柔性转发卫星系统非均匀信道链路增益确定方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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Ci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；
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 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。
[0013] 图2是图1中计算不同工作点条件下链路增益流程图。
[0014] 图3是图1中计算地面上行终端EIRP值和链路增益流程图。
[0015] 图4是柔性转发卫星系统结构示意图。
[0016] 图5是链路可支持性曲线图。
[0017] 图6是非线性条件下链路增益函数曲线图。
[0018] 图7是非线性效应度量曲线图。
[0019] 图8是算法性能仿真曲线图。
[0020] 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。
[0021] 图10是本发明方法的功率利用率仿真结果比较。
[0022] 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】
[0023] 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Μ条通信链路。下面以WGS卫星参数配 置为例，来说明本发明。
[0024] 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：
[0025] 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 Ci和每个发射终端可提供的EIRP值；
[0026] EIRP 为有效全向福射功率（Effective isotropic radiated power)。
[0027] 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 Ci。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。
[0028] 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；
[0029] 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：
[0030] 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；
[0031] 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。
[0032] 22)计算不同工作点条件下链路增益：
【权利要求】
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Ci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=l. 23X 10_23J/K ;TS为转发器等效输入噪声温度，?\为地 面接收终端等效输入噪声温度，单位为K ;Gn为第η个子信道增益，单位：dB ;n (i)表示子信 道η分配给链路i，Xi为卫星天线接收端链路i输入功率，单位：W屯为下行链路损耗，单 位：dB，Λ u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，那么设置链路增益为转发器最小提供增益，，计算链路 输入功率：
其中，Gmin表示转发器最小可提供增益； 24) 如果链路增益，那么设置链路增益为转发器最大可提供增益，即Gi=Gmin，计算 链路输入功率：
其中，表示转发器最大可提供增益； 25)计算发射端上行EIRP值：
其中，Xi表示输入功率Xi的dB值，L为自由空间传播损耗，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) 当时，链路可通； 32) 当时，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，Μ为卫星链路总数，N为转发器子信道总数，Bn表示第η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Pi和转发器总功率Ρτ :
其中，k为Boltzmann常数，k=l. 23Χ 10_23J/K ;TS为转发器等效输入噪声温度，?\为地 面接收终端等效输入噪声温度，单位为K ;Gn为第η个子信道增益，单位：dB ;n (i)表示子信 道η分配给链路i，Xi为卫星天线接收端链路i输入功率，单位：W屯为下行链路损耗，单 位：dB，Λ u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。
【文档编号】H04W72/04GK104219766SQ201310217930
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】边东明, 张飞, 蒋丽凤, 张更新, 谢智东, 胡婧, 苟亮, 张威 申请人:中国人民解放军理工大学