CN111181625B - 基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法 - Google Patents

Abstract

基于N‑active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，具体为：(1)根据HTS卫星通信链路上、下行各频段提供的可用频率资源确定馈电波束的频率范围和用户波束的频率范围，设计并核算单个用户波束的工作带宽最大包络BW；(2)确定HTS卫星通信系统中，单个用户波束由几个信关站进行管理；(3)进行HTS卫星载荷前向馈电分路拓扑结构的设计；(4)设计前向馈电分路合成网络拓扑结构；(5)根据前向馈电分路合成网络进行有效载荷方案设计；(6)进行HTS卫星载荷返向链路馈电分路拓扑结构的设计；(7)设计返向链路分路合成网络拓扑结构；(8)根据返向链路分路合成网络进行有效载荷方案设计。本发明在射频领域实现了基于N‑active系统构架的载荷方案。

Description

基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法

技术领域

本发明属于卫星有效载荷技术领域，涉及一种卫星有效载荷的射频域实现方法。

背景技术

高通量通信卫星系统为多波束双跳通信，一般频率规划在Ka频段，近几年馈电链路逐渐向毫米波的Q/V频段发展，以满足高速卫星通信、宽带数字传输等双向卫星多媒体业务。但Q/V频段降雨衰减量大，如果以固定的系统余量去克服衰减的影响，那么晴空时就会造成功率资源的巨大浪费以及通信成本的上升，而在大衰减的情况下又无法得到完全的补偿，使系统性能恶化，甚至造成通信中断。如果采用传统的上行功率调制和自适应编码调整的抗雨衰方式，也只能够提供10～15dB的信道补偿，这些措施也不能满足Q/V频段高通量卫星的可用度要求，所以必须采用其它措施来补偿雨衰。

空间分集技术是解决信道抗雨衰的有效措施，现有高通量卫星通信系统采用N+P的系统构架实现空间分集。该构架中，系统主用N个信关站，有P个备用信关站。每个主信关站管理多个用户波束。当某个信关站因降雨衰减中断时，切换到备份站进行用户波束的通信管理。载荷在实现N+P系统构架时，一般在馈电接入端和发射端增加机械开关组成的环路切换矩阵以实现主备用信关站的选通，Ka频段由切换矩阵引入的损耗会导致G/T和EIRP约有0.5dB左右的下降，Q/V频段由切换矩阵导致的性能下降会进一步上升到0.7dB左右。

在Q/V频段，降雨导致的空间衰减严重，为提升系统可用度增加备份站又造成了投资成本的增加。国际最新研究的N-active智能信关站技术，是一种非常适合Q/V频段抗雨衰的空间分集技术。但N-acitve系统构架为空间卫星载荷的设计增加了极高的复杂度和极大的技术难度，尚未在工程中得以实现。目前国际上有使用数字透明转发(DTP)技术实现N-active系统构架的趋势，但DTP技术需要在数字域在卫星载荷中实现一个用户与多信关站的交换通信，一方面，载荷要从Ka或Q/V馈电频率变换到基带频率的数字域，这种变换操作需要诸多设备。另一方面，实现数字透明转发的信道化交换设备需要处理馈电入站和出站的所有频率，对于超大容量卫星系统处理总带宽在50～100GHz之间，对甚高通量通信系统处理总带宽在200GHz以上，如此规模的带宽处理能力对元器件性能要求、设备重量、功耗、热耗都提出了严苛的考验，制造成本也远远高于一般的HTS通信载荷。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，在射频领域通过分路合成网络技术实现了基于N-active系统构架的载荷方案，该方案在小功率端通过无源拓扑结构实现，既不增加功耗和热耗，也不降低载荷的接收品质参数G/T和发射参数EIRP，使得N-active系统构架在HTS通信卫星中能够实现应用。

本发明的技术解决方案是：基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，包括如下步骤：

(1)根据HTS卫星通信链路上、下行各频段提供的可用频率资源确定馈电波束的频率范围和用户波束的频率范围，设计并核算单个用户波束的工作带宽最大包络BW；

(2)确定HTS卫星通信系统中，单个用户波束由几个信关站进行管理；

(3)根据步骤(1)、(2)的条件进行HTS卫星载荷前向馈电分路拓扑结构的设计；

(4)设计前向馈电分路合成网络拓扑结构；

(5)根据前向馈电分路合成网络进行有效载荷方案设计；

(6)进行HTS卫星载荷返向链路馈电分路拓扑结构的设计；

(7)设计返向链路分路合成网络拓扑结构；

(8)根据返向链路分路合成网络进行有效载荷方案设计。

所述的步骤(2)中，单个用户波束选择由2～N个信关站一同进行管理，N为信关站的总数量。

所述的单个用户波束的带宽被分成N个子带，每个子带的带宽为BW/N，即每个信关站为该用户波束提供一个带宽为BW/N的管理资源。

所述的步骤(3)中进行HTS卫星载荷前向馈电分路拓扑结构的设计，具体为：假设用户波束的频率为F1，它从N个管理该用户的信关站的馈电端进入转发器系统，对于每一个信关站，通过微波多工器，将F1划分为N个子频带，对应频率分别为F1-1、F1-2、F1-3、…F1-N，形成前向馈电分路拓扑结构。

所述的前向馈电分路合成网络拓扑结构或者返向链路分路合成网络拓扑结构采用微波混合桥实现。

所述的前向馈电分路合成网络拓扑结构，具体为：在前向馈电分路拓扑结构的基础上，将N个同频馈电信号进行分配重组，合成N个新的F1信号，新合成的每一个F1信号都由来自N个信关站的馈电信号共同组成。

所述的根据前向馈电分路合成网络进行有效载荷方案设计，具体为：

(51)将N个信关站中每一个信关站接收到的所有用户波束信息都按照不同的极化方式分为左旋圆极化和右旋圆极化两个部分，每部分极化的用户波束信息先通过预选器滤去杂波后送入低噪声放大器进行放大处理；

(52)再将放大后的用户波束信息通过多工器拆分成多个用户子波束，子波束的数量与用户波束的个数要满足：子波束的数量＝用户波束的个数*信关站数目N；

(53)通过分路合成网络将来自不同信关站的同一频率、同一极化方式的用户子波束信息进行组合，形成一个用户波束信息；

(54)将组合后的用户波束信息通过行波管放大器进行信号放大处理，随后送至用户端，完成通信过程。

所述的根据返向链路分路合成网络进行有效载荷方案设计，具体为：

(81)接收到的用户波束信息先通过预选器进行滤波处理后送入低噪声放大器进行放大，随后将放大后的用户波束信息，通过多工器拆分成N份，将不同用户的波束信息进行拆分；

(82)将拆分后的子波束按照用户归属通过合路器进行组合，形成多个用户合成波束，合成波束的数量与用户波束的个数相等；

(83)通过变频器及合路器将用户波束信息进行二次合成，将组合后的用户波束信息通过放大器进行放大处理，随后送至用户端，完成通信过程。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法利用HTS卫星系统用户波束带宽宽的特点，将信号分路的颗粒度扩大，使其在射频上分路、滤波、切换、合成等成为可实现的技术路径。这种方法配置的变频器是DTP的二分之一，对整星的重量、功耗、热耗等资源需求低。另外，当多个信关站总的馈电带宽激增至几十GHz甚至上百GHz时，DTP受限于元器件的性能，需要配置多台设备实现交换功能，导致平台要求极高。而本发明方法不受限于器件，同时研制费用远远低于DTP技术；

(2)本发明利用有效载荷的分路合成网络技术，在射频域实现HTS卫星通信系统中一个用户波束与多个信关站的交换通信，实现多个信关站对单个用户波束的管理。该方法不需要在数字域实现，并且能够在Gbps量级的VHTS系统中，使N-active系统构架成为可实现的技术。应用该项技术的HTS卫星通信系统，当星地链路因天气变化导致馈电链路信道衰减增加，星上载荷配置的分路合成网络技术可以使用户波束与其它信道良好的信关站仍保持通信，从而保证通信不中断，将用户的波束信息受到的干扰减少到最小，系统可用度大幅度提升；

(3)本发明提方法原理清晰、规划简单，一方面支持早期逐渐配置信关站的部署，即系统建立初期地面配置少数几个信关站就可以进行系统运营，后续随着业务量的增加，逐渐配置更多地面信关站接入系统，节省运营成本；一方面能够在系统全部建成后提升系统可用度，保持强降雨时系统通信不中断，用户链路仍然能够通信；最后，通过在合成分路网路的外围配置合适的切换通路，系统构架由N-active灵活转换为N+P系统构架。为运营商及用户在系统建设的初期、中期、后期都能够享受到良好收益和通信服务；

(4)本发明方法将一个用户波束分为多个用户子波束，分别交由多个信关站同时进行管理，将用户信息传递到多个信关站，如果某一个信关站出现链路中断的情况，对于一个用户波束来说只损失了一部分的用户波束信息，但这样并不会导致用户与信关站之间彻底断掉连接，无法通信，可以有效降低系统中断率，提高系统的可用度。

(5)本发明方法，可以将严重雨衰带来的通信信道中断或者损失进行分散化，把连续的损失分散到多个用户子波束中去，避免单个用户波束因遭受通信信道的损失而导致该用户的所有通信全部被中断。由于对每一个用户子波束都进行了频分处理，因而，每一个用户都仍然可以接收到对应的通信信息。保证了用户的通信质量，为用户提供可靠的星上通信服务。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为不同系统构架晴空时用户波束与信关站的对应关系示意图；

图3为两种系统构架在降雨时通信带宽示意图；

图4为本发明的前向馈电分路拓扑图；

图5为本发明前向馈电分路合成网络拓扑结构图；

图6为本发明前向载荷设计方案框图；

图7为本发明的返向链路分路拓扑图；

图8为本发明返向馈电分路合成网络拓扑结构图；

图9为本发明返向载荷设计方案框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

步骤1：首先进行HTS卫星载荷的频率规划。根据卫星通信链路上、下行各频段提供的可用频率资源确定馈电波束的频率范围和用户波束的频率范围，设计并核算单个用户波束的工作带宽最大包络BW。

对于不同的频段，ITU对通信用频率会有相应规定，卫星覆盖的落地区域所在国家也有一定的规定。对于新兴的HTS卫星系统，当馈电和用户都使用Ka频段时，一般29.5GHz～30GHz和19.7GHz～20.2GHz用于用户的上行和下行频率，27.5GHz～29.5GHz和17.7GHz～19.7GHz用于馈电的上行和下行频率。

步骤2：确定HTS卫星通信系统中，单个用户波束由几个信关站进行管理。

在N-active系统中，假设一共有N个信关站，则单个用户波束可以选择由2～N个信关站一同进行管理。如果管理单个用户波束的信关站数量为N，则把单个用户波束带宽分成N个子带，子带可根据需求进行不等带宽划分，为表述方便，以等带宽划分为例，每个子带的带宽为BW/N，即每个信关站为该用户波束提供一个带宽为BW/N的管理资源。

在晴空状态时N+P系统构架和N-active系统构架的比较如图2所示(N＝4)。在突降大雨时，星地信道会受到影响，通信链路的质量会大幅降低甚至链路发生中断。在N+P方案中，假如雨衰导致与卫星通信的信关站出现链路中断现象，则信关站管理的通信信道全部损失，即被管理的整个用户波束全部都会损失，用户终端的网络连接全部断掉无法通信。在N-active方案中，某一个信关站受到降雨衰减的影响时，该信关站管理的通信信道同样会全部损失，但是由于一个用户波束带宽被分成了N个子带，仅受该信关站管理的子带会出现通信中断的情况，而其它信关站的通信信道则不受影响仍然可以正常进行通信，即对于一个用户波束来说只损失了一部分(1/N)的用户波束带宽，仍有(N-1)/N的带宽具备通信能力。

降雨状态时两种方案的比较如图3所示(N＝4)。按照N+P方案进行计算，一个信关站管理多个用户波束，从单个用户波束的角度看，当受到雨衰的影响时，通信链路出现中断现象，那么该波束总容量的损失为100％。按照N-active方案进行计算，假设N＝4，即有4个信关站同时管理同一个用户波束，则在雨衰的影响下，其中一个信关站的通信链路受到影响而被中断，则该用户波束的总容量损失1/4。容易看出，管理一个用户波束对应的信关站的数量N越大，即同时管理一个用户波束的信关站越多，则该用户波束的容量损失就越少。

步骤3：根据步骤1、2的条件进行HTS卫星载荷前向馈电分路拓扑结构的设计。

由步骤1、2可以知道，每个信关站都管理了多个用户子波束，假设从不同信关站馈电端进入转发器系统的信号频率均为F1，通过微波四工器时F1被划分为4个子频带，对应频率分别为F1-1、F1-2、F1-3、F1-4，每个频率对应的带宽可以调整，为描述方便，定义频分后四个通道的带宽相同。对从信关站2、3、4的馈电端进入转发器的F1进行同样的操作，形成如图4所示的前向馈电分路拓扑结构。

步骤4：设计前向馈电分路合成网络拓扑结构。

在前向馈电分路拓扑结构的基础上，将多个同频馈电信号进行分配重组，合成多个新的F1信号。

新合成的每一个F1信号都由来自信关站1、2、3、4的馈电信号共同组成，具体拓扑如图5所示，这种合成网络是通过微波混合桥实现的。

步骤5：根据前向馈电分路合成网络进行有效载荷方案设计。

具体如图6所示，

(51)将N个信关站中每一个信关站接收到的所有用户波束信息都按照不同的极化方式分为左旋圆极化和右旋圆极化两个部分。每部分极化的用户波束信息先通过预选器滤去杂波后送入低噪声放大器进行放大处理。为确保通信载荷的有效性，防止电路出现故障导致整星通信失效，在低噪放支路引入切换矩阵方案进行备份保护。

(52)再将放大后的用户波束信息通过分路网络拆分成多个用户子波束，子波束的数量与用户波束的个数要相互匹配，即子波束数目＝用户波束数目*信关站数目N。

(53)通过分路合成网络将来自不同信关站的同一频率、同一极化方式的用户子波束信息进行组合，形成完整的用户波束信息。

(54)将组合后的用户波束信息通过变频器进行变频处理，随后通过行波管放大器进行信号放大处理，随后送至用户端，完成通信过程。

步骤6：进行HTS卫星载荷返向链路分路拓扑结构的设计。

与步骤3类似，每个用户波束包括多个用户子波束，假设从不同接收天线进入转发器系统的信号频率均为F1，通过微波四工器时F1被划分为4个子频带，对应频率分别为F1-1、F1-2、F1-3、F1-4，每个频率对应的带宽可以调整。对用户波束A、B、C、D都进行同样的操作，形成如图7所示的返向链路分路拓扑结构。

步骤7：进行返向链路分路合成网络拓扑结构的设计。

返向链路分路合成网络的拓扑结构和前向链路相同，将来自不同用户波束的信号先通过多工器进行分路处理，每个波束被分成N路，然后分路网络会进行再次分配，将来自不同用户的子波束进行交换合成，形成多个新的用户波束F1，随后送往不同的信关站，实现用户波束与不同的信关站之间的交换功能。

返向拓扑网络和前向拓扑网络是逆过程，具体如图8所示。

步骤8：根据返向分路合成网络进行有效载荷方案设计。

具体如图9所示，

(81)接收到的用户波束信息先通过预选器进行滤波处理后送入低噪声放大器进行放大，为确保通信载荷的有效性，防止电路出现故障导致整星通信失效，在低噪放支路引入环备份方案进行备份保护。随后将放大后的用户波束信息，通过分路网络拆分成N份，将不同频率的用户波束信息进行拆分。

(82)将拆分后的子波束按频率进行交换合成，形成多个用户合成波束，合成波束的数量与用户波束的个数相等。

(83)通过变频器及合路器将用户波束信息进行二次合成，将组合后的用户波束信息通过放大器进行放大处理，随后送至多个信关站，完成通信过程。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据HTS卫星通信链路上、下行各频段提供的可用频率资源确定馈电波束的频率范围和用户波束的频率范围，设计并核算单个用户波束的工作带宽最大包络BW；

(2)确定HTS卫星通信系统中，单个用户波束由几个信关站进行管理；

(3)根据步骤(1)、(2)的条件进行HTS卫星载荷前向馈电分路拓扑结构的设计；

(4)设计前向馈电分路合成网络拓扑结构；

(5)根据前向馈电分路合成网络进行有效载荷方案设计，具体为：

(51)将N个信关站中每一个信关站接收到的所有用户波束信息都按照不同的极化方式分为左旋圆极化和右旋圆极化两个部分，每部分极化的用户波束信息先通过预选器滤去杂波后送入低噪声放大器进行放大处理；

(52)再将放大后的用户波束信息通过多工器拆分成多个用户子波束，子波束的数量与用户波束的个数要满足：子波束的数量＝用户波束的个数*信关站数目N；

(53)通过分路合成网络将来自不同信关站的同一频率、同一极化方式的用户子波束信息进行组合，形成一个用户波束信息；

(54)将组合后的用户波束信息通过行波管放大器进行信号放大处理，随后送至用户端，完成通信过程；

(6)进行HTS卫星载荷返向链路馈电分路拓扑结构的设计；

(7)设计返向链路分路合成网络拓扑结构；

(8)根据返向链路分路合成网络进行有效载荷方案设计。

2.根据权利要求1所述的基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，单个用户波束选择由2～N个信关站一同进行管理，N为信关站的总数量。

3.根据权利要求2所述的基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于：所述的单个用户波束的带宽被分成N个子带，每个子带的带宽为BW/N，即每个信关站为该用户波束提供一个带宽为BW/N的管理资源。

4.根据权利要求3所述的基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于：所述的步骤(3)中进行HTS卫星载荷前向馈电分路拓扑结构的设计，具体为：假设用户波束的频率为F1，它从N个管理该用户的信关站的馈电端进入转发器系统，对于每一个信关站，通过微波多工器，将F1划分为N个子频带，对应频率分别为F1-1、F1-2、F1-3、…F1-N，形成前向馈电分路拓扑结构。

5.根据权利要求1所述的基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于：所述的前向馈电分路合成网络拓扑结构或者返向链路分路合成网络拓扑结构采用微波混合桥实现。

6.根据权利要求4所述的基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于：所述的前向馈电分路合成网络拓扑结构，具体为：在前向馈电分路拓扑结构的基础上，将N个同频馈电信号进行分配重组，合成N个新的F1信号，新合成的每一个F1信号都由来自N个信关站的馈电信号共同组成。

7.根据权利要求1所述的基于N-active构架的HTS卫星有效载荷射频域实现方法，其特征在于：所述的根据返向链路分路合成网络进行有效载荷方案设计，具体为：

(71)接收到的用户波束信息先通过预选器进行滤波处理后送入低噪声放大器进行放大，随后将放大后的用户波束信息，通过多工器拆分成N份，将不同用户的波束信息进行拆分；

(72)将拆分后的子波束按照用户归属通过合路器进行组合，形成多个用户合成波束，合成波束的数量与用户波束的个数相等；

(73)通过变频器及合路器将用户波束信息进行二次合成，将组合后的用户波束信息通过放大器进行放大处理，随后送至用户端，完成通信过程。

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