卫星通信网功率控制方案

摘要

卫星通信系统中对系统功率的控制非常重要，这直接关系到系统的可用性程度，并且随着系统工作频率的提高尤为显著。针对资源按需分配频分多址（FDMADAMA）体制卫星通信系统功率控制问题，分析了传统方案的局限性和不足，在工程实际经验基础上，通过理论推导提出了一种新的功率控制方案，并给出了具体的功率参考值测试方法。通过与实际系统链路发射功率参考值测试数据比对，验证了新功率控制方案的发射功率参考值测试以及计算方法的正确性。

关键词

频分多址；按需分配；功率控制；卫星通信；比特信噪比

在卫星通信系统中，对系统功率的控制是关系到整个卫星通信系统可用性的关键因素。系统功率控制主要是指各站发射功率的设置，系统发射功率应根据卫星转发器的地域覆盖特性、通信双方所处地理位置、站型大小、天气情况和载波速率等因素进行合理的设置。在FDMADAMA卫星通信系统中，全网状网、多载波和资源按需动态分配等特点使系统的功率控制更加复杂。某系统中采用了站到站型功率参考值功率控制方案，考虑了雨衰补偿，但对不同目的站的地理衰减补偿不完善，导致系统对个别站功率控制效果不佳。为了完善上述功率控制方案中对地理衰减补偿的不足，需要寻找基于站到站功率参考值的系统功率控制方案。通过研究分析网状网卫星通信系统链路功率信号的传输规律，将站到站的功率关系转换到各站相对基准站的功率关系，以此为基础提出了相对基准站功率参考值的系统功率控制改进方案。

1功率控制技术

大气传输损伤，包含降雨产生的衰耗和去极化的影响会引起系统性能下降，增加了系统的不可用度。在10GHz以上频段，雨的衰减是卫星链路衰减的主要因素［1］，需要增加额外的功率补偿（采用功率控制）才能保证通信信道的正常工作［2］。上行链路开环功率控制是卫星通信最常使用的抗衰技术之一，其主要作用是在降雨期间对上行链路衰减进行估算，然后根据衰减量相应增大发射功率，使卫星接收的信号功率保持在一定的范围之内，其目的是补偿慢变化的衰减量和幅度闪烁。其他因素，如温度等所引起的慢变化衰减，在补偿过程中都当作降雨衰减来处理［2］。功率控制技术从不同的角度来考虑可以有不同的分类方法［3］，从通信的上下行链路来考虑，可分为反向功率控制与前向功率控制；从实现功率控制的方式来考虑，则可划分为集中式功率控制与分布式功率控制；从功率控制环路的类型来划分，可分为开环功率控制与闭环功率控制等。现在，一般在系统中采用自适应功率控制技术控制发射功率。自适应功率控制技术通过改变发送端信号的发送功率来补偿信号在信道传输过程中的功率衰减［4］。功率控制算法按照控制准则一般包括基于功率平衡准则和基于信噪比平衡准则两大类。基于功率平衡准则是指通过发送端功率的自适应从而保证接收端接收信号的功率保持在一定的范围内。基于信噪比平衡准则是指通过发送端功率的自适应使接收端的信噪比保持在一定的范围内，从而保证整个通信系统稳定的工作。文献［517］中从不同角度对功率控制方法进行了研究。

2传统方案及其局限性

2．1工作过程闭环功率控制和开环功率控制2种控制方式，闭环功率控制稳态性能好，但收敛时间较长，开环功率控制响应快，但误差较大。对于工作于DAMA方式的系统需要实时建立双向单路单载波（SCPC）卫通链路，要求建链时间短，建链可靠性高，因此在基于FDMADAMA系统中，一般传统功率控制方案采用开环＋闭环的混合功率控制方案，以兼顾响应时间、调整误差和建链可靠性，即在进行业务信道DAMA分配时，由网管中心为通信双方站分配一个初始功率值，链路建立后由通信双方自动进行闭环功率控制。混合功率控制方案流程如图1所示。混合功率控制方案工作过程如下：①测试晴天情况下地球站到某站型通信时的参考发射功率，即按基准速率（如IR＝128kbps）发射载波使接收信噪比为基准Eb／N0（如7．0dB）时的发送站发射功率，并将该参考值保存在网管中心数据库中；②根据站点所在雨区分配合适的固定雨衰补偿，保证其在下雨情况下能够正常通信，将该补偿值保存在网管中心数据库中；③中心站在分配信道时，根据通信双方所处地理位置、站型大小、雨衰情况、载波速率和允许最大发射功率等因素计算分配给通信双方的发射功率；④各站根据中心站分配的发射功率值对本站调制解调器的发射功率进行配置；⑤通信过程中调制解调器监视通信对端信号接收情况，自动闭环调整本站发射功率；⑥转发器参数发生变化或转星后，重新测试各站功率参考值并更新数据库数据。

2．2功率参考值功率参考值指DAMA系统中卫通地球站在链路建立时使用的初始发送功率值（含固定雨衰补偿）。该值应能保证链路通信双方初始能够获得良好的接收Eb／N0，建立起良好通信，通信过程中由双方通信终端根据规则自动进行闭环功率调整。功率参考值体现了一个卫通地球站与其他站通信的功率特性，是FDMADAMA卫星通信系统自动功率控制机制中的主要参数。功率参考值的常规测试方法：卫星通信系统开通时，各站在晴天情况下测试与不同站点（或站型）之间采用基准信息速率通信时所需的最小发射功率（接收Eb／N0等于基准值时），然后将该数值保存到网管中心数据库。根据各地球站能力、地理位置和雨衰等因素在最小发射功率的基础上适当增加补偿（主要是补偿雨衰），作为地球站通信功率参考值。

2．3局限性传统方案虽然能够完成自动功率控制的初始参考值测试、分配，但存在以下不足：①测试过程复杂，针对一个站到一个站型的功率参考值测试，需建立到该站型多个站的多条链路多次测试获得到该站型的功率参考值，并且需测试该站到每个站型的功率参考值，当站较多时整个系统的测试量较大；②误差较大，当采用站到站型的功率参考值方案时，由于同型地球站所处地理位置不同，该参考值实际是由对多个同型地球站测试值平均后得到的，有时与实际参考值差别较大；③系统建成或换星进行功率参考值测试时工作量较大。通过分析及理论推导，提出一种相对基准站的功率参考值方法，可以减少功率参考值测试工作量，同时提高功率参考值的精度。

3相对功率参考值方案

3．1依据的导出传统功率控制方案由于直接针对站到站进行功率参考值测试造成了测试工作量较大。虽然为减少测试工作量优化为按站到站型进行测试，一定程度减少了测试量，却又引入了同型站地理位置不同造成的误差。新方法尝试通过将所有站收发能力与中心站收发能力建立归一化关系，经由中心站为媒介，间接估计2个远程站之间的通信功率参考值，即采用新的方法测试、计算参考值。

3．2基准站选择FDMADAMA卫星通信系统中，一般网管中心部署在较大的固定中心站，通常情况下也是卫通网管理部门的所在地。基于以下因素，一般选择中心站作为功率参考值测试的基准站。

3．3功率参考值测试通过将序号为i＝0，1，2，的一系列站与基准站建立归一化关系，间接计算2个远端站之间的功率参考值。

3．4任意站间功率参考值计算发射功率参考值测试工作完成后，形成如表1所示得基本数据库表，在此基础上，依据式（8）可得到任意2个站i、j之间的功率参考值。

3．5功率分配计算流程实际卫星通信系统中，常需要支持不同调制编码方式和信息速率等，以上发射功率参考值表是在确定的调制编码方式、IRRef和Eb／N0Ref等约束下测试得到的，测试数据需经过校正才可使用。依据发射功率参考值测试数据和式（9），中心站（基准站）网管中心功率分配计算流程如图3所示。其中，IRijIRji、MijMji分别表示站i、j双向通信信息速率、调制编码方式；DIRDM分别表示因通信信息速率、调制编码方式不同对功率分配值进行的调整；Pth表示允许的最大发射功率值。

4结束语

功率控制是卫星通信系统网络控制中一个必须处理的问题，本文阐述了功率控制的基本原理，分析了传统FDMADAMA系统功率控制方案的不足，通过理论推导分析提出了一种相对功率参考值功率控制方法，并给出了其测试方法和功率分配计算流程。通过实测数据验证了该方法的正确性。与传统方案相比，相对发射功率参考值方案，系统发射功率参考值测试更方便、测试量更少，适应范围更广。在新建系统或更换卫星功率参考值测试时，仅需进行各站到中心站（基准站）的链路测试，且不区分站型，测试量比传统方案大大减少。

作者：李斌成 李影 单位：武汉东湖学院