一種低軌衛(wèi)星動態(tài)鏈路預算評估模型*

張朝賢,張 毅,徐 帆

(1.廈門大學嘉庚學院 信息科學與技術學院,福建 漳州 363105；2.中國西南電子技術研究所,成都 610036；3.福州大學 物理與信息工程學院，福州 350108)

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和智能終端產(chǎn)品設備的推廣應用，人們對移動通信的速率提出了更高的要求。第五代移動通信系統(tǒng)(5G)旨在提供10～20 Gb/s的峰值速率以及100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率，滿足更為廣泛的業(yè)務需求[1]。5G移動通信系統(tǒng)具有頻帶利用率高、傳輸速度快等優(yōu)點，已經(jīng)處于商用普及階段。但是由于5G采用的超高頻譜，會造成信號傳播距離短、覆蓋范圍窄，需要大量基站來滿足日常通信需求。對于人口密度較小的偏遠地區(qū)而言，5G地面移動通信網(wǎng)絡需要較大成本并可能造成資源浪費。相比較地面移動通信網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信受地形影響小，覆蓋范圍廣，信道容量大，能為全球提供服務。當今衛(wèi)星通信系統(tǒng)正沿著天地一體化的方向發(fā)展，隨著5G技術的逐漸進步，衛(wèi)星通信的優(yōu)點和地面通信的優(yōu)點將充分融合，實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡全球覆蓋的目標指日可待[2-3]。

衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)因其星上處理簡單，有利于迅速部署星地通信網(wǎng)絡。因此，有必要研究地面信關站到衛(wèi)星的饋電側鏈路和衛(wèi)星到終端用戶的用戶側鏈路衰減，評估衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)的鏈路預算要求。目前，對于低軌衛(wèi)星鏈路衰減及鏈路預算已有研究：文獻[4]對衛(wèi)星通信系統(tǒng)Q/V頻段饋電側鏈路的衰減進行了詳細的計算，并得到鏈路的最大衰減、最小衰減和動態(tài)范圍；文獻[5]給出了低軌衛(wèi)星的大尺度信道模型，并給出不同場景下無線電波在星地鏈路中傳輸時應考慮的衰減；文獻[6-8]分別提出了大氣吸收、云霧衰減、降雨衰減的具體計算方法。

上述研究僅給出某種鏈路衰減因素的計算方法或一側鏈路的鏈路衰減值和鏈路預算，且未能在衛(wèi)星星座覆蓋下進行終端信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)分析。實際應用中的衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)需要考慮用戶、衛(wèi)星和地面信關站三者的具體地理位置和透明轉(zhuǎn)發(fā)時衛(wèi)星對信號放大情況，從而確定終端用戶SNR是否滿足要求，以及滿足鏈路預算要求的衛(wèi)星和信關站的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)。因此，本文對衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)進行建模，根據(jù)典型的低軌衛(wèi)星星座參數(shù)分析終端用戶的SNR分布以及對信關站的EIRP要求。

1 衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)模型

衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)模型包括地面信關站、衛(wèi)星和終端用戶三個部分。在下行鏈路中，無線信號從信關站發(fā)送到衛(wèi)星，經(jīng)過衛(wèi)星對信號的放大后再從衛(wèi)星發(fā)送給用戶。

假設信關站的EIRP為Pt1(W/MHz)，衛(wèi)星的EIRP為Pt2(W/MHz)，饋電側鏈路增益為L1，用戶側鏈路增益為L2，星上噪聲為Pn1(W/MHz)，終端噪聲為Pn2(W/MHz)，衛(wèi)星對信號的放大倍數(shù)為A，則終端用戶接收的信號功率Ps為

Ps=(Pt1×L1)×A×L2。

(1)

經(jīng)過饋電側鏈路衰減后的信關站發(fā)射信號與星上噪聲一起被衛(wèi)星放大，這時信號功率應與衛(wèi)星發(fā)射功率相等：

Pt2=(Pt1×L1+Pn1)×A。

(2)

星上噪聲Pn1由文獻[9]給出：

Pn1=10(TS+k+60)/10。

(3)

由公式(2)得出放大倍數(shù)A，進而得到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后接收端的總噪聲功率為

Pn=Pn1×A×L2+Pn2。

(4)

終端噪聲Pn2由文獻[9]得到：

Pn2=10(10lg(T0+(Ta-T0)×10-0.1Nf)+Nf+k+60)/10。

(5)

式中：T0為環(huán)境噪聲溫度，取值為290 K；Ta為天線溫度，取值為150 K；Nf為噪聲指數(shù)，取值為1.2[9]。

由公式(1)、(2)、(4)得出系統(tǒng)信噪比為

(6)

將以上計算的信噪比與鏈路解調(diào)門限信噪比相比較，進而得出此系統(tǒng)各項指標是否滿足鏈路預算的需求。由式(6)可以看出，如果饋電鏈路損耗過大，則星上噪聲會被過度放大，導致接收信噪比惡化，此時兩跳鏈路信噪比主要受饋電鏈路影響；如饋電鏈路質(zhì)量較好，則兩跳鏈路信噪比主要受用戶鏈路影響。

2 衛(wèi)星鏈路衰減分析

在衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)模型中，用戶側工作在Ka頻段，因而可假設用戶側工作頻率為20 GHz。假設用戶終端所在地理位置天氣狀況為晴天，則用戶側鏈路衰減應考慮自由空間傳播損耗、陰影衰落和大氣吸收。

饋電側工作在Q/V頻段，因而假設饋電側工作頻率為50 GHz。在饋電側鏈路衰減中，由于地面信關站通常處于空曠無人的地方，因而不考慮陰影衰落對饋電側無線電波衰減的影響。在饋電側中，信號的衰減包括自由空間傳播損耗、大氣吸收、云霧衰減和降雨衰減。

2.1 基本路徑損耗

基本路徑損耗(Basic Path Loss,BPL)包括信號在星地鏈路間的自由空間傳播損耗(Free Space Path Loss,FSPL)和陰影衰落(Shadow Fading,SF)兩部分。

2.1.1 自由空間路徑損耗

電磁波在自由空間的傳播是無線電波最基本、最簡單的傳播方式，在傳播過程中，能量將隨著電磁波傳輸距離的增加而擴散，由此引起的傳播損耗稱為自由空間路徑損耗。當無線電波的傳播距離為d(km)，載波頻率為fc(GHz)，自由空間路徑損耗LFSP(dB)可以表示為[5]

LFSP(d,fc)=32.45+20lg(fc)+20lg(d)。

(7)

對于地面的用戶終端或信關站，與衛(wèi)星的距離d可以通過衛(wèi)星高度h0(km)和仰角θ(°)確定為[5]

(8)

式中：地球半徑RE取值為6 371 km。

2.1.2 陰影衰落

陰影衰落是指衛(wèi)星信號傳送過程中遇到地面比如山丘或大型建筑物的大障礙對信號能量進行吸收和發(fā)散而造成的信號衰落。陰影衰落模型服從對數(shù)正態(tài)分布，當用dB為單位表示時，它是均值為0、標準差為σSF的正態(tài)分布[5]：

(9)

陰影衰落的大小與視距傳播(Line-of-Sight，LOS)和非視距傳播(Non-Line-of-Sight，NLOS)的概率有關。由于衛(wèi)星用戶大都分布在市郊或農(nóng)村等地區(qū)，表1和表2分別給出了這些地區(qū)在不同仰角下的LOS概率以及對應的陰影衰落標準差[5]。

表1 郊區(qū)或農(nóng)村場景中不同仰角下LOS概率

表2 郊區(qū)或農(nóng)村場景中不同仰角下LOS和NLOS情況下陰影衰落

2.2 大氣吸收

信號在衛(wèi)星中繼系統(tǒng)的傳輸過程中，星地鏈路間的多種氣體成分會對信號能量造成衰減，這種衰減稱為大氣吸收(Atmospheric Absorption)。星地鏈路的用戶側工作在Ka頻段，饋電側工作在Q/V頻段，所以本小節(jié)僅對頻率為54 GHz以下的情況大氣吸收進行計算。大氣吸收主要取決于工作頻率f(GHz)、仰角θ(°)、壓強Bp(hPa)、相對濕度RH(%)和溫度t(°C)[6]。

對于干燥空氣，衰減率γ0(dB/km)為

(10)

式中：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

對于水蒸氣，衰減率γw(dB/km)為

(18)

式中：

(19)

(20)

(21)

對于干燥空氣，其等效高度為

(22)

式中：

(23)

(24)

(25)

對于水蒸氣，其等效高度為

(26)

式中：

(27)

當仰角5°≤θ≤90°時，計算出大氣吸收Ag(dB)為

(28)

2.3 云霧衰減

無線電波在鏈路傳輸中受到大氣中云霧粒子的影響發(fā)生信號衰減，這種衰減稱為云霧衰減。(Cloud Attenuation)。云霧衰減主要與工作頻率f(GHz)、仰角θ和液態(tài)水總柱含量L(kg/m3)有關[7]。

水的復介電常數(shù)可以表示為

(29)

(30)

衰減率系數(shù)K1(dB/km)表示為

(31)

當仰角10°≤θ≤90°時，計算出云霧衰減Ac(dB)為

(32)

2.4 降雨衰減

電磁波在降雨區(qū)域中由于雨水散射、吸收而造成信號衰減，這種造成信號強度的衰減稱為降雨衰減(Rain Attenuation)。降雨衰減主要取決于工作頻率f(GHz)、仰角θ(°)、地面站緯度φ(°)、圓極化角τ取45°、地面站海拔高度hs(km)和地面站平均年0.01%時間的降雨率R0.01(mm/h)[8]。

地面站的降雨高度hR(km)為

(33)

傾斜路徑長度LS(km)為

(34)

水平投影LG(km)為

LG=LScosθ

。

(35)

衰減率γR(dB/km)為

(36)

其中：

(37)

(38)

上式中，當饋電側工作頻率為50 GHz時，kH為0.660 0，αH為0.804 8，kv為0.647 2，αv為0.787 1[10]。

水平縮減因子r0.01為

(39)

垂直縮減因子v0.01為

(40)

其中：

(41)

式中：當|φ|<36時，χ=36-|φ|，否則χ=0。

計算出平均年0.01%時間超出的降雨衰減Ar(dB)為

Ar=γRLRv0.01。

(42)

3 鏈路預算過程

低軌衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)鏈路預算的具體過程如下：

Step1 設置初始參數(shù)。設地球半徑RE為6 371 km，衛(wèi)星軌道高度h0為1 175 km，用戶側工作頻率為20 GHz，饋電側工作頻率為50 GHz。星上噪聲和終端噪聲分別由公式(3)和公式(5)算出，衛(wèi)星EIRP為4 dBW/MHz[9]。

衛(wèi)星星座部署選取了Iridium、Teledesi和OneWeb 三個典型的全球低軌衛(wèi)星星座，都采用極地軌道，其具體軌道參數(shù)如表3所示。

表3 典型低軌星座軌道參數(shù)

為了評估低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡對我國大陸地區(qū)的覆蓋情況，本文選取的終端用戶地理位置分別是位于東、東南、南、西南、西、西北、北、東北8個方位的典型城市，選取的8個用戶信息如表4所示；5個信關站信息如表5所示。

表4 8個用戶終端信息

表5 5個地面信關站信息

Step2 計算兩跳鏈路衰減。根據(jù)Step 1中星座參數(shù)，利用第1節(jié)的模型和第2節(jié)的鏈路衰減計算方法，對星座進行動態(tài)遍歷，計算不同用戶位置的用戶側和饋電側最大鏈路衰減。在計算用戶側衰減時，陰影衰落采用表6給出的95%最大陰影衰落值，該數(shù)值根據(jù)表1和表2計算得出。

表6 不同仰角下95%概率的陰影衰落值

Step3 鏈路最小SNR分析。利用第1節(jié)中的公式(1)～(6)和計算出的兩跳鏈路衰減值，計算出采用不同低軌星座時，在不同信關站EIRP下各城市用戶終端對應的透明轉(zhuǎn)發(fā)兩跳鏈路最小SNR(即最壞情況下的SNR)。

Step4 信關站EIRP分析。計算出在不同解調(diào)門限的系統(tǒng)信噪比下各城市受到不同單軌道衛(wèi)星數(shù)的影響，分析能滿足鏈路解調(diào)門限信噪比要求的信關站EIRP。

4 仿真分析

4.1 鏈路SNR仿真分析

三種典型低軌星座覆蓋下，各個城市對應的最小鏈路信噪比隨著信關站EIRP變化的仿真結果如圖1所示。

(a)上海

由仿真結果可以看出，當?shù)孛嫘抨P站EIRP較小時，鏈路信噪比隨著信關站EIRP增大而增大，系統(tǒng)處于饋電受限情況；而當信關站EIRP足夠大時，鏈路SNR不再隨信關站EIRP變化，趨于恒定，此時的饋電鏈路飽和，SNR僅由用戶鏈路決定。

在饋電飽和的情況下，從所有8個城市的仿真結果來看，三個典型低軌星座中SNR最大的都是OneWeb，其次是Teledesic，而Iridium最差。這是因為OneWeb星座衛(wèi)星數(shù)量最多，密度最大，雖然其軌道高度比Iridium要高，但用戶仰角最大，仍然可提供三者中最大的SNR；Iridium星座衛(wèi)星數(shù)過少，雖然其軌道高度最低，但是過小的用戶仰角導致其SNR最小。

需要指出的是，本文給出的兩跳鏈路SNR計算方法考慮了饋電鏈路和用戶鏈路的共同作用。同一衛(wèi)星星座在信關站EIRP不同時，由公式(6)得到的最差SNR對應的接入衛(wèi)星軌道位置可能不同，從而導致對不同星座的SNR比較在EIRP不同區(qū)間內(nèi)的大小關系不一致。如圖8所示的哈爾濱市接收SNR，Iridium曲線和Teledesic出現(xiàn)了交叉，在EIRP小于100 dBW/Hz時，Iridium星座的接收SNR高于Teledesic，而在EIRP大于100 dBW/Hz時則相反。表7給出了哈爾濱市在Iridium星座覆蓋下，不同EIRP的最差SNR對應的用戶側和饋電側損耗。從表中可以看出，EIRP小于100 dBW/Hz對應的饋電損耗較大，而大于100 dBW/Hz對應的饋電損耗較小，說明不同EIRP時用戶最差SNR對應的衛(wèi)星軌道位置不同，驗證了EIRP對接入衛(wèi)星位置的影響。

表7 哈爾濱市不同EIRP的用戶側和饋電側損耗

4.2 解調(diào)門限所需信關站EIRP分析

當鏈路解調(diào)門限SNR要求為-10～10 dB時，在系統(tǒng)信噪比最差情況下如要保證衛(wèi)星通信鏈路能正常工作，不同星座在不同城市所需要的地面信關站EIRP如圖2～4所示。

圖2 Iridium星座對應各城市門限SNR所需信關站EIRP

圖3 Teledesic星座對應各城市門限SNR所需信關站EIRP

圖4 OneWeb星座對應各城市門限SNR所需信關站EIRP

對比圖2～4可知，在相同的解調(diào)門限下，各用戶所需要的信關站EIRP隨用戶地理位置的不同而產(chǎn)生較大差異；在衛(wèi)星軌道方面，總體上相同SNR解調(diào)門限對EIRP的要求按Iridium、Teledesic、OneWeb依次減小。參照5G-NR物理層設計，在最低階MCS(QPSK調(diào)制，碼率0.1172)時，誤塊率為0.001對應的解調(diào)門限為-6 dB[11]，則可以看到不同星座下各個城市所需的信關站EIRP，Iridium為45～105 dBW/MHz，Teledesic為12～100 dBW/Hz，OneWeb為12～65 dBW /Hz。

5 結束語

本文通過對衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)的建模，提出了低軌衛(wèi)星動態(tài)鏈路預算評估模型，為透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)鏈路預算設計提供參考。利用大尺度信道模型和鏈路衰減的相關計算方法，給出國內(nèi)典型城市在不同的典型低軌衛(wèi)星星座下隨著信關站EIRP變化的鏈路信噪比，以及不同衛(wèi)星星座、不同城市下解調(diào)門限對EIRP的要求。本文提出的方法考慮了饋電鏈路和用戶鏈路的共同作用，鏈路預算結果能夠較好地評估衛(wèi)星星座設計、用戶地理位置對兩跳鏈路SNR的影響。

衛(wèi)星星座設計需要進行綜合考慮，才能在合理的EIRP水平下使得SNR達到解調(diào)門限，實現(xiàn)較好的覆蓋。