卫星通信系统中功率控制的设计分析

中国电子科技集团公司第五十四研究所 姚涉

卫星通信系统中有很多的组成部分，其中最主要的两个部分是卫星以及地球站。地球站利用电磁波将信息传送到卫星上，卫星再将接收到的信息转送到另一个地球站，实现两个地球站之间的信息互传，这是卫星通信系统的重要作用之一。但是在这个过程中为了使得信息的传送更加精准就需要对卫星系统进行功率控制，以确保信息在传送中的一致性。

1 卫星通信系统以及功率控制含义

卫星通信是一个庞大的系统，在进行高效运转的过程中需要多个设备进行协调配合，才能实现最好的效果。当下社会经济的快速提升，促进了我国卫星通信的发展和完善，在大量信息进入到卫星系统之后，如何科学高效的对信息展开分类整理成为了目前卫星通信中的重大难题之一。在卫星通信的系统中可以根据信息的种类和来源进行分类储存和传送。

在卫星系统的通信过程中会涉及到功率控制[1]。所谓功率控制主要是在地球站和卫星发射信息的环节，合适的功率可以保证信息的准确度和完整性，还能减少电磁波，从而实现节能的目标。在卫星通信系统工作的时候，功率控制要在确保对接端设备完好以及信号接收强度高于接收电平门限的前提下开展，这是发挥功率控制在卫星通信中最大作用的重要基础，同时也是保证信息发送中减少对周围通信系统产生干扰的有效办法。对于卫星通信系统的整体而言，功率控制是其中一项重要的内容，将功率控制在一个合适的强度可以促进卫星系统的良好运转。相反则会导致卫星通信功能在信息传送中出现误码、误帧，从而使得卫星系统通信质量下降。减少卫星发射中的电磁波是一个长期的探索创新过程，目前现有的技术限制着电磁波使用量。使用合适的功率控制设备，将卫星通信过程中的功率控制在一个特定的数值范围内，从而充分发挥卫星通信在数据传递以及信息交流中的最大价值。

2 卫星通信系统中功率控制的重要意义

卫星通信系统其实是一种微波通信，通过卫星转发微波信号，在不同地面之间实现通信，可以实现地面的无缝隙覆盖。卫星通信对地面设备的发射功率要求较高，因此，在使用过程中要做好功率控制工作才能保证卫星通信的正常运转和使用。随着互联网技术的快速发展，网络终端和业务类型不断增加，宽带业务的应用越来越广泛，传统的波段已经不能满足宽带业务的需求，Ka波段成为宽带业务的主要发展趋势，但是Ka波段容易受空气以及环境的影响，出现信号的衰减，功率控制可以很好的解决这一问题。功率控制方法研究的重点是卫星信道衰落对信号功率的影响，提高卫星通信系统的误码性能。因此，在卫星通信系统中通过功率控制方法可以有效的提高卫星通信系统的容量，保证卫星通信系统的资源得到有效的利用，对卫星通信系统有重要的意义。

另外，卫星通信系统由星载转发器和功率放大器组成，功率放大器可以直接线性的提高传输信号的传输功率。但是功率放大器也具有非线性的特点，使信号在传输过程中产生失真的情况，可以通过预失真方法来改善功率放大器所产生的非线性特性，提高卫星通信系统整体的误码性。功率控制方法可以很好的改善卫星通信系统的业务质量，控制卫星通信系统的衰减现象。

3 卫星通信系统中进行功率控制的系统分析

（1）上行发射信道的分析。在站内上行卫星信号的发射线路中，地面站是影响上行功率的重要设备。如图1所示，其中包含卫星天线、高频功率放大器以及调制器和上行处理设备等。通过地球站内上行卫星的发射线路，就可以获取某调制发射器在信息发射时天线的出口位置所对应的具体电平值。经过一定的计算可知，调制器的电平值和上行电平值之间存在着线性正相关的联系[2]。这种情况下就可以采用调节调制器的输出电平数值，对地面站的发射功率进行调节。地球站的天线增益以及发射功率以及地理位置等都会对卫星接受端电平值产生影响。比如：在出现雨雪等天气的时候，卫星系统在收发信息的时候就会受到影响，其中功率控制也会出现波动，从而影响信息的传送准确性以及及时性。对于上行的发射信道来讲，一旦卫星的信息接收端出现较大波动的时候，上行信号的接受质量就会明显降低。另外，因为上行信道有着多个连接站点，各个站点之间具有不同的发射功率以及地址地理位置，有的时候下行链路功率控制较好，并且接受的信息质量较高，但是在进行信息发送的时候功率控制不到位，就会影响信息的发送质量。因此，在卫星的通信过程中一定要将功率控制在一个合理的范围，才能实现高质量的接收和发送信息。针对卫星通信中存在的功率控制问题，提高对当地环境以及天气状况的判定，利用可调节的星载调节器，针对不同的环境设置不同的控制功率。例如：恶劣环境中可以增加发送功率，这是因为恶劣环境会影响卫星的信息接收以及发送能力。

图1 上行卫星信号发射线路Fig.1 Uplink satellite signal transmission line

（2）空间当中的射频链路分析。在卫星系统进行信息传输的过程中，传输链路从地球站发射之后，经由上行信号链路再传送到转发器中，然后对信息进行放大处理，再经由下行信号链路转送到另外的地球站的接收端。其中需要重点说明的是，在卫星通信系统中空间射频链路有上行链路以及下行链路和转发器组成。对通信性能产生重要影响的是转发器的发射效果、接收增益以及下行和上行传输阶段所产生的损耗和传输阶段出现的噪声干扰等。如果要对卫星通信的传输途径进行定量计算，需要对极化误差损耗、传输损耗、大气损耗、降雨损耗、天线跟踪误差损耗等所有损耗在链路中进行全面分析。卫星通信的覆盖范围较大，所以不同区域之间的ERIP值和G/T值有所不同。为了计算空间链路就需要结合ERIP和 G/T值的分布图，从而确定上行以及下行链路中各自的场强补偿图。区域之间的差异性会影响上行以及下行链路增益，可以通过功率控制和补偿来达到均衡。在进行实验计算之后可知，补偿场强后各个区域空间中的链路增益趋于相同[4]。

（3）下行信号接收链路分析。地面站接收电平的设备包含卫星天线、低噪声放大器、下行处理装置和下变频器等。在下行链路的功率控制中，因为地球站和卫星的距离相对较远，导致信息发送的过程和时间比较长。通信信号质量在下行链路工作中容易受到天气的影响。为了地球站能稳定工作，并且减少环境变化对其产生的影响，通常选择使卫星通信系统在最大发射功率状态下运行。因为地球站的接收信道和天线增益差异不同，因此，不同接收站的工作频段和最大速率也不尽相同，这就需要对电平进行合理分配。解调器拥有自动增益控制功能之后，在下行链路中，可以通过控制功率，减少天气对卫星通信的不利影响，提高卫星通信系统对恶劣环境的适应能力。但是下行链路中受到电波的影响较大，只能减少环境对此产生的影响，却不能完全消除。采用FEC技术适当增加冗余校验信息，降低系统的误码率，从而最大限度减少恶劣环境对卫星通信质量的影响。

4 在卫星通信系统中开展功率控制研究条件背景分析

功率控制在卫星通信系统的运行中发挥着重要的作用。目前信息能够实现快速传播，并且传播速度明显加快，同时准确度也得到明显提升。呈现这一效果的原因在于卫星通信系统对功率控制能力的增强。第一颗通信型卫星在美国发射成功，早期此卫星服务于商务活动，技术水平也只能实现短途短时的信息传输。但是第一颗卫星的成功发射给人类带来了很大的信心，促进了卫星通信事业的发展和进步。卫星系统能够将一个完整且透明的信息传递到另一个地方，例如：在发生灾难等公共事件的时候，信息传递效率很低，不利于信息的快速传播。然而利用卫星通信技术就能够快速实现大范围的信息传播，从而减轻灾难程度。尤其近些年，网络技术的快速发展为卫星通信系统的发展带来了新的生机和活力，随着人们对通信要求的提高，传统的通信技术已经不能满足当今人们的生活需求，这就为卫星通信系统提供了机会。通过完善卫星通信系统中的功率控制能力，将宽带与不同的接送端进行连接，从而提升通信质量和效率，还能帮助卫星通信扩大其业务范围。目前低波段卫星通信因为使用过多，呈现出市场饱和的现象，这也是通信卫星系统中的瓶颈环节。为了更好的解决低波段市场饱和情况，在卫星通信中利用功率控制的方法，实现卫星系统升级，突破现有发展瓶颈[5]。

5 卫星通信系统进行功率控制的具体实施步骤

目前卫星通信系统中，大多数链路层没有准确的定量计算方法，这就需要借助于系统校准比对功能，并对发送的电平值进行科学计算，从而有效控制卫星链路的功率。

5.1 校准工作

对卫星通信系统进行功率控制是一项技术含量高的工作，尤其在信息的接收和发送重要信息时保证高度准确性，因此需要卫星通信系统具备高效的校准工作。对卫星通信系统进行校准工作主要是利用校准电平来完成的。对电平进行校准主要包含两方面内容：接收电平校准和发送电平校准。接收电平校准首先要对接收信号的底噪进行校准，确保卫星通信系统内的所有解调器的入口底噪满足解调器性能，并且还要对地面接收站的信号接收能力进行校准。网控中心会不断的发送TDM信号，各个地面站接收到信号后会将时时电平值经过ALOHA传送到网控中心。除此之外，网控中心通过地球站获得的下行信号链路相应增益的补偿数值，进而得到地球站对应的接受增益的补偿数值，网控中心通过接收地球站发出的信号来校准地球站的功率，对地球站调制器的发送电平进行调整。与此同时，发送电平当中囊括网控中心下行信号链路的增益补偿以及地球站上行信号链路的增益补偿等，所以能够得到地球站调制器所发出的基准电平值，其能够将地球站发送性能反映出来。

5.2 计算电平

在卫星通信环节，地面地球站发送电平包含基准电平值、地球站下行信号链增益补偿值、接受增益补偿值、上行信号增益补偿值。因此在地球站需要在固定周期内（每三个月）进行一次电平校准，以保证计算的精准性和有效性[6]。

5.3 控制功率

利用计算所得来发送电平属于开环值，但只能保证双方之间实现通信。在初期通信双方按照实际通信的效果，进行闭环互调操作。因此地球站要严格控制发送功率并落实以下两点。首先，按照地球站发送电平对调制器的相应发送电平展开计算；其次通信双方按照最终的效果进行功率互调操作。卫星在传输中会有较大延迟性，因此需要利用闭环算法，并且结合微分+比例控制器，才能将调节环节中可能出现的问题进行有效解决，以保证卫星通信系统的稳定工作。

5.4 检查改进

将功率控制设计方案应用到具体的卫星通信系统中，系统内的转发器底噪有了明显的降低，而且信号整体都比较稳定，经过几个月的观察，应用设计方案后的通信系统的效果相比之前有了较高的提升。

6 结语

通过对卫星通信系统的全面分析，尤其是对空间链路以及上下行信号链路的分析，可以利用科学的方法获得需求的功率电平。还能够按照不同的功率控制实现校准电平、计算电平和控制功率等作用。在卫星通信系统的运行中也要重视检查改进，以确保卫星通信系统能够在安全稳定的状态下运行，促进行业的发展和进步。

引用

[1] 陈鹏,吴成杰,朱俊清,等.卫星通信系统中功率控制的设计分析[J].数字通信世界,2022(3):66-68.

[2] 吴必旗,宋颖.卫星通信系统中功率控制的设计分析[J].无线互联科技,2020,17(19):9-10.

[3] 杨仁庆,杨清森,许陵,等.卫星通信系统中功率控制的设计实现[J].数字通信世界,2019(12):11-12.

[4] 熊晨旭,韦妙云,唐胜达.基于事件驱动的通信卫星传输功率的最优控制[J].广西师范大学学报(自然科学版),2019,37(4):94-102.

[5] 熊晨旭.基于事件驱动的卫星通信系统建模与传输功率优化控制[D].桂林:广西师范大学,2019.

[6] 李朝辉,娄景艺,屈晓旭.基于MCPC/FDMA卫星通信网络的功率控制优化算法[J].通信技术,2017,50(7):1437-1442.