衛(wèi)星通信中的常見問題.docx

問題：5、降雨損耗及鏈路可用度6、飽和通量密度7、轉(zhuǎn)發(fā)器的增益8、連路計(jì)算9、系統(tǒng)容量估算5、降雨損耗及鏈路可用度：降雨對(duì)鏈路的影響：降雨會(huì)導(dǎo)致電磁波的散射并且會(huì)吸收無線電波的能量；降雨的衰減量隨著頻率的升高而增加，因此Ku波段的降雨衰減要比C波段嚴(yán)重；水平極化的降雨衰減要比垂直極化的降雨衰減要大；雨衰會(huì)產(chǎn)生噪聲，衰減和噪聲對(duì)衛(wèi)星鏈路性能的影響在上、下行鏈路的雨衰余量中考慮。降雨對(duì)天線罩的影響：對(duì)半球形的天線罩，降雨會(huì)產(chǎn)生一個(gè)厚度不均勻的水層，水層將導(dǎo)致吸收損耗和反射損耗（1mm厚的水層所產(chǎn)生的損耗是14）。降雨會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的去極化：雨滴通過大氣層時(shí)略帶橢圓形，主軸方向?qū)﹄妶?chǎng)分量的影響不同于次軸方向?qū)﹄妶?chǎng)分量的影響，其結(jié)果就是使電波變成了橢圓極化波；對(duì)圓極化波的影響大于線性極化波，為了彌補(bǔ)降雨引起的去極化，需要安裝去極化裝備。鏈路可用度：定義：在一年中的時(shí)間內(nèi)，鏈路的誤比特率不超過一個(gè)給定的門限值的概率，稱為鏈路可用度。因此鏈路可用度表示含義是：一年中經(jīng)過該鏈路傳輸?shù)恼`比特率性能優(yōu)于門限的時(shí)間百分比。為了使鏈路可用度達(dá)到要求，定義一個(gè)門限載噪比和余量，余量包括雨衰余量、系統(tǒng)余量以及設(shè)備余量等，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的載噪比為：。6、飽和通量密度：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器（TWTA）存在輸出功率飽和現(xiàn)象，由此定義：使TWTA達(dá)到飽和時(shí)接收天線所要求的通量密度為飽和通量密度，用表示。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和通量密度也稱為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的靈敏度。如果用表示能使衛(wèi)星接收天線達(dá)到飽和通量密度所要求的地球站的有效全向輻射功率，則有：顯然，這樣，如果知道衛(wèi)星接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)以及系統(tǒng)的工作頻率、各種傳輸損耗，就可以計(jì)算單一載波時(shí)地球站的。7、轉(zhuǎn)發(fā)器的增益：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的三個(gè)主要參數(shù)為、與。和（飽和通量密度）反映衛(wèi)星接收系統(tǒng)在其服務(wù)區(qū)內(nèi)的性能，它們與衛(wèi)星接收天線的增益分布線性相關(guān)。反映轉(zhuǎn)發(fā)器的下行功率，它與衛(wèi)星發(fā)送天線的增益分布線性相關(guān)。衛(wèi)星天線增益隨天線指向與工作頻率而變。因此，轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)隨服務(wù)區(qū)內(nèi)的不同地點(diǎn)而變，同一地點(diǎn)的不同轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)也有差異。特定地點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)可從城市參數(shù)列表或等值線分布圖中查到 。為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（figure of merit）。它是接收天線增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度之比值，單位為。的計(jì)算公式為:式中的為衛(wèi)星天線的接收增益，為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度。飽和通量密度為，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器被推到飽和工作點(diǎn)時(shí)，上行載波在接收天線口面所達(dá)到的通量密度。它反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)上行功率的需求量，單位為。與的關(guān)系為:式中的為反映轉(zhuǎn)發(fā)器增益的計(jì)算常數(shù)，其數(shù)值多在-100與-90之間，越小，轉(zhuǎn)發(fā)器的增益就越高；為轉(zhuǎn)發(fā)器的增益調(diào)整量，它可由地面遙控改變，用于調(diào)整的靈敏度。用戶在作鏈路計(jì)算時(shí)，應(yīng)向衛(wèi)星公司了解相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)器的當(dāng)前設(shè)置值，并且據(jù)此對(duì)從圖表查到的數(shù)據(jù)作修正。有效全向輻射功率為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在指定方向上的輻射功率。它為天線增益與功放輸出功率之對(duì)數(shù)和，單位為。的計(jì)算公式為:式中的為放大器的輸出功率，為功放輸出端與天線饋源之間的饋線損耗，為衛(wèi)星天線的發(fā)送增益。由對(duì)比同一顆通信衛(wèi)星的C頻段分布圖和Ku頻段分布圖可知，C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的服務(wù)區(qū)大，通常覆蓋幾乎所有的可見陸地，適用于遠(yuǎn)距離的國(guó)際或洲際業(yè)務(wù)；Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的服務(wù)區(qū)小，通常只覆蓋一個(gè)大國(guó)或數(shù)個(gè)小國(guó)，只適用于國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)。C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的通常為36到42，通常為-5到+1，地面天線的口徑一般不小于1.8米；Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的通常為44到56，通常為-2到+8，地面天線口徑有可能小于1米。另一方面，C頻段因?yàn)殡姴▊鞑ネǔ２皇軞夂驐l件的影響，適用于可靠性較高的業(yè)務(wù)；Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器則因電波傳播可能遭受降雨衰耗的影響，只適用于建網(wǎng)條件較差、天線尺寸和成本受限的業(yè)務(wù)。8、鏈路計(jì)算： 上行鏈路：A、的計(jì)算公式：一條衛(wèi)星鏈路的上行鏈路是由地球站向衛(wèi)星傳輸信號(hào)的鏈路，即地球站發(fā)送信號(hào)衛(wèi)星接收信號(hào)。端到端的載噪比計(jì)算公式可以用于上行鏈路的計(jì)算，通常用下表U表示這是上行鏈路，因此有：B、衛(wèi)星接收的功率通量密度：在計(jì)算時(shí)，經(jīng)常采用衛(wèi)星接收到的通量密度而不是地球站的，這樣就需要對(duì)上式進(jìn)行修改；僅考慮自由空間傳輸時(shí)，距離發(fā)送天線處的通量密度為：，已知自由空間的傳輸損耗為：，因此，。如果考慮其他損耗傳輸損耗：。增上所述可得：衛(wèi)星接收到的通量密度等于地球站發(fā)送的有效全向輻射功率減去傳輸過程中的損耗（不含饋線損耗）再加上接收天線單位面積的增益。C、飽和通量密度D、輸入補(bǔ)償：當(dāng)TWTA中只有單載波時(shí)可以選擇工作在飽和點(diǎn)，但是TWTA中有多個(gè)載波同時(shí)通過時(shí)，為了減小互調(diào)失真的影響，工作點(diǎn)必須從飽和點(diǎn)推到TWTA傳輸特性的線性區(qū)，將飽和點(diǎn)所需的輸入功率與工作點(diǎn)所需的輸入功率之差稱為輸入補(bǔ)償，用表示。假設(shè)單載波工作時(shí)的飽和通量密度已知，那么根據(jù)單載波的飽和電平可以確定多載波工作時(shí)的輸入補(bǔ)償值。這時(shí)所有地球站的上行的和等于使轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到飽和通量密度時(shí)所需的值減去補(bǔ)償值，即：?？梢杂蔑柡屯棵芏扔?jì)算載波與噪聲譜密度之比：E、地球站高功放HPA：地球站高功放的發(fā)送功率中應(yīng)該包括傳輸饋線損耗。傳輸饋線損耗記為TEL。TEL中包括HPA輸出端與發(fā)射天線之間的波導(dǎo)、濾波器和耦合損耗。HPA的輸出功率由下式計(jì)算：，該式包括了衛(wèi)星所需的輸入補(bǔ)償。此外，地球站本身也可能會(huì)發(fā)送多個(gè)載波，它的輸出需要對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償，記為，這樣地球站的額定飽和輸出功率就由下式給出：。下行鏈路：A、的計(jì)算公式：衛(wèi)星下行鏈路是衛(wèi)星向地球站方向傳輸信號(hào)的鏈路。端到端的載噪比計(jì)算公式為：計(jì)算結(jié)果是地球站接收機(jī)入口的載波與噪聲譜密度之比。如果要計(jì)算載波噪聲功率比而不是載波與噪聲譜密度之比時(shí)，就要用到等效噪聲帶寬。假設(shè)信號(hào)帶寬等于噪聲帶寬,則上式變?yōu)椋築、輸出補(bǔ)償：定義：?jiǎn)屋d波飽和輸出功率與工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率之差。輸出補(bǔ)償值的確定方法：根據(jù)輸入補(bǔ)償?shù)姆秶ǔ鲅a(bǔ)償后的工作點(diǎn)，線性外推至某個(gè)點(diǎn)（該點(diǎn)比飽和輸出功率大5），則該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出功率減5后與補(bǔ)償后的工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率差即為輸出補(bǔ)償。如果飽和條件下衛(wèi)星的輸出定義為，則有： ，并且的計(jì)算公式變?yōu)椋?。C、衛(wèi)星TWTA的輸出：衛(wèi)星功率放大器通常采用行波管放大器（TWTA），必須提供包括發(fā)送饋線損耗在內(nèi)的發(fā)射功率。這些饋線損耗來自TWTA與衛(wèi)星天線之間的波導(dǎo)、濾波器及耦合器。TWTA的輸出功率為: 。一旦的值確定，那么就可以計(jì)算TWTA的包和功率輸出值：。9、系統(tǒng)容量估算：衛(wèi)星系統(tǒng)容量是指滿足一定約束條件的前提下，系統(tǒng)支持同時(shí)發(fā)射的載波數(shù)。系統(tǒng)容量主要與要求的傳輸質(zhì)量、帶寬擴(kuò)展因子、系統(tǒng)抗干擾能力以及地球站的傳輸能力等因素有關(guān)。衛(wèi)星系統(tǒng)信道容量受到熱噪聲和同頻干擾的影響而損失。通常情況下，產(chǎn)生干擾的主要原因有：多頻干擾和臨波束干擾以及多衛(wèi)星的同頻干擾。在用戶端上行鏈路中，設(shè)系統(tǒng)的一個(gè)波束內(nèi)具有（13）個(gè)子頻帶，用戶密度為，波束內(nèi)一個(gè)子載波能提供的用戶數(shù)為，則,是此波束覆蓋的小區(qū)面積，在功率控制下，衛(wèi)星接收天線將不同用戶的信號(hào)功率控制為同一的量值。這就使得在本小區(qū)內(nèi)部，其他用戶對(duì)被度量的用戶干擾功率也得到了“補(bǔ)償”，放大了，進(jìn)而得到同一小區(qū)內(nèi)部被度量的用戶受其他用戶干擾（僅考慮同一子頻帶上的用戶）的功率為：，其中為平均話音激活率。周圍其他小區(qū)內(nèi)的用戶信號(hào)因?yàn)楣β士刂埔蜃右驳玫搅朔糯螅瑢?duì)于他們自己波束的接收天線來說，也補(bǔ)償?shù)搅讼嗤β?。衛(wèi)星干擾示意圖如下圖所示：圖1:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾設(shè)和分別為被度量的用戶和干擾方波束的天線特性增益。對(duì)于被度量的用戶，這些用戶發(fā)出的干擾功率變?yōu)椋浩渲袨槠渌^(qū)接收到干擾用戶信號(hào)后，采用功率控制并等效至干擾方波束中心，得到其對(duì)被度量用戶的干擾積累。由于較遠(yuǎn)距離的干擾可以忽略，這里只考慮臨近范圍內(nèi)的所有干擾功率。從而得到干擾因子：。需要說明的是，衛(wèi)星系統(tǒng)用戶上行波段天線并不是蜂窩形狀的，其形狀如圖2所示。波束間交界處的衰減為24。圖2:方位角（度）在圖1中，干擾信號(hào)上行夾角，干擾徑向小區(qū)邊緣上行夾角，可將被度量的用戶小區(qū)內(nèi)的天線特性增益用地面距離表示：，其中徑向干擾小區(qū)周圍的衰減，滿足。由于和，上式可變?yōu)椋?。將單位轉(zhuǎn)換到線性單位：。同樣干擾方在自己波束內(nèi)的天線特性增益為：。則干擾因子可變?yōu)椋?。通過以上分析，得到被度量的用戶受到其他用戶的總干擾為：。對(duì)于子載波帶寬（是擴(kuò)頻比，是信息速率）和干擾功率（是信息比特能量），總干擾的功率密度為：?？紤]到各種噪聲的功率密度，則得到一個(gè)子頻帶內(nèi)可供使用的信道量：。設(shè)一個(gè)波束內(nèi)有個(gè)子載波，一顆衛(wèi)星具有個(gè)波束，一個(gè)波束的有效帶寬為，則一顆衛(wèi)星的可供信道量為：。需要說明的是，對(duì)于前向鏈路下行信道，由于信號(hào)源子一個(gè)同一的衛(wèi)星或關(guān)口站，碼分復(fù)用能夠很好地實(shí)現(xiàn)碼片同步。微型系統(tǒng)下行鏈路利用導(dǎo)頻信道和擴(kuò)頻碼同步信道，各用戶的擴(kuò)頻序列（Walsh碼）具有良好的自相關(guān)性（雖然相臨的衛(wèi)星仍會(huì)產(chǎn)生部分干擾），信號(hào)接收能夠保持在有效信干比門限以下。所以，系統(tǒng)的下行信道干擾比上行時(shí)的情況要輕得多。假定小區(qū)內(nèi)的來話量服從泊松分布，來話到達(dá)率為常數(shù)，來話的持續(xù)時(shí)間為，從而小區(qū)的通信容量為：。根據(jù)一個(gè)子頻帶內(nèi)可供使用的信道量的公式容易得到一個(gè)波束（小區(qū)）的可供信道量，話務(wù)阻塞率滿足Erlang-B公式：。實(shí)際通信容量應(yīng)小于，故小區(qū)內(nèi)的通信效率為：。在阻塞率一定的