高　琳，张永池，潘申富

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



卫星重叠通信系统功率控制策略研究

高琳，张永池，潘申富

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：针对卫星重叠通信系统中扩频信号与原业务信号相互干扰的问题，提出了一种功率控制的策略。该策略分析了原业务信号对扩频信号的影响，给出了一种预测原业务信号功率的方法，来计算单用户的发射功率；并且推导出扩频信号总的发射功率与原业务性能恶化的关系，来限制扩频信号的发射功率。在上述理论分析的基础上，对一种典型的卫星重叠通信系统进行分析，评估出在原业务信号允许的恶化量为1 dB时，可接入用户数为22个。

关键词：重叠通信；原业务信号；扩频信号；功率控制

0引言

重叠通信最早出现在地面移动通信系统中，主要是为了解决第3代移动通信系统如何与GSM移动通信系统在同一频带下的共存问题，此后该项技术逐步引入到卫星通信领域内并有许多研究[1-4]。

卫星重叠通信将宽带扩频信号与转发器上已有的业务载波在同一段频带上传输，可以在不需要任何空间段投入的情况下临时使用现有的卫星资源。但在这种通信系统中，原业务信号和宽带扩频信号互相干扰，为了保证系统的正常通信，控制各个地球站的发射功率是十分必要的。一方面，需要限制叠加的扩频信号总的发射功率，不能明显影响卫星原业务的性能。另一方面，在保证自身通信质量的前提下，尽可能地减少每个用户站的发射功率，以便接入更多的用户。因此，本文提出了一种系统的功率控制的策略，在保证不影响原业务信号通信的前提下，使系统的容量最大。

1扩频信号与原业务信号的相互影响

1.1　扩频信号对原业务信号的影响

利用扩频技术进行重叠通信时，扩频信号和卫星原业务信号互为干扰，叠加的扩频信号对原业务信号来说可以看作是与信道加性噪声统计独立的白噪声，相当于使信道的白噪声功率谱密度有所增加[5]。

总的扩频信号导致的原业务系统某一用户站接收的信噪比恶化量λ为：

(1)

(2)

实际上，由于接收站的站型不同，不同接收站接收到的扩频信号的信噪比是不一样的，从而导致的恶化量也不同。由于难以知道原业务系统接收站的站型，为了有统一的标准来评价，可以等效到星上来研究。

因为：

(3)

所以：

(4)

可以看到非重叠通信系统接收站接收到的扩频信号总的信噪比小于上行信噪比，有了比原来更严格的上限，所以将总的信噪比换为上行信噪比来研究，只要扩频信号的上行信噪比导致的恶化量小于原信号允许的恶化量门限μ，则在接收站的恶化量一定也小于门限值μ。因此有：

(5)

这样评估扩频信号对原系统的干扰时，就不需要考虑原系统接收站型的大小。只需考虑所有的用户站到卫星的总的上行信噪比不要超过门限值即可。

总的扩频信号的上行信噪比对原业务信号的信噪比的恶化量如图1所示。

图1　原业务信号信噪比的恶化量

1.2　原业务信号对扩频信号的影响

对叠加的扩频信号来说，星上的业务可能是TDMA或FDMA信号。此时，为了分析的简单化，假定在带宽内存在N个频分的业务载波，这些载波会对重叠通信系统的扩频信号造成干扰。这些业务载波在解扩过程中被白化，对扩频信号的影响可等效为等功率的高斯白噪声的影响。很显然，原业务载波对扩频信号的定量影响与用户站接收到的业务载波的载噪比相关[6,7]。

(6)

2系统的功率控制策略

2.1　策略描述

① 确定好卫星原业务信号允许的恶化量门限，例如0.5 dB或1 dB；

② 根据式(4)可确定扩频信号上行信噪比的上限；

③ 根据2.2节估计卫星上原业务信号的功率，得到重叠通信的用户站接收原业务信号的信噪比，进一步求得导致的扩频信号的恶化量，从而确定单用户站的发射功率；

④ 网管中心收集正在通信的每个用户站的发射功率及各地卫星的G/T值，计算此时总的上行信噪比，若有新用户请求通信，给其分配一定的功率，计算其通信后总的上行信噪比是否超过了允许的上限。若超过了上限，则禁止新的用户通信。

2.2　原业务信号功率的预测

在重叠通信系统中，影响系统发射功率的一个很大的因素为原业务载波功率的大小，预测出原业务信号的功率是非常必要的，从而求解出原业务信号对扩频信号的恶化值[8]。

① 自发自收，测量接收扩频信号信噪比；

(7)

② 可以利用下式求解原业务功率PJ的大小。

(8)

(9)

(10)

2.3　各用户站的发射功率

当已知原业务信号对扩频信号的恶化值以及扩频信号的解调门限值时，有助于准确地计算扩频信号的发射功率[9]。

某一扩频信号的用户站接收时，接收端含扩频信号和原业务信号，其总的信噪比表示为：

(11)

扩频信号的上行信噪比为：

(12)

下行信噪比为：

(13)

总的信噪比可表示为：

(14)

EIRPDS为用户站的发射功率，LU为上行链路损耗，Mth为链路余量。

联立式(12)、式(13)、式(14)，可求解出用户站的发射功率。

2.4　总的发射功率的限制

由1.1节可知，原业务系统接收站接收到的扩频信号的总信噪比小于上行信噪比，且扩频信号总的上行信噪比是各用户站的发射功率共同贡献的结果。

(15)

当已知原业务信号所能允许的最大恶化量时，即可知道扩频信号总的上行信噪比的上限。

3典型系统分析

依据上节提出的功率控制策略，以一个典型的卫星系统进行分析[13]。

假设重叠通信系统工作于Ku频段，使用亚太6号卫星进行通信，采用星状网组网。上下行载波频率f为14/12 GHz，信息速率2.4 kbps，扩频信号带宽为36 M,(Eb/N0)th=6dB，Pe=1×10-6，Mth=3.5dB。假设有N个相同类型的用户站，天线口径均为1.2m。LU=206.9dB，(G/T)S=4.45dB/K，LD=205.6dB，(G/T)E=20dB/K，GS=189.67dB，PJ=-145dBW。

根据2.3节可以求解出每个用户站的发射功率EIRPDS=30.1dBW，此时每个用户站的上行信噪比为：

30.1-206.9+4.45+228.6-75.6=

-19.35 dB；

(16)

则所有用户站的总的上行信噪比为：

(17)

原系统允许的恶化量和可接入的用户数的关系如图2所示。

图2　用户数和原信号允许恶化量的关系

从图2中可以看出卫星原业务信号允许的恶化量为0.5 dB时，可以接入10个用户站，当允许的恶化量为0.7 dB时，可接入15个用户站，当允许的恶化量为1 dB时，可接入22个用户站。

4结束语

本文提出了应用扩频技术进行卫星重叠通信的方案，并对系统中的功率控制策略进行了分析研究，在保证不明显影响原业务通信的前提下保证自身通信的正常运行。对一个典型系统进行了分析，确定在此系统中可以接入的用户数，验证了该策略的可行性，为工程应用提供了帮助。然而此种功率控制的算法较为理想化，实际上由于各种测量参数的不准确，计算出的功率会存在误差，以后将针对误差方面进行重点研究。

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Research on Power Control Strategy in Satellite Overlap
Communication System

GAO Lin,ZHANG Yong-chi,PAN Shen-fu

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：In view of mutual effects of spread spectrum signal and original service signal in satellite overlap communication system,a power control strategy is proposed.This strategy analyzes the influence of original service signal on original service signal,and gives a method of forecasting the original service signal power to calculate the transmitting power of each station;and deduces the relationship between the power of spread spectrum signal and the deterioration of the original service performance to limit the transmitting power of spread spectrum signal.On the basis of the above theoretical analysis,the number of users that can be accessed is 22 for a typical satellite overlap communication system when the deterioration of the original service signal is 1dB.

Key words：overlap communication;original service signal;spread spectrum signal;power control

作者简介：高琳 (1991—),女，硕士研究生，主要研究方向；卫星通信。潘申富 (1975—),男，博士，高级工程师，主要研究方向：卫星通信传输安全。

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2015-09-08

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-21-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.05

引用格式：高琳，张永池，潘申富.卫星重叠通信系统功率控制策略研究[J].无线电通信技术,2016,42(1):21-23，27.