户凌志 张海勇 贺 寅

（海军大连舰艇学院信息系统系 大连 116018）

1 引言

在进行卫星通信时，链路计算是合理规划设计卫星系统的重要依据［1］。在计算卫星链路时，有必要充分考虑链路传输过程中可能受到的各种损耗及干扰影响。目前对链路计算过程噪声及干扰的研究还不够细致。文献［2］提出了一种ku频段下的卫星通信链路计算方法，但未考虑上行链路雨衰的影响；文献［3］提出了一种干扰条件下的计算链路性能的计算模型，但是未考虑交调干扰等干扰的影响。本文将对各种可能影响链路质量的噪声及干扰进行研究，并对链路计算步骤进行细化，精确链路计算，为合理规划设计卫星传输链路提供支持。

2 链路损耗

1）自由空间传播损耗，与信号的频率及传播距离成正比，当d用km、f用GHz表示时，计算公式如下［4］

2）大气吸收损耗，与载波工作频率f及天线仰角E有关，工程上近似计算公式为［5］

3）天线指向损耗，指地面站天线与卫星天线偏离轴向的增益降低，一般Le约0.4dB。

4）链路雨衰损耗，在降雨天气时需加以考虑。参考ITU-R的建议，可得雨衰计算公式［6］。

上式中 Rp为降雨强度；γR=a（Rp）b为雨衰率，表示单位传输距离的雨衰量，a和b数值可根据文献［7］中公式及相关表数据得到；LE为雨区斜路径长度；hR是海拔0℃以上等温线高度，hS为地球站高度；rp为距离减小因子；LG为斜路径的水平投影长度。

因此，将上述损耗叠加得到上行链路总损耗Lu=Lfu+Lau+Leu+Lru。同理可得下行链路总损耗Ld=Lfd+Lad+Led+Lrd。

3 链路载噪比计算

卫星通信过程中，模拟通信系统常用信噪比（S/N）表示链路性能；数字通信系统用误比特率（BER）表示［8］。模拟信号和数字信号的功率都等于其未调制载波的功率，而链路所受到的噪声可等效为接收端的噪声温度，因此无论（S/N）和（BER）都可用载温比（C/T）或载噪比（C/N）表示。由于载噪比C/N是带宽Bn的函数，对于不同带宽系统的比较不方便，因此该表示方法缺乏通用性，所以链路性能常采用载温比C/T表示。以下变量加方括号表示取10lg（）计算。

3.1 上下行链路载温比计算

1）上行链路载温比计算

EIRPE为地球站有效全向辐射功率，与输出功率PT及发射天线增益GT有关，计算如下：

式中LFT为发射天线馈线损耗。设卫星转发器接收增益为GR，则接收机输入端载波功率为

已知卫星接收系统等效噪声温度Ts及有效噪声带宽 Bn，则上行噪声功率 Nu=kTsBn［9］。

根据式（4）、（5），可得到上行链路载噪比为

其中玻尔兹曼常数［k］=-228.6dBW/（K·Hz）。

以上是单载波工作时的载噪比计算［10］，而工作在多载波模式时，需要对式（11）修正：

上式中［BO］oe为地球站放大器输出补偿；EIRPES为使转发器饱和时的地球站EIRP。设卫星接收饱和通量密度为SFD=EIRPES-[Lu]+，将其带入式（13）得：

2）下行链路载温比计算

卫星接收到的信号经下变频后放大，发射给地球接收站，此时卫星为发射系统，与上行链路相似，根据上述讨论，可得单载波工作时，下行链路载温比为

式中，EIRPSS为卫星单载波饱和输出功率，［BO］OC为转发器载波输出补偿，GRE为地球站接收天线增益，TE为地球接收站等效噪声温度，其计算公式为［11］

式中LFR为馈线损耗；T0是参考温度，通常为293K；Ta为天线噪声温度。同理，多载波工作时，下行载温比为

其中［BO］O为转发器输出补偿。

3.2 干扰信号

1）交调干扰

卫星转发器和地球站中的功率放大器均为非线性器件，饱和放大多载波时，载波之间会产生大量的互调噪声［12］。亚洲卫星公司提供的计算方法如下。

2）邻星干扰

静止卫星的轨位间距很小，地球站天线会在指向邻近卫星的方向上产生干扰，同时，邻星也会对地面接收天线产生干扰。根据亚洲卫星公司给出的计算方法：

式中GRE为地球站接收天线增益；［BO］IC为转发器载波输入补偿；G0是接收站天线旁瓣对干扰星方向上的增益，通常设为21.45dB。

3）交叉极化干扰

正交极化频率复用时，不同极化的同频载波可能发生相互干扰，这种干扰叫做交叉极化干扰。亚洲卫星公司提供的计算方法如下。

4）其他干扰

在卫星通信系统中，除了前面讨论的交调、极化、邻星干扰外，还有一些干扰分量，如：同频干扰损耗、地面干扰损耗、其他地面设备噪声、地球站功放交调损耗等。为了方便计算，总损耗为以上4项均方和相加，为LRSS≈1dB。

综上讨论，可得链路总载温比为

式中圆括号内的数值表示其真值计算。

3.3 链路余量

链路余量计算公式如下［13］：

载温比门限［C/T］th，与所用的设备、载波调制模式、前向纠错方式和误比特率要求有关，其计算公式如下：

Gc为编码增益，De为设备性能损失，［Eb/N0］为接收端解调器入口单位比特能量噪声功率密度比。

4 实例验证

通过使用中卫1号卫星［14］，以某岸基发射站与我国东海某船通信为例，通过计算分析链路通信是否达到要求。主要参数引用自文献［2］，见下文参数1）～4）。

4.1 链路通信要求

1）载波参数

已知信息速率Rb为8Mbit/s；系统误码率要求为Pe≤1x10-6；采用QPSK调制；前向纠错编码FEC为3/4；设备性能损失De=0.8dB；编码增益Gc=5dB。

2）卫星转发器参数

中卫1号卫星（87.5°E），采用ku频段透明转发器 ；上 行 频 率 14.0GHz～14.5GHz；下 行 频 率12.2GHz～12.7GHz；饱 和 输 出 功 率 EIRPSS=55.39dBW；接收品质因数［G/T］s=3.82dB/K；饱和通量密度SFD为-87.82dBW/m2；转发器带宽BT=72MHz；输入补偿BOI为6dB；输出补偿BOo为3dB。

3）发地球站参数

天线发射增益GT=55.6dBi；发射天线馈线损耗LFT为3dB；上行发射频率fu为14.2GHz；功放输出功率PT=49dBW。

4）收船载站参数

天线口径2m；天线接收增益GRE=34.9dBi；馈线天线罩损耗LFR为1.2dB；天线噪声温度Ta为105K；外部输入噪声温度为45K；下行接收频率fd为12.5GHz；接收端解调器入口单位比特能量噪声功率密度比［Eb/N0］为10.5dB。

4.2 链路计算

1）链路衰减

由式（1）计算得自由空间衰减Lfu=206.6dB，Lfd=206.0dB。由式（2）得大气吸收损耗Lau=0.38dB，Lad=0.45dB。天线指向损耗设为Leu=Led=0.4dB。

晴天时，不考虑雨衰，则雨衰值为0；雨天时，设上、下行链路可用度为99.9%，即p为0.01%，当接收站位于（123.2°E，26.08°N）东海区域，此地为热带季风气候区，海拔高度hS为0km，0℃等温线高度hR为 4.8km，查 表 得 ，a=0.0179，b=1.2076，Rp=100mm/h；同理，可得到发射站 hS为 0km，hR为5.2km，a=0.0165，b=1.1256，Rp=80mm/h［6］。将数据代入式（3），得到上、下行雨衰计算结果：Lru=22.8dB，Lrd=52.3dB。

综上所述，可得上行链路总衰减为：晴天时Lu=207.38dB，雨天时Lu=230.18dB。同理，可得下行链路总衰减：晴天时，Ld=206.85dB，雨天时Ld=259.15dB。

2）链路余量计算

由参数4）得接收机等效噪声温度：T=105/1.2+(1-1/1.2)×293=136.3K，则接收站品质因数为

将以上数据代入式（13）～（15）计算得到各干扰信号载温比：［C/T］IM=-147.5dBW/K，［C/T］ASIu=-141.7dBW/K，［C/T］ASId=-154.35dBW/K，［C/T］XPIu=-138.9dBW/K，［C/T］XPId=-137.9dBW/K。

设晴天时发射站以60dBW的EIRP发射信号，则上、下行载温比为

则可得晴天时总载温比：

门限载噪比为

则链路余量为

同理，可得其他天气条件下的链路总载温比及链路余量，计算结果见表1。

表1 链路计算结果

4.3 实验结果分析

以上分别对上下行链路可能存在的天气状况进行分析计算，可以看出晴天时，当发射站设定EIRP为60dBW时，计算链路余量为0.29dB，可达到链路通信的要求。

当上行或下行链路中有降雨存在时，此时链路中受到一定的雨衰，当发射站设定EIRP为70dBW时，计算链路余量大于零，链路可通。说明当链路受到一定的损耗时，通过适当提高发射站EIRP，也能达到通信要求。

当上下行链路都受到雨衰时，此时链路环境恶劣，余量严重不足，此时发射站功率无法达到通信要求，加大发射功率可能造成“功率掠夺”，因此需重新制定通信方案，以保证链路可通。

5 结语

本文详细考虑了卫星通信过程中可能存在的多种损耗及干扰，发射站及接收站天线特性及相关参数计算，并给出了完整的计算过程，使计算结果更加精确，通过实例计算得出不同环境条件下的载温比、链路衰减及链路余量等参数，验证了该计算方法的可行性。该计算模型可精细计算载噪比及链路余量等参数，帮助卫星通信人员更准确预测链路性能，合理利用卫星资源，对卫星通信组织运用具有指导意义。