2021-4-9 | 移动通信论文
作者：汪洋 单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所
在相同条件下对3种系统通信卫星的EIRP和G/T值的计算比较，可以看出，针对区域覆盖的情况，当用户终端和星上设备参数以及通信体制完全一致时，所需GEO卫星的EIRP值和G/T值比MEO卫星高10dB，比LEO卫星高约30dB，但GEO只需1颗卫星即可实现区域覆盖，而MEO和LEO系统均需要多颗卫星覆盖相同的区域。虽然静止轨道卫星通信系统的时延较大，但是对于区域性的卫星通信系统，全部用户均处于同一颗卫星的覆盖区域之内，不需要不同卫星之间的转发，所以整个链路的最大时间延迟不超过500ms，处于用户可以承受范围之内，这样就最大限度地减少了任务的总开销而降低任务的成本。因此，从系统造价和可实现程度的角度考虑，GEO系统更适合于区域覆盖卫星移动通信系统。就中国的实际情况而言，静止轨道卫星技术已经比较成熟，并将依然是卫星移动通信系统的中坚力量，结合当前卫星移动通信系统的发展现状和技术的可实现性的研究分析，采用GEO卫星实现对中国及周边地区的区域覆盖是较好的解决方案，并且随着星上处理技术、星载天线技术的不断迅速发展，采用GEO卫星实现区域覆盖的卫星移动通信系统将具有更为广阔的发展空间［2］。
基于GEO卫星移动通信的使用性能分析基于GEO卫星移动通信站俗称动中通，从使用需求看，动中通站的传输速率应明显高于低轨道卫星移动通信用户间的传输速率，能够与第3代移动通信达到的最高速率兼容，即支持的业务速率最高达到2Mbit/s，传输的业务类型为图像、数据和话音。在载体车型和路面状况共同决定的运动速度下，天线与通信卫星具有通视条件时，动中通应保证通信业务速率和质量，信号质量应等同于静止通信状态。由于动中通在行驶过程中不可避免地要经过涵洞、桥梁等遮挡从而造成通信中断，也会由于周围地物、地貌造成遮蔽衰落和多径衰落，为此，卫星移动通信系统设计时要加大系统余量以及采用有较强纠错能力的编码方式来应对遮蔽衰落和多径衰落。对于利用卫星固定业务频段来提供卫星移动业务的动中通卫星移动通信系统来说，其核心问题是天线的伺服跟踪，使得天线能够不受外部影响而能始终对准卫星。这就是天线稳定系统要解决的主要问题，也是实现动中通卫星通信的前提。为适应车辆在不同方向、不同坡度的路面行驶，天线伺服系统的跟踪范围要大，对路面和车速共同造成的载体颠摇与冲击的隔离度要足够高，以保证天线主瓣指向卫星;天线遮挡消失后伺服系统再捕的最大捕获时间要小;能耐受车型、车速与路况共同造成的冲击震动环境，确保天线有较高的跟踪精度［3］。
在卫星移动通信系统设计时，不但要考虑动中通站型的机动性和站型的能力，还要考虑系统所占用的带宽功率。
卫星移动通信系统占用卫星带宽和功率计算对于卫星通信系统来说，系统建设分为地面设备和空间段转发器，其中空间段的成本是系统运营过程中的主要开销，如何更加有效地使用卫星转发器，有效地降低地面设备成本，提高系统工作的可靠性，使系统简单易用，是卫星通信系统设计中最重要的工作。卫星空间段资源主要由转发器带宽和转发器功率2部分组成，卫星公司通常的做法是根据用户载波占用转发器带宽的百分比和占用转发器功率的百分比来决定转发器的租金，通常要取二者中比较大的那个百分数。所以选择通信体制和选择设备时的原则应该是:①尽量少地占用转发器的带宽;②尽量少地占用转发器的功率;③要平衡转发器带宽和功率的占用率［4］。
占用卫星带宽计算卫星移动通信系统占用卫星转发器的带宽一般由式(1)来计算［5］。BW=Rb×1FEC×1Mod×(1+α)，(1)式(1)中，BW为卫星业务占用带宽(Hz);Rb为系统传输信息速率(bps);FEC为系统传输的前向纠错编码;Mod为系统的调制方式;α为成型滤波器的滚降系数。图1给出了信道编码调制方式与传输带宽的关系。由式(1)和图1可以看出，系统占用卫星转发器带宽取决于系统信息传输速率、纠错编码方式、调制方式和成型滤波器的滚降系数。当这些参数确定后，系统占用卫星转发器的带宽也就随之确定了。
占用卫星功率的计算卫星移动通信系统占用卫星转发器的功率一般由式(2)来计算。EIRPSD=EbNO－(G)TD+LD+Rb+K+BOO，(2)式(2)中，EIRPSD为卫星全向有效辐射功率(dBW);EbNO为系统解调门限(dB);(G)TD为地面移动终端的品质因数(dB/K);LD为下行传输损耗，包括自由空间损耗和其他损耗(dB);Rb为系统传输信息速率(bps，计算时应换算成dB);K为波尔兹曼常数，该值为－228.6dB;BOO为卫星转发器的输出补偿(dB)，该值与所使用的卫星有关。由式(2)可以看出，系统占用卫星转发器功率取决于系统解调门限、移动终端的品质因数、下行链路的传输损耗、信息传输速率、波尔兹曼常数和卫星转发器的输出补偿。在上述参数中可以看出，地面移动终端的品质因数越大，占用的卫星功率资源也就越小，而品质因素大小取决于接收天线的口径，天线口径越大，品质因素就越大，占用的卫星功率资源就越小。
卫星移动通信站型通信能力的计算一个卫星通信站型有多大的通信能力，取决于它所在的地理位置、对端站的大小、所使用的卫星以及所占用的卫星功率是否合理等诸多因素来确定，如果不考虑上述因素，只是笼统地说某某站型具有多大的通信能力，是没有意义的。下面通过一组计算来说明这个问题。
计算条件①动中通天线口径分别为0.5m和1.2m;②动中通站的位置:南京、沈阳、西宁;③动中通分别与固定站进行通信，动中通的跟踪损失小于1dB，天线罩插入损耗小于0.6dB;④动中通与固定站之间的传输速率:2048kbps;⑤固定站的天线口径:4.5m，固定站的地理位置为郑州;⑥使用卫星:亚洲3S卫星，卫星转发器带宽为54MHz。表1给出了晴天时的计算结果，表2给出了考虑99．5%降雨可用性的计算结果。
计算结果分析由表1和表2的计算结果可以看出，动中通车载站在与固定站进行业务通信时，在不同的地点所需要的发射功率以及对卫星转发器的功率占用率是不一样的。例如0.5m动中通在西宁要与在郑州的固定站进行2048kbps的业务通信时，晴天时需要动中通的发射功率为58.1W，对卫星转发器的频率占用率为5.3%，对卫星转发器的功率占用率却达到了35.1%，尽管此时也能进行信息传输，但是对卫星转发器的使用是非常不合理的。因为如果只考虑频率因素，理论上该卫星转发器上能够安排18个速率为2048kbps的业务载波，但从功率上考虑，理论上只能安排不到3个速率为2048kbps的业务载波。这种情况下，卫星管理者就要求该用户增大接收天线的口径，如果用户不愿意(或不能)增大天线口径，只好按照功率占用率来支付卫星转发器的租金，大大提高了通信费用。如果此时动中通的所在地正在下雨，转发器使用的不合理更甚。如果采用大口径天线的动中通，上述情况就会有非常大的改善。例如1.2m动中通在西宁要与在郑州的固定站进行2048kbps的业务通信时，晴天时需要动中通的发射功率为10.1W，对卫星转发器的频率占用率为5.3%，对卫星转发器的功率占用率却达到了6.7%，此时各项指标都可以接受。