣泛應(yīng)用。但是，由于低軌衛(wèi)星在低軌上作高速運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星波束切換頻繁，當(dāng)用戶位于 波束的邊界處時(shí)，由于天線增益較低且易受相鄰波束的干擾，用戶接受的信號(hào)功率將降低 ,為了保證用戶接受信號(hào)的質(zhì)量，必須增大轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率。然而，低軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率資源是相當(dāng)寶貴的，提供較大的功率會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星電池壽命的減少，從而會(huì)加快更換衛(wèi)星的頻率。文獻(xiàn)6提出了一種基于不同速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的功率分配算法。其基本思想是：以星下點(diǎn)蜂窩為參考，按照一定的信干比要求將衛(wèi)星蜂窩進(jìn)行分割。當(dāng)用戶位于蜂窩的中心區(qū)域附 近時(shí)，衛(wèi)星可以以較高的速率

10、傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；而當(dāng)用戶處于蜂窩的邊界附近時(shí) ，衛(wèi)星以較低的速率傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。仿真結(jié)果表明，這種算法可使系統(tǒng)容量提高25%到40%。在這種算法中，地面控制中心應(yīng)該實(shí)時(shí)掌握用戶所在衛(wèi)星蜂窩中的位置來調(diào)整數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率，在理想情況下，可認(rèn)為用戶的位置可通過測(cè)量信號(hào)功率、仰角、信號(hào)往返時(shí)延或通過導(dǎo)航系統(tǒng)來 得到，但由于低軌衛(wèi)星波束切換頻繁，實(shí)際中準(zhǔn)確確定用戶在蜂窩中的位置比較困難。3 雨衰估算在衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制中，雨衰的估算非常重要，它是實(shí)現(xiàn)功率控制的關(guān)鍵所在。對(duì) 于雨衰的估算有兩種方式：一是通過氣象站發(fā)布的氣象信息，配合地球站的位置信息，確定 地球站所在地的雨衰情況；二是通過系統(tǒng)自身環(huán)路進(jìn)行通信

11、質(zhì)量（信噪比）檢測(cè)，再與額定值進(jìn)行比較，估算出當(dāng)前信道的雨衰情況。前一種方式工作流程簡(jiǎn)單，但由于氣象信息的非實(shí)時(shí)性和大范圍預(yù)報(bào)的原因，導(dǎo)致對(duì)雨衰的估算準(zhǔn)確性較差；后一種方式雖然工程實(shí)現(xiàn)較 為復(fù)雜，但具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,因此一般采用后一種方式。4 功率控制方案（1）上行鏈路功率控制方案對(duì)于上行FDMA的鏈路，受云霧雨雪等天氣條件的影響，使得在衛(wèi)星接收端的信號(hào)接收電平存在較大波動(dòng),影響上行信號(hào)的接收；而對(duì)于上行TDMA鏈路,還受各地球站天線 增益、發(fā)射功率、地理位置等因素的影響，使得衛(wèi)星接收端的各突發(fā)信號(hào)間接收電平有較大變化,影響對(duì)各地球站突發(fā)信號(hào)的接收。因此對(duì)于上行FDMA、TDMA鏈路都

12、需要在工作過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行功率控制以保證星載解調(diào)器可靠、穩(wěn)定地接收信號(hào)。兩種鏈路的功率控制調(diào)整 流程基本是相同的，由地球站和星載設(shè)備共同完成，其功率控制調(diào)整流程如圖2所示。調(diào)整方法如下：星載解調(diào)器檢測(cè)上行信號(hào)的信噪比并以專用信元方式實(shí)時(shí)向各地球站廣 播，地球站判斷上行信號(hào)的接收信噪比是否超過判決門限；判決門限是一個(gè)窗口 ，要保證上行信號(hào)的接收信噪比在一個(gè)固定范圍內(nèi)。如果接收Eb /No值大于設(shè)定的（Eb/No） max則適當(dāng)減 小其發(fā) 送功率；如果Eb/No值不大于設(shè) 定的（Eb/No） max則判斷其 是否小于（Eb/No） m n如果Eb /No值小于設(shè)定的 （Eb/No） min,則參考終

13、端增加其發(fā)送功率 ；如 果接收值在 （Eb /No） max和（Eb/No） min之間就不對(duì)其發(fā)送功率進(jìn)行調(diào)整。Eb/N o值的調(diào)整周期，包括信號(hào)發(fā)射、衛(wèi)星檢測(cè)、衛(wèi)星返回、狀態(tài)值提取以及發(fā)射頻率計(jì)算，最后再發(fā)射信號(hào);一般的其星地傳輸時(shí)延為一個(gè)來回約270ms衛(wèi)星和地面處理時(shí)延約 10ms以內(nèi),一個(gè)調(diào)整周期約為 280ms（2）下行鏈路功率控制方案為了滿足波束內(nèi)不 同天線增益的地 球站均能可靠 工作，通常衛(wèi)星處于 最大發(fā) 射功率 狀態(tài)。由于地球站天線增益的差異及接收信道不同（如速率、工作頻段）,需對(duì)地球站接收信道進(jìn)行合理的電平分配和設(shè)計(jì)，使解調(diào)器處在最佳接收狀態(tài)。同時(shí)考慮到下行鏈路受天氣條件的

14、影響，解調(diào)器接收信號(hào)電平存在波動(dòng)，因此解調(diào)器應(yīng)具備 AGC功能，設(shè)計(jì)足夠的輸入 電平動(dòng)態(tài)適應(yīng)范圍。綜合考慮雨衰及速率影響，地面解調(diào)器輸入電平動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)不小 于 30dB（下轉(zhuǎn)第，21頁(yè)）2009年第1期通信與廣播電視21對(duì)于各種波特率，識(shí)別最大時(shí)間約為 1秒，可以滿足實(shí)際的使用要求。五、結(jié)論本文根據(jù)起止式異步通信協(xié)議的協(xié)議特點(diǎn)，提出了一種新型的串行接口波特率自適應(yīng)算法，能夠自適應(yīng)的識(shí)別串行設(shè)備使用的波特率。該算法無需串行設(shè)備發(fā)送特征字符，即可實(shí)現(xiàn)波特率的自適應(yīng)識(shí)別，提高了串行設(shè)備使用上的靈活性和通用性。測(cè)試結(jié)果表明，算法能夠準(zhǔn)確地對(duì)波特率進(jìn)行識(shí)別 ，且具有較小的識(shí)別時(shí)間，能夠滿足實(shí)際使用的需要

15、。參 考 文 獻(xiàn)1 N elsonMark串行通信開發(fā)指南 .中國(guó)水利水電出版社2 程艷 吳毅.微機(jī)原理及接口技術(shù).北京大學(xué)出版社（上接第4頁(yè)）三、結(jié)束語(yǔ)衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的日益增長(zhǎng)和移動(dòng)通信范圍的逐漸擴(kuò)大，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)提出了越來越高的要求。目前，蜂窩CDMA系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，文獻(xiàn)4對(duì)多種功率控制算法進(jìn)行了分析與比較，雖然某些算法由于對(duì)硬件要求較高，在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)起來有些困難，但隨著計(jì)算機(jī)和硬件技術(shù)的發(fā)展，這些算法經(jīng)優(yōu)化后是可以實(shí)現(xiàn)的。而衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)由于其信道的特殊性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，為進(jìn)行有效的功率控制帶來了一定的難度，目前，對(duì)這方面的研究還相對(duì)較少。此外，傳

16、輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)時(shí)，也會(huì)將單傳話音業(yè)務(wù)的功率控制算法復(fù)雜化。因此，研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)，應(yīng)在現(xiàn)有的成熟技術(shù)上，不斷的改進(jìn)和完善，并將業(yè)務(wù)適應(yīng)范圍拓展到高速數(shù)據(jù)、視頻 和多媒體業(yè)務(wù)上。參 考 文 獻(xiàn)1 彭木根王文博 3G無線資源管理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化.北京：人民郵電出版社，2006 12 謝顯中等.基于TDD的第四代移動(dòng)通信技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2005 73 王瑩 張平.無線資源管理.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005 54 薛文虎 甘仲民.CDMA系統(tǒng)中的功率控制.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2003 25 郭梯云 鄔國(guó)揚(yáng) 李建東.移動(dòng)通信.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000 56 Chia She ng