鏈路預(yù)算在無人衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

王立輝

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 鏈路預(yù)算相關(guān)概述

1.1 鏈路預(yù)算的定義

鏈路預(yù)算指在通信系統(tǒng)設(shè)計過程中對通信鏈路所需的資源進行合理分配和優(yōu)化的一種方法。其可以估計和計算通信鏈路所需的功率、帶寬、信噪比以及誤碼率等參數(shù)，并在資源限制的前提下，進行系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化[1]。

1.2 鏈路預(yù)算的注意事項

解調(diào)門限是鏈路預(yù)算中的重要參數(shù)之一，表示接收器能夠正確解調(diào)信號的最低信號強度。進行鏈路預(yù)算時，需要根據(jù)具體規(guī)劃地區(qū)的場景，采用鏈路級仿真或?qū)嶋H設(shè)備測試的方法來獲取解調(diào)門限的準(zhǔn)確值，更準(zhǔn)確地評估系統(tǒng)的性能和覆蓋范圍。

根據(jù)上行/下行鏈路的覆蓋能力，一般由上行/下行鏈路來確定5G 系統(tǒng)的覆蓋范圍。3G 受移動終端傳輸功率的限制，其上行鏈路的覆蓋面積遠小于下行鏈路的覆蓋面積。與3G 相比，全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）將子信道化技術(shù)應(yīng)用于上行鏈路，劃分信道，擴大了系統(tǒng)的覆蓋范圍，從而彌補了上行鏈路覆蓋的不足[2]。

根據(jù)不同服務(wù)的覆蓋能力，無論是在人口稠密的城市，還是在普通城市，運營商一般以電路交換（Circuit Switched，CS）64 kb/s 服務(wù)作為連續(xù)覆蓋的目標(biāo)服務(wù)。由于CS64 kb/s 的業(yè)務(wù)對覆蓋范圍、信號質(zhì)量等有很高的要求，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時應(yīng)以覆蓋能力為重點。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成概述

衛(wèi)星通信網(wǎng)構(gòu)成了一張完整的通信網(wǎng)，實現(xiàn)了全球通信的全覆蓋。它主要由空間部分、地面部分和用戶部分構(gòu)成，構(gòu)成了一個完整的通信網(wǎng)，具有通信覆蓋區(qū)域廣泛、靈活性高、較大的通信帶寬和通信容量等特點，能夠滿足用戶多樣化的通信需求。

空間段在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。它由地球同步軌道衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星組成，起到中繼通信的作用，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供通信服務(wù)。地球靜止軌道衛(wèi)星通常位于地球上空的靜止軌道，其高度約為3.6×104km，可以實現(xiàn)全球范圍的通信覆蓋。中、低軌道衛(wèi)星則位于較低的軌道，高度一般在1 000 km以下，可以提供更低的延遲和更大的帶寬[3]。

地面段是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的控制和管理中心，通常包括信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)控制中心和衛(wèi)星控制中心。信關(guān)站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的中繼站點，用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星上的信號。網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)管理和控制整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，包括路由控制、資源分配和故障處理等。衛(wèi)星控制中心則負責(zé)衛(wèi)星的軌道控制、姿態(tài)控制和通信參數(shù)的調(diào)整。

用戶段由通信連接的各種用戶終端構(gòu)成。用戶終端機包括手持式終端機、車載終端機和船載終端機等。這些終端可以是移動，也可以固定安裝。用戶終端通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面段和其他用戶進行通信連接，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻等多種通信服務(wù)。

3 無人衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 實施多個衛(wèi)星計劃

在空間基礎(chǔ)設(shè)施、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)等重點項目建設(shè)，以及國內(nèi)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展等因素的共同推動下，國內(nèi)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)正處于快速發(fā)展階段。目前，由各類企業(yè)和高校提出多達10 個以上的星座建設(shè)計劃[4]。其中，“虹云”星座和“鴻雁”星座已經(jīng)成功完成了試驗星的空中試驗。同時，中國電子科技集團有限公司“天象”試驗1 星、2 星也在2019 年成功發(fā)射，進一步豐富了衛(wèi)星隊列。此外，由民營企業(yè)主導(dǎo)的衛(wèi)星組網(wǎng)計劃中，“天啟”星座已成功發(fā)射了5 顆組網(wǎng)星，并且其天啟衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已正式上線，是我國民營航天事業(yè)的一次重要突破，也為我國的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展開辟了新的通道。

3.2 無人衛(wèi)星通信技術(shù)不斷突破

在步入信息社會的同時，移動通信技術(shù)也以驚人的速度從1G 向5G 進行突破，在此期間，催生了很多新興技術(shù)。5G 作為最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，并不是獨立的、全新的無線接入技術(shù)，而是對現(xiàn)有無線接入技術(shù)的技術(shù)演進和一些新增的補充性無線接入技術(shù)集成后解決方案的總稱，為無人衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展提供了新的動力和可能性。而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為一種基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，通過發(fā)射特定數(shù)量的衛(wèi)星形成規(guī)模組網(wǎng)，向地面和空中終端提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務(wù)，實現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)無縫鏈接服務(wù)，無論是地理位置偏遠，還是環(huán)境條件困難，都能保證高效穩(wěn)定的通信[5]。最為通用的是低軌衛(wèi)星，其核心應(yīng)用場景包括偏遠地區(qū)通信、海洋作業(yè)和科考寬帶、航空寬帶以及災(zāi)難應(yīng)急通信等。因此，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)對通信質(zhì)量和穩(wěn)定性有著極高的要求，無人衛(wèi)星通信技術(shù)恰恰能夠滿足這些需求，有著巨大的潛力和價值。

3.3 萬物互聯(lián)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對帶寬的需求也在持續(xù)增長。為滿足寬帶接入、基站中繼、高清/超高清視頻等應(yīng)用帶來的帶寬增長需求，基于多點波束和頻分復(fù)用的高通量衛(wèi)星（High Throughput Satellite，HTS）應(yīng)運而生。2004 年以來，全球超過半數(shù)的衛(wèi)星通信運營商合計部署了150 多顆高通量衛(wèi)星。其中，包括地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）、低地（球）軌道（Low Earth Orbit，LEO）等形式的衛(wèi)星。這種“高—中—低”軌道的融合發(fā)展，體現(xiàn)了空間通信網(wǎng)絡(luò)的多元化和靈活性。同時，隨著通信技術(shù)的快速迭代發(fā)展，特別是5G 建設(shè)的推進以及包括遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的出臺，萬物互聯(lián)已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。另外，隨著人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)以及邊緣計算等技術(shù)的同步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)的收集、環(huán)境的感知以及控制的執(zhí)行端，其應(yīng)用場景持續(xù)拓寬。

3.4 產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈與產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)循環(huán)發(fā)展

隨著互聯(lián)網(wǎng)、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，高通量衛(wèi)星（High Throughput Satellite，HTS）、非地球靜止衛(wèi)星軌道（Non Geostationary Satellite Orbit，NGSO）、靈活性載荷、中繼通信、在軌服務(wù)以及量子保密通信等技術(shù)創(chuàng)新，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)推向一個全新的發(fā)展階段。該背景下，地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）的HTS 正向大容量、微型化方向發(fā)展，一些運營商已開始布局全球衛(wèi)星，以提升其全球服務(wù)能力。在LEO 衛(wèi)星方面，OneWeb 和Space-Spaces 同時在全球范圍內(nèi)進行部署，以增強衛(wèi)星服務(wù)的能力。同時，O3b 不斷擴大MEO 星座的規(guī)模與服務(wù)容量。此外，ViaSat 公司探索MEO 與GEO 間的中繼通信，并進行協(xié)同開發(fā)。Q/V 波段、激光在衛(wèi)星通信領(lǐng)域已進入實用化階段，太赫茲（THz）技術(shù)在衛(wèi)星通信、天地一體化通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。低軌衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，給衛(wèi)星制造與發(fā)射產(chǎn)業(yè)帶來了變革與產(chǎn)業(yè)升級。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的融合也取得了顯著進展，主要應(yīng)用在內(nèi)容投遞，寬帶接入，基站中繼，移動平臺等方面。跨平臺跨網(wǎng)電調(diào)板天線的研究方興未艾，但其成本有待進一步降低。衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、自動關(guān)聯(lián)廣播及自動識別系統(tǒng)等綜合應(yīng)用越來越廣泛。

4 鏈路預(yù)算在無人衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用策略

4.1 了解通信系統(tǒng)的性能

通過鏈路預(yù)算，可以預(yù)測和理解整個通信系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能表現(xiàn)。具體來說，鏈路預(yù)算可以揭示系統(tǒng)的潛在問題，幫助工作人員作出必要的調(diào)整，從而確保通信系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境條件下可靠地開展工作。首先，通過鏈路預(yù)算，可以預(yù)測信號在傳播路徑中的傳輸損耗、噪聲和干擾等因素。通過對這些因素參數(shù)的分析，可以評估鏈路的信號質(zhì)量，包括信噪比、誤碼率等指標(biāo)，有助于工作人員預(yù)測通信系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，并在設(shè)計階段進行必要的優(yōu)化。其次，鏈路預(yù)算可以幫助優(yōu)化通信系統(tǒng)中的資源分配。通過調(diào)整鏈路預(yù)算中的參數(shù)，如功率、頻譜和帶寬等，可以優(yōu)化資源的利用，提高通信系統(tǒng)的性能和效率。例如，在無人衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)鏈路預(yù)算的結(jié)果，調(diào)整衛(wèi)星的功率分配，以提高系統(tǒng)的覆蓋范圍和傳輸速率。最后，鏈路預(yù)算可以用于驗證通信系統(tǒng)的設(shè)計方案。根據(jù)鏈路預(yù)算計算得出的結(jié)果，與實際的傳輸性能相比，可以評估設(shè)計方案的合理性和可行性。如果鏈路預(yù)算的結(jié)果與實際情況不符，就需要調(diào)整和改進系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)能夠如預(yù)期地進行工作。

4.2 確定最佳配置和接口電平

鏈路預(yù)算不僅可以評估通信系統(tǒng)的性能，還可以幫助確定地球站或衛(wèi)星資源的最佳配置。通過鏈路預(yù)算的計算和分析，工程師可以在眾多可能的配置方案中找到最能滿足性能需求和成本效益的方案。同時，鏈路預(yù)算可以為系統(tǒng)設(shè)計人員提供決策支持，幫助他們選擇合適的設(shè)備數(shù)量、位置和參數(shù)設(shè)置，從而構(gòu)建出具有優(yōu)化性能的無人衛(wèi)星通信系統(tǒng)。具體來說，通過鏈路預(yù)算的計算，工程師可以評估不同配置方案下的信號傳輸質(zhì)量、覆蓋范圍和傳輸速率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。他們可以通過調(diào)整衛(wèi)星的數(shù)量、位置和天線參數(shù)等來優(yōu)化鏈路預(yù)算的結(jié)果，以滿足系統(tǒng)的性能要求。例如，某無人衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計團隊使用鏈路預(yù)算技術(shù)來評估不同地球站和衛(wèi)星資源配置方案的性能。通過計算和分析，發(fā)現(xiàn)增加地球站的數(shù)量和改變衛(wèi)星的位置可以顯著擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍和提高系統(tǒng)傳輸速率?；阪溌奉A(yù)算的結(jié)果，最終確定了最佳配置方案，使得系統(tǒng)能夠在廣泛的區(qū)域內(nèi)提供穩(wěn)定和高效的通信服務(wù)。此外，鏈路預(yù)算可以用于確定地球站各設(shè)備之間的最佳接口電平。接口電平的選擇將直接影響設(shè)備的工作效率和系統(tǒng)的整體性能。通過鏈路預(yù)算的計算和分析，工程師可以在保證設(shè)備工作效率的同時最大限度地提高系統(tǒng)性能的接口電平。

4.3 了解系統(tǒng)的設(shè)計性能是否滿足要求

系統(tǒng)鏈路設(shè)計是整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計的核心之一。通過鏈路預(yù)算的計算和分析，可以了解整個系統(tǒng)的設(shè)計性能是否滿足要求，并對整個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)及其設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)的選取具有指導(dǎo)意義。首先，鏈路預(yù)算可以通過計算和分析，評估衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。通過預(yù)測信號傳播路徑中的傳輸損耗、干擾、噪聲等因素，可以了解系統(tǒng)的通信質(zhì)量和可靠性。通過鏈路預(yù)算的結(jié)果，可以評估系統(tǒng)的傳輸速率、覆蓋范圍和誤碼率等關(guān)鍵性能指標(biāo)，以確保系統(tǒng)能夠滿足用戶的通信需求。其次，鏈路預(yù)算可以用于驗證通信系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過與實際的傳輸性能相比，可以評估設(shè)計方案的合理性和可行性。如果鏈路預(yù)算的結(jié)果與實際情況不符，就需要調(diào)整和改進系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)能夠如預(yù)期地工作。通過鏈路預(yù)算的驗證，可以提高系統(tǒng)的設(shè)計可靠性和穩(wěn)定性。最后，鏈路預(yù)算可以為設(shè)備的選取提供指導(dǎo)。通過鏈路預(yù)算的計算和分析，可以了解不同設(shè)備參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。例如，在選擇天線時，可以通過鏈路預(yù)算來評估不同天線增益對系統(tǒng)的覆蓋范圍和傳輸速率的影響。通過鏈路預(yù)算的指導(dǎo)，可以選擇合適的設(shè)備和參數(shù)，以優(yōu)化系統(tǒng)的性能和效率。

4.4 衛(wèi)星通信與產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)深度融合

產(chǎn)業(yè)生態(tài)深度融合已成為信息時代衛(wèi)星通信發(fā)展的一個重要趨勢。高、中、低軌道衛(wèi)星分別承擔(dān)著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的功能，尤其是非地球靜止軌道星座的大規(guī)模部署，是該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展離不開邊緣計算、衛(wèi)星多播、內(nèi)容緩存等前沿技術(shù)支撐，應(yīng)將鏈路預(yù)算技術(shù)應(yīng)用在此過程，在資源限制的前提下，對通信鏈路所需的資源進行合理分配和優(yōu)化。同時，為提高通信系統(tǒng)的能效比，要適應(yīng)不斷變化的市場需求，開發(fā)數(shù)字載荷與軟件定義技術(shù)。此外，隨著NGSO 星座的大規(guī)模部署，衛(wèi)星間的頻率沖突、干擾等問題日益突出，沖突風(fēng)險日益增加，迫切需要統(tǒng)籌規(guī)劃星地資源，探索高效率的頻率復(fù)用技術(shù)，同時加強人工智能在干擾檢測、軌道預(yù)測、碰撞規(guī)避等方面的應(yīng)用，為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)提供更廣闊的發(fā)展空間，促進產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的深度融合。

5 結(jié) 論

通過鏈路預(yù)算，可以評估和優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能，確定最佳配置和接口電平，并了解系統(tǒng)設(shè)計的符合性。無論是了解通信系統(tǒng)的性能、確定最佳配置，還是檢查系統(tǒng)的設(shè)計性能是否符合要求，鏈路預(yù)算都是不可或缺的工具。另外，通過合理應(yīng)用鏈路預(yù)算等技術(shù)手段，可以進一步優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計，提高通信質(zhì)量和性能，為用戶提供更加穩(wěn)定和可靠的通信服務(wù)。