CN104219766A - 柔性转发卫星系统非均匀信道链路增益确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，包括：资源分配和链路参数设置，计算不同工作点条件下链路增益，判断链路是否可通，选择转发器最佳工作点，计算地面上行终端EIRP值和链路增益等步骤。本方法能简单快速地确定柔性转发卫星通信系统非均匀信道的链路增益，有效提高系统容量和功率资源利用率。

Description

柔性转发卫星系统非均匀信道链路增益确定方法

技术领域

本发明属于卫星无线通信技术领域，特别是涉及一种柔性转发卫星系统非均匀信道链路增益确定方法。 

背景技术

随着卫星通信多波束、多业务的不断发展，现有星上转发方式在实现大容量宽带非均匀通信业务交换的能力上均存在一定的限制：透明转发方式简单灵活，但交换固定，容易造成频率资源浪费；再生转发方式系统容量高，但灵活性低，设备实现复杂度高。近年来，柔性转发器作为一种高效的星上交换有效载荷，通过数字信道化技术，可以完成任意信道间信号的灵活路由交换与信道增益调整，已受到各国很大的关注。 

对于采用柔性转发有效载荷的卫星通信系统，信道化技术可以将转发器细分为若干子信道，运用非均匀信道增益调整的思想独立设置每条子信道增益，在数字域进行链路损耗的补偿，很好地解决转发器高功放非线性效应产生的大载波抑制小载波问题，使各个信道尽量满足通信链路的增益需求，从而提高系统容量和功率资源利用率。目前，基于数字信道化技术的柔性转发器已经在一些商用和军用卫星系统中得以应用，并且成为这些卫星有效载荷上的关键和核心技术，其中最具代表的美军宽带全球卫星通信(WGS)系统。 

非均匀信道增益调整是基于数字信道化的柔性转发器的一个重要问题。非均匀信道增益的概念由Marshall和Heissler首次提出，通过单独设置每条链路信道增益，分析卫星链路可支持性，提高系统容量。但是信道增益都是预先设定的，其没有给出信道增益的具体求解方法，而且分析过程涉及到矩阵的求逆，计算繁琐。Marshall和Jo采用拉格朗日乘子(Lagrangian Multiplier,LM)的优化算法，在最小化转发器输出功率准则下求解各信道增益，但都只考虑以最小化转发器输出功率来降低各地面终端的上行EIRP，忽略了转发器功率利用率问题。阳志明和曹志刚提出了一种最大最小化模型，利用基于可变邻域搜索(Variable Neighborhood Search,VNS)的算法求解信道增益，通过缩小转发器中各载波功率之间的差别，使其尽可能平衡，从而实现上推转发器工作点，提高转发器的功率利用率，但是该算法在优化设计时对初始值的设置敏感，面对大规模卫星通信链路时，优化参数增多，实现过程复杂。John J采用非优化的方法，通过直接求解线性等式计算各子信道增益，避免了算法求解过程中的矩阵求逆，但是该算法将功率放大器理 想化，没有考虑非线性的影响。 

总之，现有技术对柔性转发卫星系统中非均匀信道链路增益的确定存在涉及参数多、实现过程复杂、计算量大的问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性转发卫星系统非均匀信道链路增益确定方法，能简单、快速地计算卫星链路的信道增益，有效提高系统容量和功率资源利用率。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，包括如下步骤：为每条卫星链路分配转发器子信道资源，确定地面收发站天线参数、接收载噪比门限c_i和每个发射终端可提供的EIRP值；根据信道分配和卫星链路参数设置，在转发器最小输出功率准则条件下，选择地面站天线最大可提供EIRP值作为发射功率，计算不同工作点条件下链路增益；根据链路增益判断链路是否可通，否则返回资源分配和链路参数设置步骤；在链路可支持性条件下，根据不同工作点情况下的链路增益和上行输入功率，选择转发器最佳工作点；根据最佳工作点，计算地面上行终端EIRP值和链路增益，通过馈电电路发送设置每条通信链路信道增益； 

本发明与现有技术相比，其显著优点： 

1、简单快捷：利用增益函数直接计算每条链路增益，避免了复杂的优化算法以及矩阵求逆；在最小转发器输出功率准则下，尽可能的使用地面发射站最大EIRP值作为发射功率，减少了求解参数，适合求解任意数量链路增益； 

2、性能较好：通过选取转发器最佳工作点，使其靠近饱和点，可以提高卫星系统功率利用率；每条链路单独设置信道增益，克服了大载波抑制小载波问题，降低了功放非线性影响； 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1是本发明柔性转发卫星系统非均匀信道链路增益确定方法流程图。 

图2是图1中计算不同工作点条件下链路增益流程图。 

图3是图1中计算地面上行终端EIRP值和链路增益流程图。 

图4是柔性转发卫星系统结构示意图。 

图5是链路可支持性曲线图。 

图6是非线性条件下链路增益函数曲线图。 

图7是非线性效应度量曲线图。 

图8是算法性能仿真曲线图。 

图9是本发明方法与其它算法的链路可支持性与系统容量比较。 

图10是本发明方法的功率利用率仿真结果比较。 

图11是本发明方法与透明转发系统链路增益设置比较。 

具体实施方式

如图4所示，是柔性转发卫星系统结构示意图。该柔性转发卫星系统中有一个柔性转发卫星和多个地面收发站，单个转发器具有N个子信道，每个子信道增益可以单独配置，且一个转发器中只有一个高功放，收发站之间有M条通信链路。下面以WGS卫星参数配置为例，来说明本发明。 

如图1所示，本发明柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，包括如下步骤： 

11）资源分配和链路参数设置：为每条卫星链路分配转发器子信道资源，确定地面收发站天线参数、接收载噪比门限c_i和每个发射终端可提供的EIRP值； 

EIRP为有效全向辐射功率（Effective isotropic radiated power）。 

根据用户申请，为每条通信链路分配转发器信道资源，一个大载波需要分配若干个子信道，而多个小载波可以容纳在一个子信道中。同时确定收发站天线参数、发射站天线可提供上行EIRP值，以及根据接收端天线确定链路接收载噪比门限c_i。计算自由空间传播损耗，将上行发射EIRP值转化为卫星接收端链路输入功率。 

12）计算不同工作点条件下链路增益：根据信道分配和卫星链路参数设置，在转发器最小输出功率准则条件下，选择地面站天线最大可提供EIRP值作为发射功率，计算不同工作点条件下链路增益； 

如图2所示，计算不同工作点条件下链路增益（12）步骤具体为： 

21）选择发射站天线的发射功率：选择发射终端可提供EIRP值为发射站天线的发射功率； 

根据转发器最小输出功率准则，为了保证转发器输出功率最小，所以选择发射站天线的发射功率为最大可提供EIRP值。 

22）计算不同工作点条件下链路增益： 

$G_{n\left(i\right)}=\frac{c_i{f}_i\left(z\right)+c_i\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}{x}_j{G}_{n\left(j\right)}}{x_i-k{T}_s{c}_i}$

$f_i\left(z\right)=\left(\frac{g\left(z\right)h\left(z\right)P}{B}\right)+k{T}_i{b}_{i}g\left(z\right)$

其中，k为Boltzmann常数，k=1.23×10^-23J/K；T_s为转发器等效输入噪声温度，T_i为地面接收终端等效输入噪声温度，单位为K；G_n为第n个子信道增益，单位：dB；n(i)表示子信道n分配给链路i，x_i为卫星天线接收端链路i输入功率，单位：W；b_i为下行链路损耗，单位：dB，△_ij是转发器中信号i与信号j产生的谱混叠分量，无量纲；P为转发器饱和功率，单位：W；B为整个转发器带宽，单位：Hz；z为转发器工作点，g(z)为转发器非线性增益压缩函数，h(z)为交调特征函数； 

23）如果链路增益G_i<G_min，那么设置链路增益为转发器最小提供增益，G_i=G_min，计算链路输入功率： 

$x_i=k{T}_s{c}_i+[\underset{j\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{ij}}{x}_j{G}_{n\left(j\right)}+f_i\left(z\right)]c_i/G_{\min }$

其中，G_min表示转发器最小可提供增益； 

24）如果链路增益G_i>G_max，那么设置链路增益为转发器最大可提供增益，即G_i=G_max，计算链路输入功率： 

$x_i=k{T}_s{c}_i+[\underset{j\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{ij}}{x}_j{G}_{n\left(j\right)}+f_i\left(z\right)]c_i/G_{\max }$

其中，G_max表示转发器最大可提供增益； 

25）计算发射端上行EIRP值： 

EIRP=X_i+L-G_r(dB) 

其中，X_i表示输入功率x_i的dB值，L为自由空间传播损耗，G_r为卫星接收天线增益。 

13）判断链路是否可通：根据链路增益判断链路是否可通，否则返回资源分配和链路参数设置（11）步骤； 

所述判断链路是否可通（13）步骤具体为： 

31）当G_min<G_i<G_max时，链路可通； 

32）当G_i>G_max时，链路输入功率增大，随之地面站所需发射功率增大，且大于实际可提供最大发射功率，即对于给定的收发地面站参数及链路载噪比条件，链路不可通，返回步骤（11）重新分配子信道资源； 

33）当G_i<G_min时，上行EIRP值小于可提供最大EIRP值，链路可通。 

14）选择转发器最佳工作点：在链路可支持性条件下，根据不同工作点情况下的链路增益和上行输入功率，选择转发器最佳工作点； 

所述选择转发器最佳工作点（14）步骤具体为： 

41）根据链路可支持性条件，选择可通的通信链路计算转发器高功放非线性效应度量值： 

$\mathrm{MEHPAN}=|z-\frac{1}{P}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i{G}_{n\left(i\right)}+k{T}_s\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_n{B}_n)|$

其中，MEHPAN为转发器高功放非线性效应度量，M为卫星链路总数，N为转发器子信道总数，B_n表示第n个子信道带宽； 

42）根据不同工作点条件下的非线性效应度量值，选择最小值时的转发器工作点作为最佳工作点。 

15）计算地面上行终端EIRP值和链路增益：根据最佳工作点，计算地面上行终端EIRP值和链路增益，通过馈电电路发送设置每条通信链路信道增益； 

如图3所示，计算地面上行终端EIRP值和链路增益（15）步骤具体为： 

51）以最佳工作点的发射站天线EIRP值作为链路终端最优发射功率； 

52）计算卫星天线接收端链路输入功率： 

X_i=EIRP-L+G_r(dB) 

53）计算最佳工作点处每条链路增益： 

$G_{n\left(i\right)}=\frac{c_i{f}_i\left(z\right)+c_i\underset{j\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{ij}}{x}_j{G}_{n\left(j\right)}}{x_i-k{T}_s{c}_i}$

54）根据最小转发器输出功率准则，计算链路可支持条件下每条卫星链路使用的转发器功率P_i和转发器总功率P_T： 

$\begin{array}{c}{P}_i=x_i{G}_{n\left(i\right)}/g\left(z\right)+k{T}_s{B}_i{G}_{n\left(i\right)}/g\left(z\right)\\ =k{T}_s{G}_{n\left(i\right)}(c_i+B_i)/g\left(z\right)+(\frac{h\left(z\right)P}{B}+k{T}_i{b}_i)c_i\end{array}$

$\begin{array}{c}{P}_T=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_{n\left(j\right)}(x_j+k{T}_s{B}_j)/g\left(z\right)\\ =\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}k{T}_s{G}_{n\left(j\right)}(c_j+B_j)/g\left(z\right)+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[(\frac{h\left(z\right)P}{B}+k{T}_j{b}_j)c_j\right]\end{array}$

其中，k为Boltzmann常数，k=1.23×10^-23J/K；T_s为转发器等效输入噪声温度，T_i为地 面接收终端等效输入噪声温度，单位为K；G_n为第n个子信道增益，单位：dB；n(i)表示子信道n分配给链路i，x_i为卫星天线接收端链路i输入功率，单位：W；b_i为下行链路损耗，单位：dB，△_ij是转发器中信号i与信号j产生的谱混叠分量，无量纲；P为转发器饱和功率，单位：W；B为整个转发器带宽，单位：Hz；z为转发器工作点，g(z)为转发器非线性增益压缩函数，h(z)为交调特征函数。 

该方法通过子信道增益非均匀设置解决高功率放大器非线性产生的大小载波抑制和交调干扰问题，设置发射终端最大可提供EIRP值为最优发射功率，可以满足转发器输出功率最小准则，并采用简单的非线性等式即可得到每条链路增益，在满足链路可支持性情况下提高卫星系统容量。同时通过高功放非线性效应度量选取转发器最佳工作点，可以提高转发器功率利用率。 

图5给出了链路可持续曲线。从图中可以看出，对于每条通信链路，随着地面站上行发射EIRP值得增大，链路增益随之减小，并且在链路可支持曲线范围之上的值均可以保证链路可通。 

图6给出了非线性条件下链路增益函数曲线图。对于不同的转发器工作点，在地面发射站最大EIRP（有效全向辐射功率，Effective isotropic radiated power）值时，可以得到不同的链路增益。 

图7所示为非线性效应度量曲线图。用来确定转发器最佳工作点的设定。选取转发器非线性效应度量最小值，对应z值即为转发器最佳工作点，此时功率利用率最高，从而在确定转发器最佳工作点条件下便可以得到链路最佳输入功率与增益值。 

图8a—8c给出了本发明和其他几种算法的性能对比曲线。 

从图8a中MVCNIRC（载噪比约束违反度，描述链路可支持性）曲线可知，尽管所有的链路载噪比都满足系统设计要求，但是LM（拉格朗日乘子，Lagrangian Multiplier）算法以及本文DS（直接计算，Direct Solve）算法与VNS（基于可变邻域搜索，Variable Neighborhood Search）算法相比，链路载噪比余量很小，系统在此配置下链路鲁棒性以及稳定性可能不如VNS算法。 

观察图8b中MEHPAN（转发器高功放非线性效应度量，描述转发器功率利用率）曲线可知，本发明方法下转发器非线性效应与VNS算法相当，略大于VNS算法，但与LM算法相比，均小于LM算法下转发器非线性效应影响，表明该算法获得了较好的功率利用率。 

观察图8c中OBIOBJFV（目标函数值，描述算法的优劣性能）曲线可知，本发明方法求解得到的目标函数值介于LM算法和VNS算法的目标函数值之间，说明本算法找到的解相对较优。更为关键的是在2英寸口径终端发射功率小于5W时，LM算法无法找到转发器最小输出功率目标准则下的最优解，但是VNS算法及本发明方法可以找到相对最优解。通过仿真分析，本方法较LM算法在性能上有较大优势，但相对于VNS算法而言，性能有所差距。然而在计算实现复杂度方面，本发明算法在求解过程中大大减少了优化求解的参数，通过简单的非线性公式即可求解得到系统链路相对较优解，对大容量链路卫星系统进行链路可支持性分析求解链路增益时方法更优。 

图9给出了本发明和其他方法的链路可支持性与容量分析比较。从图中可以看出，本发明方法在2英寸口径终端取不同的上行发射功率EIRP值时，几种链路全部可通，与VNS优化算法具有相同的系统容量，且均比LM算法提高25%。由图10可知，本发明方法下，转发器总的下行功率与VNS算法基本相同，较LM算法提高了约0.26dBW，功率增量约为6.2%，VNS算法相比LM算法在转发器功率利用率方面提高8%。 

图11给出了本发明方法与透明转发系统链路增益设置比较。从图中可以看出，随着雨衰的不断提高，采用传统透明转发模式的转发器，链路可用性下降很快，然而在柔性转发卫星系统中，采用本发明方法求解链路增益，在雨衰不超过5db值，链路全部可通。当雨衰值增大到11dB时，本发明方法较传统透明转发卫星有很高的链路可用性。 

Claims (5)

1.一种柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

11）资源分配和链路参数设置：为每条卫星链路分配转发器子信道资源，确定地面收发站天线参数、接收载噪比门限c_i和每个发射终端可提供的EIRP值；

12）计算不同工作点条件下链路增益：根据信道分配和卫星链路参数设置，在转发器最小输出功率准则条件下，选择地面站天线最大可提供EIRP值作为发射功率，计算不同工作点条件下链路增益；

13）判断链路是否可通：根据链路增益判断链路是否可通，否则返回资源分配和链路参数设置（11）步骤；

14）选择转发器最佳工作点：在链路可支持性条件下，根据不同工作点情况下的链路增益和上行输入功率，选择转发器最佳工作点；

15）计算地面上行终端EIRP值和链路增益：根据最佳工作点，计算地面上行终端EIRP值和链路增益，通过馈电电路发送设置每条通信链路信道增益。

2.根据权利要求1所述的柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，其特征在于：所述计算不同工作点条件下链路增益（12）步骤具体为：

21）选择发射站天线的发射功率：选择发射终端可提供EIRP值为发射站天线的发射功率；

22）计算不同工作点条件下链路增益：

 

其中，k为Boltzmann常数，k=1.23×10^-23J/K；T_s为转发器等效输入噪声温度，T_i为地面接收终端等效输入噪声温度，单位为K；G_n为第n个子信道增益，单位：dB；n(i)表示子信道n分配给链路i，x_i为卫星天线接收端链路i输入功率，单位：W；b_i为下行链路损耗，单位：dB，Δ_ij是转发器中信号i与信号j产生的谱混叠分量，无量纲；P为转发器饱和功率，单位：W；B为整个转发器带宽，单位：Hz；z为转发器工作点，g(z)为转发器非线性增益压缩函数，h(z)为交调特征函数；

23）如果链路增益G_i<G_min，那么设置链路增益为转发器最小提供增益，G_i=G_min，计算链路输入功率： 

其中，G_min表示转发器最小可提供增益；

24）如果链路增益G_i>G_min，那么设置链路增益为转发器最大可提供增益，即G_i=G_min，计算链路输入功率：

其中，G_max表示转发器最大可提供增益；

25）计算发射端上行EIRP值：

其中，X_i表示输入功率x_i的dB值，L为自由空间传播损耗，G_r为卫星接收天线增益。

3.根据权利要求1所述的柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，其特征在于：所述判断链路是否可通（13）步骤具体为：

31）当G_min<G_i<G_min时，链路可通；

32）当G_i>G_min时，链路输入功率增大，随之地面站所需发射功率增大，且大于实际可提供最大发射功率，即对于给定的收发地面站参数及链路载噪比条件，链路不可通，返回步骤（11）重新分配子信道资源；

33）当G_i<G_min时，上行EIRP值小于可提供最大EIRP值，链路可通。

4.根据权利要求1所述的柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，其特征在于，所述选择转发器最佳工作点（14）步骤具体为：

41）根据链路可支持性条件，选择可通的通信链路计算转发器高功放非线性效应度量值：

其中，M为卫星链路总数，N为转发器子信道总数，B_n表示第n个子信道带宽；

42）根据不同工作点条件下的非线性效应度量值，选择最小值时的转发器工作点作为最佳工作点。

5.根据权利要求1所述的柔性转发卫星通信系统非均匀信道链路增益确定方法，其特征在于，所述计算地面上行终端EIRP值和链路增益（15）步骤具体为： 

51）以最佳工作点的发射站天线EIRP值作为链路终端最优发射功率；

52）计算卫星天线接收端链路输入功率：

53）计算最佳工作点处每条链路增益：

54）根据最小转发器输出功率准则，计算链路可支持条件下每条卫星链路使用的转发器功率P_i和转发器总功率P_T：

其中，k为Boltzmann常数，k=1.23×10^-23J/K；T_s为转发器等效输入噪声温度，T_i为地面接收终端等效输入噪声温度，单位为K；G_n为第n个子信道增益，单位：dB；n(i)表示子信道n分配给链路i，x_i为卫星天线接收端链路i输入功率，单位：W；b_i为下行链路损耗，单位：dB，Δ_ij是转发器中信号i与信号j产生的谱混叠分量，无量纲；P为转发器饱和功率，单位：W；B为整个转发器带宽，单位：Hz；z为转发器工作点，g(z)为转发器非线性增益压缩函数，h(z)为交调特征函数。