張朝賢,張 毅,徐 帆

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

0 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和智能終端產(chǎn)品設(shè)備的推廣應(yīng)用，人們對(duì)移動(dòng)通信的速率提出了更高的要求。第五代移動(dòng)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(yàn)速率，滿足更為廣泛的業(yè)務(wù)需求[1]。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)具有頻帶利用率高、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)處于商用普及階段。但是由于5G采用的超高頻譜，會(huì)造成信號(hào)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(duì)于人口密度較小的偏遠(yuǎn)地區(qū)而言，5G地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要較大成本并可能造成資源浪費(fèi)。相比較地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，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(wù)。當(dāng)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(shù)的逐漸進(jìn)步，衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)和地面通信的優(yōu)點(diǎn)將充分融合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋的目標(biāo)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(jiǎn)單，有利于迅速部署星地通信網(wǎng)絡(luò)。因此，有必要研究地面信關(guān)站到衛(wèi)星的饋電側(cè)鏈路和衛(wèi)星到終端用戶的用戶側(cè)鏈路衰減，評(píng)估衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算要求。目前，對(duì)于低軌衛(wèi)星鏈路衰減及鏈路預(yù)算已有研究：文獻(xiàn)[4]對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)Q/V頻段饋電側(cè)鏈路的衰減進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并得到鏈路的最大衰減、最小衰減和動(dòng)態(tài)范圍；文獻(xiàn)[5]給出了低軌衛(wèi)星的大尺度信道模型，并給出不同場(chǎng)景下無線電波在星地鏈路中傳輸時(shí)應(yīng)考慮的衰減；文獻(xiàn)[6-8]分別提出了大氣吸收、云霧衰減、降雨衰減的具體計(jì)算方法。

上述研究?jī)H給出某種鏈路衰減因素的計(jì)算方法或一側(cè)鏈路的鏈路衰減值和鏈路預(yù)算，且未能在衛(wèi)星星座覆蓋下進(jìn)行終端信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)分析。實(shí)際應(yīng)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(guān)站三者的具體地理位置和透明轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)衛(wèi)星對(duì)信號(hào)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(yù)算要求的衛(wèi)星和信關(guān)站的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)。因此，本文對(duì)衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)進(jìn)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(duì)信關(guān)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(guān)站、衛(wèi)星和終端用戶三個(gè)部分。在下行鏈路中，無線信號(hào)從信關(guān)站發(fā)送到衛(wèi)星，經(jīng)過衛(wèi)星對(duì)信號(hào)的放大后再從衛(wèi)星發(fā)送給用戶。

假設(shè)信關(guān)站的EIRP為Pt1(W/MHz)，衛(wèi)星的EIRP為Pt2(W/MHz)，饋電側(cè)鏈路增益為L(zhǎng)1，用戶側(cè)鏈路增益為L(zhǎng)2，星上噪聲為Pn1(W/MHz)，終端噪聲為Pn2(W/MHz)，衛(wèi)星對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)為A，則終端用戶接收的信號(hào)功率Ps為

Ps=(Pt1×L1)×A×L2。

(1)

經(jīng)過饋電側(cè)鏈路衰減后的信關(guān)站發(fā)射信號(hào)與星上噪聲一起被衛(wèi)星放大，這時(shí)信號(hào)功率應(yīng)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(xiàn)[9]給出：

Pn1=10(TS+k+60)/10。

(3)

由公式(2)得出放大倍數(shù)A，進(jìn)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(xiàn)[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(jì)算的信噪比與鏈路解調(diào)門限信噪比相比較，進(jìn)而得出此系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足鏈路預(yù)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(huì)被過度放大，導(dǎo)致接收信噪比惡化，此時(shí)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(cè)工作在Ka頻段，因而可假設(shè)用戶側(cè)工作頻率為20 GHz。假設(shè)用戶終端所在地理位置天氣狀況為晴天，則用戶側(cè)鏈路衰減應(yīng)考慮自由空間傳播損耗、陰影衰落和大氣吸收。

饋電側(cè)工作在Q/V頻段，因而假設(shè)饋電側(cè)工作頻率為50 GHz。在饋電側(cè)鏈路衰減中，由于地面信關(guān)站通常處于空曠無人的地方，因而不考慮陰影衰落對(duì)饋電側(cè)無線電波衰減的影響。在饋電側(cè)中，信號(hào)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(hào)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(jiǎn)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(kuò)散，由此引起的傳播損耗稱為自由空間路徑損耗。當(dāng)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(duì)于地面的用戶終端或信關(guān)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(hào)傳送過程中遇到地面比如山丘或大型建筑物的大障礙對(duì)信號(hào)能量進(jìn)行吸收和發(fā)散而造成的信號(hào)衰落。陰影衰落模型服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，當(dāng)用dB為單位表示時(shí)，它是均值為0、標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。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(duì)應(yīng)的陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差[5]。

表1 郊區(qū)或農(nóng)村場(chǎng)景中不同仰角下LOS概率

表2 郊區(qū)或農(nóng)村場(chǎng)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(hào)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(huì)對(duì)信號(hào)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(cè)工作在Ka頻段，饋電側(cè)工作在Q/V頻段，所以本小節(jié)僅對(duì)頻率為54 GHz以下的情況大氣吸收進(jìn)行計(jì)算。大氣吸收主要取決于工作頻率f(GHz)、仰角θ(°)、壓強(qiáng)Bp(hPa)、相對(duì)濕度RH(%)和溫度t(°C)[6]。

對(duì)于干燥空氣，衰減率γ0(dB/km)為

(10)

式中：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

對(duì)于水蒸氣，衰減率γw(dB/km)為

(18)

式中：

(19)

(20)

(21)

對(duì)于干燥空氣，其等效高度為

(22)

式中：

(23)

(24)

(25)

對(duì)于水蒸氣，其等效高度為

(26)

式中：

(27)

當(dāng)仰角5°≤θ≤90°時(shí)，計(jì)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(hào)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(guān)[7]。

水的復(fù)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(dāng)仰角10°≤θ≤90°時(shí)，計(jì)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(hào)衰減，這種造成信號(hào)強(qiáng)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(shí)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(zhǎng)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(dāng)饋電側(cè)工作頻率為50 GHz時(shí)，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(dāng)|φ|<36時(shí)，χ=36-|φ|，否則χ=0。

計(jì)算出平均年0.01%時(shí)間超出的降雨衰減Ar(dB)為

Ar=γRLRv0.01。

(42)

3 鏈路預(yù)算過程

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

Step1 設(shè)置初始參數(shù)。設(shè)地球半徑RE為6 371 km，衛(wèi)星軌道高度h0為1 175 km，用戶側(cè)工作頻率為20 GHz，饋電側(cè)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(gè)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(píng)估低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(gè)方位的典型城市，選取的8個(gè)用戶信息如表4所示；5個(gè)信關(guān)站信息如表5所示。

表4 8個(gè)用戶終端信息

表5 5個(gè)地面信關(guān)站信息

Step2 計(jì)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(jì)算方法，對(duì)星座進(jìn)行動(dòng)態(tài)遍歷，計(jì)算不同用戶位置的用戶側(cè)和饋電側(cè)最大鏈路衰減。在計(jì)算用戶側(cè)衰減時(shí)，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(jì)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(jì)算出的兩跳鏈路衰減值，計(jì)算出采用不同低軌星座時(shí)，在不同信關(guān)站EIRP下各城市用戶終端對(duì)應(yīng)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(guān)站EIRP分析。計(jì)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(guān)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(gè)城市對(duì)應(yīng)的最小鏈路信噪比隨著信關(guān)站EIRP變化的仿真結(jié)果如圖1所示。

(a)上海

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)?shù)孛嫘抨P(guān)站EIRP較小時(shí)，鏈路信噪比隨著信關(guān)站EIRP增大而增大，系統(tǒng)處于饋電受限情況；而當(dāng)信關(guān)站EIRP足夠大時(shí)，鏈路SNR不再隨信關(guān)站EIRP變化，趨于恒定，此時(shí)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(gè)城市的仿真結(jié)果來看，三個(gè)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?yàn)镺neWeb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(dǎo)致其SNR最小。

需要指出的是，本文給出的兩跳鏈路SNR計(jì)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(guān)站EIRP不同時(shí)，由公式(6)得到的最差SNR對(duì)應(yīng)的接入衛(wèi)星軌道位置可能不同，從而導(dǎo)致對(duì)不同星座的SNR比較在EIRP不同區(qū)間內(nèi)的大小關(guān)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(shí)，Iridium星座的接收SNR高于Teledesic，而在EIRP大于100 dBW/Hz時(shí)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(duì)應(yīng)的用戶側(cè)和饋電側(cè)損耗。從表中可以看出，EIRP小于100 dBW/Hz對(duì)應(yīng)的饋電損耗較大，而大于100 dBW/Hz對(duì)應(yīng)的饋電損耗較小，說明不同EIRP時(shí)用戶最差SNR對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星軌道位置不同，驗(yàn)證了EIRP對(duì)接入衛(wèi)星位置的影響。

表7 哈爾濱市不同EIRP的用戶側(cè)和饋電側(cè)損耗

4.2 解調(diào)門限所需信關(guān)站EIRP分析

當(dāng)鏈路解調(diào)門限SNR要求為-10～10 dB時(shí)，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(guān)站EIRP如圖2～4所示。

圖2 Iridium星座對(duì)應(yīng)各城市門限SNR所需信關(guān)站EIRP

圖3 Teledesic星座對(duì)應(yīng)各城市門限SNR所需信關(guān)站EIRP

圖4 OneWeb星座對(duì)應(yīng)各城市門限SNR所需信關(guān)站EIRP

對(duì)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(guān)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(duì)EIRP的要求按Iridium、Teledesic、OneWeb依次減小。參照5G-NR物理層設(shè)計(jì)，在最低階MCS(QPSK調(diào)制，碼率0.1172)時(shí)，誤塊率為0.001對(duì)應(yīng)的解調(diào)門限為-6 dB[11]，則可以看到不同星座下各個(gè)城市所需的信關(guān)站EIRP，Iridium為45～105 dBW/MHz，Teledesic為12～100 dBW/Hz，OneWeb為12～65 dBW /Hz。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)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(dòng)態(tài)鏈路預(yù)算評(píng)估模型，為透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)提供參考。利用大尺度信道模型和鏈路衰減的相關(guān)計(jì)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(guān)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(duì)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(yù)算結(jié)果能夠較好地評(píng)估衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)、用戶地理位置對(duì)兩跳鏈路SNR的影響。

衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)需要進(jìn)行綜合考慮，才能在合理的EIRP水平下使得SNR達(dá)到解調(diào)門限，實(shí)現(xiàn)較好的覆蓋。