朱校通，郝建強(qiáng)

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣，建站成本、通信費(fèi)用與距離無(wú)關(guān)、寬帶等特點(diǎn)，特別適用于自然和地址災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)遭到較為嚴(yán)重的破壞，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，此時(shí)衛(wèi)星通信作為應(yīng)急通信保障手段，具有其他通信方式不可替代的優(yōu)勢(shì)[1]。鏈路預(yù)算是衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鏈路進(jìn)行預(yù)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，特別是發(fā)送站和接收站相關(guān)參數(shù)，使其滿足實(shí)際需要中對(duì)通信容量和質(zhì)量的要求。鏈路預(yù)算可以根據(jù)公式手工或采用 Excel表格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于實(shí)際中需要多次對(duì)參數(shù)進(jìn)行配置才能完成鏈路預(yù)算的工程人員而言，由于公式較多，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。目前也有許多款鏈路預(yù)算軟件，不同程度上解決了工程人員上述煩惱。本文結(jié)合實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)了一款能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)互算的鏈路預(yù)算軟件，為工程人員提供了更好的便利性。

1 衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算任務(wù)及設(shè)計(jì)方法

1.1 鏈路預(yù)算的任務(wù)

衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算主要完成三個(gè)方面的任務(wù):①在給定發(fā)射站發(fā)射功率和收發(fā)天線尺寸，同時(shí)確定轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)及其他相應(yīng)參數(shù)的情況下，計(jì)算滿足一定系統(tǒng)余量要求下，發(fā)射端的最大信息發(fā)送速率；②根據(jù)給定發(fā)射和接收站參數(shù)以及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)，計(jì)算鏈路總的載噪比、系統(tǒng)余量和相應(yīng)系統(tǒng)余量下的發(fā)射站所需有效全向輻射功率(EIRP，Effective Isotropic Radiated Power)；③在給定發(fā)射站EIRP前提下，根據(jù)相應(yīng)發(fā)射和接收站參數(shù)及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)，計(jì)算在滿足一定系統(tǒng)余量要求下的發(fā)射站天線尺寸。為解決以上問(wèn)題，實(shí)際中的鏈路預(yù)算通常采用兩種思想，即正推法和倒推法[2]。正推法就是在給定發(fā)射站 EIRP和相應(yīng)發(fā)射接收參數(shù)及轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)的基礎(chǔ)上，計(jì)算總的系統(tǒng)余量和此時(shí)系統(tǒng)所能達(dá)到的最大信息發(fā)送速率；倒推法則是根據(jù)系統(tǒng)的余量要求，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算發(fā)射參數(shù)，如發(fā)射站EIRP、發(fā)射天線尺寸等。

1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)方法

一個(gè)單向衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路的設(shè)計(jì)可按如下幾個(gè)步驟來(lái)完成，反向鏈路的設(shè)計(jì)也遵循同樣的步驟[3]:

1）確定衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻段、參數(shù)值，并估計(jì)未知值。

2）確定發(fā)送和接收地球站參數(shù)。

3）從發(fā)送地球站開始，設(shè)計(jì)上行鏈路各部分參數(shù)，確定衛(wèi)星接收系統(tǒng)的參數(shù)，給出上行鏈路載噪比預(yù)算，即[C/N]U。

4）根據(jù)實(shí)際誤碼率要求，計(jì)算出門限載噪比，即[C/N]TH，并算出系統(tǒng)余量。

5）根據(jù)上行鏈路的性能預(yù)算，得出衛(wèi)星下行轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸功率。

6）根據(jù)接收地球站的參數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算下行線路的傳輸信號(hào)功率和系統(tǒng)噪聲，得出在衛(wèi)星通信信號(hào)波束覆蓋范圍內(nèi)指定位置地球站的[C/N]D。

7）對(duì)比所算出的系統(tǒng)余量和實(shí)際余量要求，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使得算出得系統(tǒng)余量大于等于實(shí)際要求余量。

1.3 鏈路預(yù)算公式

衛(wèi)星鏈路的性能是通過(guò)接收機(jī)輸入端的載波功率與噪聲功率比值（簡(jiǎn)稱為載噪比，常記為C/N或CNR）來(lái)衡量的，衛(wèi)星鏈路的預(yù)算也常取決于該比值。用分貝值表示的C/N具體表達(dá)式如下:

式中EIRP為發(fā)射站有效全向輻射功率，G/T為衛(wèi)星的品質(zhì)因數(shù)，L為傳輸過(guò)程中的總損耗，K為玻耳茲曼常數(shù)，BN為噪聲帶寬。

由此可以分別給出上行和下行鏈路的C/N表達(dá)式如下[4]:

式中下標(biāo)U表示上行鏈路，下標(biāo)D表示下行鏈路，S表示衛(wèi)星，Ws為衛(wèi)星飽和通量密度，[BO]i和[BO]O分別為多載波工作時(shí)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入補(bǔ)償值和輸出補(bǔ)償值，LRFL為饋線損耗，λ為工作波長(zhǎng)。

而鏈路總的C/N和上下行鏈路C/N的關(guān)系如下:

注意式中各項(xiàng)使用的是真數(shù)值，而非對(duì)數(shù)值。下標(biāo)IM、AS、XP分別表示互調(diào)干擾、臨星干擾、交叉極化干擾項(xiàng)。實(shí)際鏈路預(yù)算中，可根據(jù)具體要求和各項(xiàng)對(duì)總載噪比貢獻(xiàn)程度，而做具體考慮，這里不再贅述。

2 鏈路預(yù)算軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)平臺(tái)選擇

由于MATLAB具有強(qiáng)大運(yùn)算能力，同時(shí)其中的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE，Graphical User Interfaces Development Environment）模塊可以根據(jù)需要制作友好的圖形界面，而且其開發(fā)的軟件可被封裝成EXE文件，有效的解決了通用性問(wèn)題，所以本鏈路預(yù)算軟件選擇了MATLAB為開發(fā)平臺(tái)[5]。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際鏈路預(yù)算任務(wù)，并結(jié)合工作中實(shí)際要求，本軟件主要實(shí)現(xiàn)如下幾方面功能:

1）在其他參數(shù)給出的情況下，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率、信息速率和發(fā)射天線口徑的互算，即知道這三個(gè)參量中的任意兩個(gè)，都可以快速計(jì)算出另一個(gè)參量的大小，同時(shí)計(jì)算出每種情況下系統(tǒng)總的載噪比、系統(tǒng)余量以及其他一些必要的中間參量。

2）為方便用戶使用，本軟件錄入了全國(guó)大部分城市的經(jīng)緯度值，同時(shí)錄入了亞洲4號(hào)衛(wèi)星和亞洲5號(hào)衛(wèi)星工作在C和Ku波段時(shí)，在這些城市下行EIRP、品質(zhì)因數(shù)G/T和飽和通量密度等參數(shù)，用戶使用時(shí)只需輸入城市名，軟件會(huì)自行完成相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入。

3）除了上述兩顆常用衛(wèi)星和涉及的城市，軟件還同時(shí)能兼顧到使用其他衛(wèi)星，以滿足對(duì)精度要求較高，而要求自行輸入經(jīng)緯度值、下行EIRP、品質(zhì)因數(shù)G/T和飽和通量密度等參數(shù)的情況，使得軟件的使用更加靈活。

4）軟件給出了一定的中間參量，用戶可以更直觀的看到不同情況下中間參量的改變，使得參數(shù)的配置和調(diào)整更快捷。

5）軟件的升級(jí)簡(jiǎn)潔容易，可以根據(jù)實(shí)際工作需要，對(duì)內(nèi)核代碼稍作修改，就可實(shí)現(xiàn)所需的預(yù)算功能。

2.3 軟件設(shè)計(jì)及界面介紹

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，根據(jù)鏈路設(shè)計(jì)基本思想和方法，并結(jié)合鏈路預(yù)算方程，使用GUIDE模塊設(shè)計(jì)出軟件的主界面如圖1所示。

圖1 鏈路預(yù)算軟件主界面

本軟件界面包含六個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)區(qū)和三個(gè)計(jì)算按鈕，分別為發(fā)送端調(diào)制參數(shù)區(qū)、發(fā)射站參數(shù)區(qū)、接收站參數(shù)區(qū)、衛(wèi)星參數(shù)區(qū)、空間鏈路參數(shù)區(qū)、計(jì)算結(jié)果參數(shù)區(qū)、發(fā)射功率計(jì)算按鈕、信息速率計(jì)算按鈕和發(fā)射天線口徑計(jì)算按鈕。另外為用戶能更準(zhǔn)確快捷的使用本軟件，在主界面的右下角注明了界面上不同顏色參數(shù)的具體使用方式。

發(fā)送端調(diào)制參數(shù)區(qū)，包括信息速率、調(diào)制方式、內(nèi)碼碼率、外碼碼率和滾降系數(shù)五個(gè)參數(shù)，其中調(diào)制方式下拉菜單預(yù)設(shè)有常用的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM等，外碼碼率下拉菜單預(yù)設(shè)有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8、1等。由這些參數(shù)可以算出符號(hào)速率、載波噪聲帶寬、載波分配帶寬，進(jìn)而根據(jù)使用的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬可以算出一個(gè)重要參量，即帶寬利用率，這些都在計(jì)算結(jié)果參數(shù)區(qū)中給出。

發(fā)射站參數(shù)區(qū)和接收站參數(shù)區(qū)都有城市名、經(jīng)緯度、工作頻率、天線口徑和效率、天線指向損耗、饋線損耗、星地距離、天線增益等參數(shù)，同時(shí)前者還包含每載波EIRP參數(shù)，后者包含LNA噪聲溫度、天線噪聲溫度和地球站G/T等參數(shù)，其中經(jīng)緯度值，在輸入城市名的情況下自動(dòng)給出，用戶也可根據(jù)實(shí)際需要自行輸入，較為靈活。發(fā)射站參數(shù)區(qū)中“天線口徑”參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要也可作為待求參數(shù)，此時(shí)就可通過(guò)修改其他參數(shù)，在保證一定系統(tǒng)余量的基礎(chǔ)上，計(jì)算出最合理天線尺寸。另外，接收站的G/T值作為結(jié)果參數(shù)給出，為接收站系統(tǒng)的配置提供了參考。

衛(wèi)星參數(shù)區(qū)含有衛(wèi)星名、衛(wèi)星經(jīng)度、下行功率EIRP、品質(zhì)因數(shù)G/T、SFD（飽和通量密度）、轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬、轉(zhuǎn)發(fā)器輸入輸出補(bǔ)償和每平米天線增益等參數(shù)，其中“衛(wèi)星”這個(gè)選項(xiàng)為下拉菜單，提供了亞4C波段、亞4Ku波段、亞5C波段、亞5Ku波段、自選衛(wèi)星等選項(xiàng)，當(dāng)選擇前四個(gè)之一時(shí)，衛(wèi)星經(jīng)度、下行功率EIRP、品質(zhì)因數(shù)G/T、SFD四個(gè)參數(shù)將根據(jù)城市名自行給出，當(dāng)選擇“自選衛(wèi)星”參數(shù)時(shí)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況輸入上述參數(shù)值。

計(jì)算結(jié)果區(qū)給出了較多的中間結(jié)果參數(shù)，如上下行空間傳輸損耗、符號(hào)速率、載波噪聲帶寬、載波分配帶寬、每載波輸入輸出補(bǔ)償?shù)?，有利于用戶更為直觀的了解鏈路預(yù)算中各參數(shù)之間的相互影響。當(dāng)然實(shí)際中也可根據(jù)需要，調(diào)整界面布局，使某些中間結(jié)果不在界面中顯示，而只保留鏈路總C/N、發(fā)射功率和系統(tǒng)余量等關(guān)鍵結(jié)果參數(shù)。

最后的計(jì)算按鈕分別完成發(fā)射功率、信息速率和發(fā)射天線口徑的計(jì)算，并給出每種情況下鏈路總C/N和系統(tǒng)余量，用戶可以通過(guò)修改配置參數(shù)，在保證實(shí)際需要系統(tǒng)余量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出較為經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)配置方案。圖1中數(shù)據(jù)，為實(shí)際工作中一個(gè)鏈路預(yù)算實(shí)例，經(jīng)驗(yàn)證結(jié)果可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算的基本任務(wù)及方法，并以此為依據(jù)以MATLAB為開發(fā)平臺(tái)研制了一款鏈路預(yù)算軟件。本軟件彌補(bǔ)現(xiàn)有多數(shù)鏈路預(yù)算軟件功能單一的缺陷，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率、信息速率和發(fā)射天線口徑的互算。此外，軟件兼具自帶數(shù)據(jù)和用戶自選數(shù)據(jù)的功能，使用起來(lái)更加靈活高效。本軟件在現(xiàn)實(shí)工作中經(jīng)過(guò)多次使用驗(yàn)證，結(jié)果正確可靠。

[1]尹志忠,陳靜毅,周賢偉.美軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2009,42(11):55.

[2]田世軍,青格勒.衛(wèi)星通信鏈路工程計(jì)算[J].內(nèi)蒙古廣播與電視技術(shù),2011,28(01):20-21.

[3]郭慶,王振永,顧學(xué)邁.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:215.

[4]周慧琴,王茸,雷雪. C/Ku頻段衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2008,41(06):55-57.

[5]孟暉,王建峰,徐亞沖. 高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算軟件包研制[J].數(shù)字通信世界,2012(07):65-68.

[6]李愷,曾玲,安紅章.互聯(lián)網(wǎng)接口與衛(wèi)星通信技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密,2007(08):91-93.