鐘旭東，何元智，魏曉輝,孫　俊

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,南京 210007；2.中國(guó)電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所,北京 100141；3.解放軍75706部隊(duì)，廣州 510500)

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分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的上/下行功率聯(lián)合控制*

鐘旭東**1,2，何元智2，魏曉輝1,孫俊3

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,南京 210007；2.中國(guó)電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所,北京 100141；3.解放軍75706部隊(duì)，廣州 510500)

摘要：為了能合理地控制功率以提高分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)效能，研究了其上下行功率聯(lián)合控制問(wèn)題。通過(guò)分析分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的特征及其功率控制問(wèn)題的難點(diǎn)，建立了合理的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率控制模型和控制方案的具體框架；通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的上行功率預(yù)測(cè)和單級(jí)調(diào)整算法，提出了基于預(yù)置、預(yù)測(cè)和多級(jí)調(diào)整算法的上下行功率聯(lián)合控制方法，并給出了控制方法的流程圖；最后將所提方法與傳統(tǒng)上行控制算法、單級(jí)補(bǔ)償算法和預(yù)測(cè)算法進(jìn)行了仿真比較，表明在上下行不同降雨百分比條件下，所提方法能更好地滿足功率門限需求；在廣州、長(zhǎng)春兩地不同實(shí)測(cè)雨衰曲線下，所提方法均能夠更準(zhǔn)確跟蹤雨衰變化；業(yè)務(wù)與通信網(wǎng)區(qū)切換時(shí)，所提方法也能快速完成切換和保持動(dòng)態(tài)跟蹤，能夠較好滿足分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的功率控制準(zhǔn)確性、時(shí)效性等應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：分布式衛(wèi)星系統(tǒng)；功率控制；功率補(bǔ)償；雨衰

1引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功能日益完善，通信業(yè)務(wù)也朝著復(fù)雜化、綜合化方向發(fā)展。為了跟上通信業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)和業(yè)務(wù)的多樣性需求，需要整合衛(wèi)星通信資源，建立綜合性網(wǎng)絡(luò)，因此，便出現(xiàn)了分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的概念[1]。所謂的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)，是指分布在空間同一軌道的多顆衛(wèi)星，通過(guò)星間鏈路互聯(lián)互通從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜通信功能，并且能在部分衛(wèi)星故障或失效時(shí)快速重構(gòu)恢復(fù)通信的衛(wèi)星集群系統(tǒng)[2]。較傳統(tǒng)的各個(gè)獨(dú)立分散衛(wèi)星體系來(lái)說(shuō)，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)具有高動(dòng)態(tài)性和多約束條件，合理有效的控制功率相對(duì)困難[3]。

現(xiàn)階段對(duì)于單星衛(wèi)星系統(tǒng)的功率控制技術(shù)較多，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的功率技術(shù)研究成果幾乎為空白。文獻(xiàn)[4]分析了通信系統(tǒng)中功率控制的主要方法，就TD-SCDMA系統(tǒng)提出了變步長(zhǎng)功率控制算法，結(jié)合功率固定分配和雨衰補(bǔ)償來(lái)解決功控問(wèn)題，但是文中主要涉及上行鏈路，對(duì)于上下行鏈路雨衰條件可能不一致的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)并不適用。文獻(xiàn)[5]分析了Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的雨衰預(yù)測(cè)模型，基于經(jīng)典的抗雨衰方法，提出了一種基于預(yù)測(cè)反饋的功率控制技術(shù)，合理解決了雨衰預(yù)測(cè)和功率補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，但預(yù)測(cè)誤差可能會(huì)導(dǎo)致在雨衰快速變化時(shí)，接收功率連續(xù)小于門限值。文獻(xiàn)[6]提出了一種寬帶衛(wèi)星抗雨衰的方法，結(jié)合預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整功率來(lái)減緩雨衰，但同樣也只考慮了上行鏈路。而文獻(xiàn)[7]則是對(duì)雨衰的預(yù)測(cè)模型和預(yù)測(cè)方法作了比較詳盡的介紹，對(duì)于如何根據(jù)雨衰變化補(bǔ)償功率值提供了詳盡的思路，但是該方法只能適應(yīng)組網(wǎng)條件比較簡(jiǎn)單的單星問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]根據(jù)馬爾科夫模型提出了基于路徑損耗估計(jì)的上行鏈路功率控制算法，如果加以考慮下行鏈路差異，則能夠更好應(yīng)對(duì)實(shí)際通信中的復(fù)雜情況。文獻(xiàn)[9]對(duì)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，文獻(xiàn)[10]則對(duì)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化的分析，為本文研究的課題提供了理論基礎(chǔ)。

分布式衛(wèi)星系統(tǒng)中存在多星中繼通信，上下鏈路有很大的區(qū)別；此外，大小站組網(wǎng)，衛(wèi)星異構(gòu)可能導(dǎo)致天線和轉(zhuǎn)發(fā)器等器件的各項(xiàng)參數(shù)也不一致。本文針對(duì)現(xiàn)有研究在分布式衛(wèi)星系統(tǒng)無(wú)法適用的現(xiàn)實(shí)情況，結(jié)合分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的特征，改進(jìn)傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)自動(dòng)補(bǔ)償算法和閉環(huán)功率調(diào)整算法，提出一種新型的上下行功率聯(lián)合控制方式。

2系統(tǒng)分析和功率控制模型

2.1分布式衛(wèi)星系統(tǒng)分析

分布式衛(wèi)星系統(tǒng)可以由圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單表示，整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)包含多個(gè)小星群和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，每個(gè)星群則由幾個(gè)同軌道小衛(wèi)星組成，衛(wèi)星均工作在Ka頻段，星群中的衛(wèi)星按照一定的方向和速度進(jìn)行編隊(duì)飛行[9-10]。整個(gè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)復(fù)雜性考慮一個(gè)存在動(dòng)態(tài)站點(diǎn)的動(dòng)態(tài)多星系統(tǒng)，鏈路衰減隨時(shí)空二維動(dòng)態(tài)變化，多衛(wèi)星組網(wǎng)還會(huì)導(dǎo)致跨轉(zhuǎn)發(fā)器通信問(wèn)題；

(2)抗毀性整個(gè)系統(tǒng)某一部分模塊損毀后整個(gè)系統(tǒng)能夠快速重構(gòu)恢復(fù)通行功能；

(3)協(xié)同性分布式衛(wèi)星系統(tǒng)中各個(gè)衛(wèi)星需要協(xié)同工作，共同控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)完成通信工作，各個(gè)模塊之間的作用應(yīng)該是對(duì)等的。

圖1　分布式衛(wèi)星系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)特征的分析，可以將該系統(tǒng)分為運(yùn)控和數(shù)傳兩個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，分別傳遞運(yùn)行控制數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)。運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性和抗毀性的要求高，可以采用Mesh結(jié)構(gòu)。Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊除了接收屬于自己的數(shù)據(jù)外，還可以作為中繼廣播其他模塊的數(shù)據(jù)。其自組織性能提供高容量、高速率的業(yè)務(wù)，其模塊間的對(duì)等性能提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。對(duì)于數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)則可采用PMP結(jié)構(gòu)。PMP網(wǎng)絡(luò)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，所有模塊只能與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，在需要傳遞載荷數(shù)據(jù)時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)可以優(yōu)先搶占信道，以輪詢等方式向各個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)[10]。整個(gè)系統(tǒng)采用PMP/Mesh型混合網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)在于：

(1)有中心從資源分配和管控的角度來(lái)看，中心節(jié)點(diǎn)可以和網(wǎng)絡(luò)任一模塊建立連接，能簡(jiǎn)單有效地完成該多星異構(gòu)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的資源分配和管控；

(2)對(duì)等性從協(xié)同和抗毀的角度來(lái)看，每個(gè)模塊之間的作用也是對(duì)等的，既可以作為中心節(jié)點(diǎn)完成時(shí)隙和功率等資源的分配工作，也可以作為數(shù)據(jù)接收端或其他接收端的中繼節(jié)點(diǎn)。

2.2分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率控制模型

在PMP中引入Mesh網(wǎng)絡(luò)，既可以降低組網(wǎng)成本，還可彌補(bǔ)PMP的覆蓋缺陷，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信，通過(guò)有中心和自組織相結(jié)合的多跳中繼，實(shí)現(xiàn)對(duì)該高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管控[10]。對(duì)于本文中考慮功率控制的問(wèn)題，需要考慮主站輔助下的發(fā)送功率設(shè)置和調(diào)整的問(wèn)題，既需要中心節(jié)點(diǎn)，也需要保證實(shí)時(shí)性。故而分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率控制模型也應(yīng)該是PMP/Mesh結(jié)構(gòu)的，如圖2所示。

圖2　分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率控制模型

由圖2可以看出，在該系統(tǒng)采用MF-TDMA(Multi-Frequency Time Division Multiple Access)接入方式，由中心節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星進(jìn)行資源的調(diào)度，用戶可以對(duì)其可見(jiàn)衛(wèi)星進(jìn)行選擇，用戶采用“發(fā)跳收不跳”的方式進(jìn)行通信，即發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)站的接收載波跳變發(fā)送頻率，接收數(shù)據(jù)則值守在固定載波上。對(duì)于用戶和網(wǎng)絡(luò)各自的動(dòng)態(tài)性，只需考慮相對(duì)動(dòng)態(tài)關(guān)系即可。系統(tǒng)的功率控制由中心節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星收集的實(shí)時(shí)參考信息輔助完成。由于該系統(tǒng)中各個(gè)小衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的環(huán)境因素、衰落條件等都不太相同，故每次通信時(shí)，每個(gè)小衛(wèi)星覆蓋區(qū)域(看作一個(gè)網(wǎng)區(qū))有一個(gè)主站比較合理。當(dāng)一個(gè)業(yè)務(wù)站有通信需求時(shí)，由目的站所在的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的主站的參考信息來(lái)控制功率。由于衛(wèi)星之間任意兩星互聯(lián)互通，不同覆蓋區(qū)域的用戶通信只需要經(jīng)過(guò)兩顆衛(wèi)星中繼就能完成通信。由于本文只考慮功率控制問(wèn)題，故網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、中心節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星更替、星間鏈路變化等問(wèn)題暫不考慮，星間路由假設(shè)為已知。

2.3分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率模型

2.3.1多衛(wèi)星跨轉(zhuǎn)發(fā)器組網(wǎng)的功率控制問(wèn)題分析

多衛(wèi)星跨轉(zhuǎn)發(fā)器跨波束組網(wǎng)時(shí)，不同站點(diǎn)的不同業(yè)務(wù)可能選擇不同的衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的接入，系統(tǒng)中配置的多個(gè)載波可能分配到不同的轉(zhuǎn)發(fā)器上，而地面應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星功率資源的合理利用主要取決于轉(zhuǎn)發(fā)器G/T、飽和通量密度、有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)等，不同衛(wèi)星的不同轉(zhuǎn)發(fā)器的參數(shù)和天線配置都不盡相同，為此我們需要針對(duì)這些差異，合理控制功率資源。

對(duì)于功率控制問(wèn)題，一般可以分成兩個(gè)部分：一是初始發(fā)射功率的分配以滿足系統(tǒng)的解調(diào)門限；二是跟隨衰落變化和通信業(yè)務(wù)的變化動(dòng)態(tài)補(bǔ)償發(fā)射功率，以滿足系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中，在分布式衛(wèi)星系統(tǒng)中，每次通信分為同一顆星覆蓋區(qū)域通信和不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的站點(diǎn)通信，所以在功率控制問(wèn)題中，要將這兩種通信情況加以區(qū)分。初始功率預(yù)置可以由業(yè)務(wù)站自發(fā)自收模式進(jìn)行，也可以采取主站輔助模式，但同時(shí)考慮上下行鏈路差異時(shí)，自發(fā)自收模式往往只能滿足上行需求，下行則需要星上處理進(jìn)行，處理過(guò)程復(fù)雜。通過(guò)之前對(duì)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)和功率控制過(guò)程的建模分析，本文提出一種主站輔助的二階控制方式來(lái)解決該問(wèn)題。

(1)申請(qǐng)-反饋初始功率預(yù)置算法

主要用來(lái)解決多衛(wèi)星跨轉(zhuǎn)發(fā)器組網(wǎng)的差異補(bǔ)償問(wèn)題。業(yè)務(wù)站入網(wǎng)前通過(guò)申請(qǐng)載波向目的區(qū)域主站發(fā)信，主站反饋參考突發(fā)，業(yè)務(wù)站根據(jù)基本參數(shù)、業(yè)務(wù)類型、路由信息以及一次入網(wǎng)參考突發(fā)為基準(zhǔn)計(jì)算初始功率。

(2)預(yù)測(cè)補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)調(diào)整算法

主要用來(lái)解決衰落條件、基本參數(shù)、業(yè)務(wù)類型和路由信息不斷變化的差異補(bǔ)償問(wèn)題，以及誤差的消除問(wèn)題。對(duì)衰落變化要?jiǎng)討B(tài)增加和減少發(fā)射功率以達(dá)到滿足基本通信需求并減少功率浪費(fèi)，對(duì)通信需求變化要進(jìn)行調(diào)整或返回重新選擇預(yù)置算法，保證通信質(zhì)量和通信業(yè)務(wù)、目的網(wǎng)區(qū)的順利切換[11]。

2.3.2申請(qǐng)-反饋功率預(yù)置算法

初始功率的預(yù)置采用主站輔助的方法，以衛(wèi)星覆蓋區(qū)域劃分為不同網(wǎng)區(qū)，與某網(wǎng)區(qū)站點(diǎn)通信時(shí)，則由該網(wǎng)區(qū)的主站進(jìn)行輔助。傳統(tǒng)的單星系統(tǒng)考慮的模型比較簡(jiǎn)單，整個(gè)覆蓋區(qū)域假設(shè)為鏈路條件相同，所以直接由一個(gè)主站發(fā)送載波，業(yè)務(wù)站直接接收輔助信息，并假設(shè)了網(wǎng)區(qū)站點(diǎn)工作門限均為一致，以收到的信噪比和工作門限比較估算發(fā)送功率[12]。但是實(shí)際上，覆蓋區(qū)域大，涉及到多星通信時(shí)，各個(gè)網(wǎng)區(qū)的鏈路條件差異很大，各個(gè)站點(diǎn)的工作門限也是不一致的，需要多個(gè)主站來(lái)輔助不同網(wǎng)區(qū)的業(yè)務(wù)。此外，多站輔助時(shí)，不能再使用目的站網(wǎng)區(qū)主站發(fā)送參考信息，而業(yè)務(wù)站直接根據(jù)信息估算功率的單跳方式。因?yàn)樯舷滦墟溌窏l件是不一致的，在接收參考信息的過(guò)程和實(shí)際通信過(guò)程中，業(yè)務(wù)站作為收端和發(fā)端，上下行鏈路條件剛好是相反的，發(fā)送和值守載波所在轉(zhuǎn)發(fā)器的不同可能導(dǎo)致發(fā)送和接收信息的差異更大。

在本文中，我們采用申請(qǐng)-反饋輔助方式，其過(guò)程模型圖如圖3所示。通信業(yè)務(wù)開(kāi)始前，各個(gè)業(yè)務(wù)站通過(guò)申請(qǐng)突發(fā)向目的網(wǎng)區(qū)主站發(fā)送請(qǐng)求，之后主站反饋給各個(gè)業(yè)務(wù)站參考載波，參考載波可以攜帶業(yè)務(wù)申請(qǐng)時(shí)主站收到信息的信噪比、主站天線參數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)、通信目的站的工作門限等狀態(tài)信息，業(yè)務(wù)站根據(jù)自己收到的參考載波的信噪比與目的站工作門限進(jìn)行比較，估算滿足通信需求并能消除載波在不同轉(zhuǎn)發(fā)器上引起的差異的初始發(fā)送功率值。由于存在兩種業(yè)務(wù)類型，即網(wǎng)區(qū)內(nèi)單星通信業(yè)務(wù)和跨網(wǎng)區(qū)多星基中繼通信業(yè)務(wù)，因此，在初始功率預(yù)置時(shí)也有兩種情況。

圖3　主站輔助的申請(qǐng)-反饋功率預(yù)置過(guò)程示意圖

不考慮衰落的動(dòng)態(tài)變化時(shí)，可通過(guò)衛(wèi)星鏈路相關(guān)公式推導(dǎo)出發(fā)送功率與接收信噪比之間的關(guān)系，限于篇幅，直接給出預(yù)置算法公式：

(1)

δ=((Es/N0)j_mod-(Es/N0)M)/10。

(2)

式(1)中：PR_T為請(qǐng)求時(shí)的發(fā)送功率；Pi_T為初始預(yù)置功率，兩者的單位為W。式(2)中：(Es/N0)j_mod為目標(biāo)站的信噪比門限；(Es/N0)M則為主站收到信噪比，單位為dB。

當(dāng)業(yè)務(wù)為單星覆蓋區(qū)域內(nèi)通信時(shí)，GR=GM·GTM，GS=Gj·GT1，(G/T)R=(G/T)M·(G/T)TM，(G/T)S=(G/T)j·(G/T)T1；當(dāng)業(yè)務(wù)為跨網(wǎng)區(qū)通信時(shí)，GR=GM·GTM1·GTM2，GS=Gj·GT1·GT2，(G/T)R=(G/T)M·(G/T)TM1·(G/T)TM2，(G/T)S=(G/T)j·(G/T)T1·(G/T)T2。GM和Gj分別為主站和目標(biāo)站的天線增益；(G/T)M和(G/T)j分別為主站和目標(biāo)站的天線G/T值；GTM、GTM1、GTM2與(G/T)TM、(G/T)TM1、(G/T)TM1分別為主載波歷經(jīng)的不同衛(wèi)星的各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器增益和G/T值；GT1、GT2與(G/T)T1、(G/T)T2分別為業(yè)務(wù)載波歷經(jīng)的不同衛(wèi)星的各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器增益和G/T值。

2.3.3預(yù)測(cè)補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)調(diào)整算法

初始功率的預(yù)置過(guò)程沒(méi)有考慮鏈路條件變化問(wèn)題和目的站更換的問(wèn)題。在通信的過(guò)程中，仍然需要根據(jù)通信需求的變化和鏈路條件的改變動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)整發(fā)送功率。其中通信需求的變化分為兩種：同一網(wǎng)區(qū)內(nèi)的目的站切換和切換網(wǎng)區(qū)。計(jì)算誤差的消除和同網(wǎng)區(qū)內(nèi)的目的站切換問(wèn)題，可以直接通過(guò)計(jì)算發(fā)送載波和值守載波的速率獲得。然而網(wǎng)區(qū)的切換因?yàn)橹行恼镜母淖?，則要回到初始預(yù)置階段。因此，除了預(yù)置功率外，通信過(guò)程中還需要考慮功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、目的站切換、計(jì)算誤差的消除等問(wèn)題。功率補(bǔ)償與調(diào)整值的計(jì)算公式可以表達(dá)如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

對(duì)于參數(shù)ε的調(diào)整，本文則采用多級(jí)參數(shù)閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)的方式來(lái)計(jì)算參數(shù)的調(diào)整量，通過(guò)檢測(cè)，比較信號(hào)和門限的關(guān)系，來(lái)補(bǔ)足預(yù)測(cè)方式中可能存在的誤差和計(jì)算可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。調(diào)整方式表達(dá)如下：

(11)

(12)

(13)

ε=ΔP1+ΔP2+ΔP2,

(14)

(15)

圖4　分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率控制流程圖

3典型應(yīng)用場(chǎng)景仿真

根據(jù)之前對(duì)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)及其功率控制問(wèn)題的分析，可以對(duì)仿真場(chǎng)景作如下假設(shè)：

(1)考慮到分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)置3個(gè)不同星座的3顆衛(wèi)星S1、S2、S3，均工作在Ka頻段。考慮到衛(wèi)星異構(gòu)，設(shè)每個(gè)衛(wèi)星包含兩種轉(zhuǎn)發(fā)器資源，所有轉(zhuǎn)發(fā)器為T11、T12、T21、T22…T31、T32，對(duì)應(yīng)的增益為G11、G12、G21、G22、G31、G32，其中Gi2-Gi1=5 dB，G21-G11=5 dB，G31-G21=5 dB，故3顆衛(wèi)星的G/T值設(shè)為16 dB/K、20 dB/K、30 dB/K。

(2)由于現(xiàn)實(shí)中存在大小站組網(wǎng)的問(wèn)題，設(shè)每個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)站有3種不同類型，三者的天線口徑分別為2.4 m、1.2 m、0.9 m，它們的接收值守載波分別為a、b、c，3種載波和參考載波的速率分別為8 Mb/s、2 Mb/s、1 Mb/s、4 Mb/s，3個(gè)主站參考載波分別工作在轉(zhuǎn)發(fā)器T11、T21、T31，載波a工作在轉(zhuǎn)發(fā)器Ti1(i=1,2,3)上，載波b工作在轉(zhuǎn)發(fā)器Ti2上，載波c工作在轉(zhuǎn)發(fā)器Ti3上。

首先，將上下行聯(lián)合控制的預(yù)置方式、傳統(tǒng)方法中常見(jiàn)的上行控制預(yù)置方式與達(dá)到最低信噪比門限的最小發(fā)射功率需求進(jìn)行了比較。鏈路衰減只考慮雨衰，為了降低仿真實(shí)驗(yàn)的難度，采用比較簡(jiǎn)單SAM模型[12]。上下行鏈路通過(guò)不同的百分比平均降雨率來(lái)進(jìn)行區(qū)分，業(yè)務(wù)站海拔和天線仰角假設(shè)相同，通過(guò)設(shè)置不同緯度值和工作門限來(lái)區(qū)分各個(gè)業(yè)務(wù)站。

仿真結(jié)果如圖5所示。在SAM模型的參數(shù)設(shè)置中，前3站上下行鏈路百分比平均降低分別設(shè)為0.7和0.05，中間3站為0.6和0.05，后3站為0.6和0.2。單純的上行控制可能會(huì)因?yàn)橄滦刑幱诓煌W(wǎng)區(qū)而導(dǎo)致預(yù)置結(jié)果遠(yuǎn)小于門限值，而聯(lián)合控制預(yù)置分配則能夠保證各個(gè)站點(diǎn)有效地入網(wǎng)通信。

圖5　功率預(yù)置算法對(duì)比

其次，我們對(duì)于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法中ΔP的計(jì)算進(jìn)行了仿真，根據(jù)廣州某地的雨衰實(shí)測(cè)值，對(duì)比了只采用基于預(yù)測(cè)的反饋算法、閉環(huán)補(bǔ)償算法和預(yù)測(cè)反饋-動(dòng)態(tài)多參數(shù)補(bǔ)償算法的性能，預(yù)測(cè)反饋和閉環(huán)調(diào)整的周期均為5 s。從圖6的仿真結(jié)果可以看出，閉環(huán)功率調(diào)整由于存在步長(zhǎng)的階躍會(huì)在銳增銳減時(shí)跟不上雨衰變化；利用Matlab中列賓算法可計(jì)算預(yù)測(cè)器系數(shù)，但誤差累積會(huì)導(dǎo)致多處變化值高于預(yù)測(cè)值。而本文提出的混合算法無(wú)論是正常起伏變化時(shí)還是連續(xù)銳增銳減或連續(xù)平緩變化時(shí)，性能上都有很大的優(yōu)勢(shì)，基本上都跟得上雨衰的變化。

圖6　動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法對(duì)比

此外，對(duì)于調(diào)整算法，我們仿真比較了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的單參數(shù)調(diào)整[12](只利用式(8)進(jìn)行調(diào)整)和文中的多參數(shù)調(diào)整。調(diào)整周期為5 s，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，單參數(shù)調(diào)整方式在雨衰值連續(xù)平緩變化和連續(xù)銳增銳減時(shí)，跟蹤效果不如多參數(shù)調(diào)整。

圖7　功率調(diào)整算法對(duì)比

最后，我們進(jìn)行了功率動(dòng)態(tài)控制曲線的仿真驗(yàn)證，其結(jié)果如圖8所示。由圖可以看出，結(jié)合預(yù)置功率和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)補(bǔ)償、多級(jí)參數(shù)調(diào)整，發(fā)射功率可以隨著衰減、業(yè)務(wù)變化和網(wǎng)區(qū)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，以滿足通信業(yè)務(wù)的跳變、網(wǎng)區(qū)的切換和鏈路條件的變化。

圖8　動(dòng)態(tài)控制曲線

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)特征，建立了分布式衛(wèi)星系統(tǒng)功率控制的簡(jiǎn)單模型；針對(duì)傳統(tǒng)上行功率控制研究很少考慮上下行鏈路條件可能存在差異的問(wèn)題，給出了申請(qǐng)-反饋主站輔助的初始功率預(yù)置方法；對(duì)于業(yè)務(wù)和通信目的網(wǎng)區(qū)以及鏈路條件可能發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，提出了一種不同于傳統(tǒng)閉環(huán)調(diào)整方法的功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法；對(duì)于預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的誤差累積問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有研究中單參數(shù)調(diào)整算法，給出了多參數(shù)閉環(huán)調(diào)整算法，解決了鏈路衰減快速變化和平穩(wěn)變化時(shí)誤差積累的問(wèn)題。

通過(guò)典型場(chǎng)景的仿真結(jié)果可以看出，本文提出的方法能夠很好地適應(yīng)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)通信中存在的網(wǎng)區(qū)切換、業(yè)務(wù)切換、鏈路條件變化等問(wèn)題，對(duì)于分布式衛(wèi)星系統(tǒng)資源管控等相關(guān)技術(shù)的研究有一定指導(dǎo)作用。對(duì)于鏈路衰減補(bǔ)償，除了功率控制，還有自適應(yīng)技術(shù)和分集技術(shù)等方法。未來(lái)還可以結(jié)合這幾項(xiàng)技術(shù)，提出混合補(bǔ)償方法，更好地消除鏈路條件對(duì)通信傳輸?shù)挠绊憽?/p>

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Uplink and Downlink Joint Power Control in Distributed Satellite System

ZHONG Xudong1,2，HE Yuanzhi2，WEI Xiaohui1，SUN Jun3

(1.College of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China;2.Institute of Chinese Electronic Equipment System Corporation,Beijing 100141,China；3.Unit 75706 of PLA, Guangzhou 510500,China)

Abstract：In order to reasonably control the power of thedistributed satellite system(DSS) to improve its system capacity,the joint power control problem of the system is studied.Through analysis of the characteristics of DSS and the difficulty of power control problem,the power control model and the architecture of power control approach are constructed.A joint power control approach based on preset,prediction and multi-stage adjustment is proposed.Finally the effectiveness of the approach is verified with the performance comparison between the approach and traditional scheme based on prediction and single-stage adjustment.The proposed approach can better meet the demand of the power threshold as the up and downlink in different rainfall percentage condition.The approach can more accurately track the rain attenuation in both curves measured in Guangzhou and Changchun.When the services and the communication zone are changed,the approach can quickly switch the network and keep the dynamic tracking.The approach meets the application requirements of accuracy and timeliness for the power control problem of DSS.

Key words：distributed satellite system;power control;power compensation;rain attenuation

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.009

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-03-25Received date:2015-11-18；Revised date：2016-03-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61231011，91338201,91438109,91338016)

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No.61231011,91338201,91438109,91338016)

通信作者：zxd148367@outlook.comCorresponding author：zxd148367@outlook.com

中圖分類號(hào)：TN927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-893X(2016)06-0646-07

作者簡(jiǎn)介：

鐘旭東(1991—)，男，湖南常德人,碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星系統(tǒng)資源分配技術(shù)；

ZHONG Xudong was born in Changde,Hunan Province,in 1991.He is now a graduate student.His research concerns resource allocation technology in satellite system.

Email:zxd148367@outlook.com

何元智(1974—)，女，北京人，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

HE Yuanzhi was born in Beijing,in 1974.She is a senior engineer of professor with the Ph.D. degree.Her research concerns satellite communication.

魏曉輝(1989—)，男，山東東營(yíng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

WEI Xiaohui was born in Dongying,Shandong Province,in 1989.He is now a graduate student.His research concerns satellite communication.

孫俊(1981—)，女，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檐娛峦ㄐ拧?/p>

SUN Jun was born in Yantai, Shandong Province, in 1981. She is now an engineer with the M.S. degree. Her research concerns military communication.

引用格式：鐘旭東，何元智，魏曉輝,等.分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的上/下行功率聯(lián)合控制[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):646-652.[ZHONG Xudong，HE Yuanzhi，WEI Xiaohui,et al.Uplink and downlink joint power control in distributed satellite system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):646-652.]