简说卫星链路预算卫星中继数据链链路预算.docx
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简说卫星链路预算卫星中继数据链链路预算
【简说卫星链路预算】卫星中继数据链链路预算
链路预算的目的和作用 卫星链路预算的目的和作用,简单的讲就是帮助新用户经济合理地选配收发站的硬件配置,协助老用户确认改变线路的可行性,给出合理性建议,即做到少花钱多办事、不多花冤枉钱。
什么时候需要链路预算下面以新用户组建卫星网为例说明什么时候需要用到链路预算。
1、首先用户根据实际情况及需求选定网络结构由于目前甚小口径终端VSAT的迅猛发展、普及,使得VSAT一词几乎成了卫星通信的代名词。
一般小于4.5m天线的地面站被认为是VSAT站,但在VSAT网中有时中心站HUB的配置又很高（天线:
6m-20m）,可能是大、中型站,因此也难怪人们提到卫星通信就自然地认为是VSAT系统。
VSAT网络有如下几种结构,通常网络越复杂,投入的成本越高,租用的卫星带宽越多。
2、既已选定网络结构,下面该选择通信卫星和工作频段了卫星的选择主要是看朝向卫星方向有无遮挡及卫星覆盖是否满足要求。
由于目前几大卫星制造商所制造的卫星从性能指标上基本相差不大,针对中国区域的卫星覆盖也大同小异,且不同卫星的对比测试较难实现相同的测试条件,故即使测试,结果也并不能说明问题――孰优孰劣,因此说对卫星的选择很大一部分是由市场因素决定的。
工作频段的选择主要看业务形式。
C波段的主要优势就是不易受降水影响,缺点就是天线口径较大,Ku波段则正好相反。
故对通信保障要求严格,系统可用度要求高的业务应尽量选择C波段,如防洪、抢险、救灾等应急及机要通信,越是下雨越是需要保障通信。
对于系统可用度要求不高,但对于便携性、灵活性要求高,如SNG、动中通等业务则宜选用Ku波段。
3、用户初步接触设备商提出要求,设备商提供组网配置建议4、用户根据设备商建议向卫星公司提供相关信息,希望其提供有关链路预算有关信息包括:
A、站址信息――发射、接收站的经纬度、海拔;B、载波信息――信息速率、调制方式、编码方式、接收门限、滚降系数等;C、用户期望信息――希望的天线的尺寸、功放大小、占用带宽等。
5、卫星通信工程师根据用户需求,选定相关转发器,查看此转发器的增益档（衰减档）设置、对应收发站的EIRP、G/T、SFD参数,而后将所有参数输入到链路预算程序进行计算。
计算中需不断尝试改变接收站的天线尺寸,使得接收余量符合要求,同时也需不断尝试改变发射站天线尺寸及功放大小,以便找出最佳搭配,这一过程有点类似于初中化学中讲到的公式“配平”。
6、计算完毕,通过链路预算表向用户提出一种或几种配置方案供用户选择。
7、用户根据链路预算并结合实际及工程预算等情况来选择发射站配置,是天线大些功放小些,还是天线小些功放大些。
期间可能需要反复更改有关信息,需卫星公司重新提供链路预算。
8、用户选购设备,建设地面站,而后同卫星公司进行开通测试,至此载波正式开通使用。
由上述过程知,链路预算在其中扮演了一个重要的角色,其决定了设备大小的选购。
虽然品牌由用户决定,但功放及天线的大小则由链路预算提供。
选配级别太小或过小,没有留出适当余量,会造成用户购置并安装了设备后无法使用、通信不能建立,或即使能勉强使用但必须降级使用。
例如功放选择太小,本来想发送1路18MHz带宽的高清电视载波,现在只能发送1路6MHz带宽的标清电视节目了。
这就如同裁缝给人做西服,建议人家买布,结果布买多了也不能做个大一号的西服――则浪费了钱财;买少了则不仅浪费了钱财不说,原本做西服结果只能做坎肩了,俗语话“褶子了”。
典型VSAT卫星链路典型的VSAT卫星链路如下图所示:
由左图知,整个卫星链路由如下环节组成:
1、发射站A、调制解调器MODEMB、上变频放大器BUC（BlockUpConverter）C、天线2、卫星3、接收站A、天线B、低噪声放大器LNB（LowNoiseBlock）C、MODEM其中天线+LNB+功放属于射频设备,是通用设备,即选择不同厂家的设备不影响使用。
MODEM则是中频设备,一般是指定型号配对使用。
由于不是通用设备,不同厂家MODEM基本不能配对使用。
在这条链路中,MODEM决定了调制方式、速率等这些“软件”信息。
这定了以后,租用卫星转发器的带宽也就定了,租费多少也就定了。
剩下的不确定因素就是MODEM和射频设备这些“硬件”内容了。
MODEM型号由用户自己决定,而天线大小,功放大小则由链路预算提供。
选大了浪费钱财;选小了,对于发射端,则只能发射小于预期的速率的载波;对于接收端则届时不能锁定。
可见合理提供双方的配置建议至关重要。
那么这条链路怎么才算合适呢?
决定一条卫星通信线路传输质量的最主要的指标是,MODEM输入端的载波功率与噪声功率之比值,简称载噪比,用C/N来表示。
MODEM能否锁定信号,这是整个链路是否合适的唯一判别标准。
但这时还不是最佳状态,因为刚刚锁定,没有余量可不行。
因为一是卫星距离地球将近4万公里,这之间的天气变幻莫测,谁也说不准。
二是太空中可不只一颗卫星,相邻会有很多卫星,而且是同一颗星上还有很多其他客户。
有的规范,有的不规范,有的还是“游击队”,偷用一下卫星就跑,结果很有可能对正常信号造成或大或小的干扰。
由于卫星的开放性,会存在一些常见干扰和莫名干扰,有些干扰很难查出干扰源。
因此一定要尽量将各种干扰等坏情况考虑进去,留出余量,否则到时候业务就“歇菜了”。
当然将所有意外情形都考虑进去也不可能,只要考虑一些常见的主要干扰形式即可。
考虑过多,留的余量也更多,余量更多意味着配置升级――花钱更多。
这就如同盖房,谁也不愿意建造一所抗御千年不遇的地震级别的房子,那成本得多高啊!
好了,既然已经知道收端能否锁定决定了整个链路,那么收端是靠什么来判断能否锁定的呢?
答案是MODEM接收门限值。
对应不同的调制方式及编码方式,接收机都有自己不同的门限指标,即门槛。
信号只有过了这个门槛,接收机才能锁定信号,真正把信号解出来,否则不行。
门槛越低意味着接收端用的天线越小,那都选择低门槛不好吗?
答案是,相对来说,若传递的原始信息量固定,门槛越低则占用卫星的带宽越大,带宽越大意味着租费越高啊,反之则越低。
又想传的信息多,又想节约带宽省租费,接收端又想用小点的天线,这种好事是不会有的――鱼和熊掌不可兼得啊!
好了,下面该进入正题谈谈链路预算是咋算的了。
链路预算最根本公式1.自由空间传输损耗卫星通信的一个显著特点是电磁波传输的距离非常远。
地面距卫星近4万公里,接近于赤道周长。
电磁波在传播过程中受到极大的衰减,传输损耗非常大。
当采用C波段传输,上下行频率分别是6GHz及4GHz时,自由空间的传输损耗约分别为200dB及196.5dB。
200分贝是什么概念呢?
就是信号被衰减了倍。
因而卫星或地球站接收到的信号非常微弱。
地球站接收到的来自卫星的信号强度一般只有几个微微瓦（1W=1012pW）。
如卫星发射一路36MHz带宽的C波段电视信号的EIRP为40dBW,地面站采用9米天线接收,则此电视信号经天线汇集后,进入馈源口时（未经LNB放大）,信号功率约为22pW。
一般普通小计算器的功耗在0.0004W,其是此电视信号的1千8百万倍,可见卫星信号的功率相当小。
如果仅仅只有信号也无所谓,可以将信号放大到需要的电平值,但是在接收端（包括卫星和地面站）存在大量电子噪声,除非信号功率远远大于噪声功率,否则有放大器也将无济于事,因为二者功率大小很接近时,放大器将不能识别谁是有用信号,谁是无用的噪声,统统将二者放大。
所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出且非常重要的问题。
2.卫星链路最根本的公式在整个卫星链路中,真正的信号只有一个。
从发射到接收,信号功率无非是:
除了放大就是衰减,其关系是乘除的关系。
而各种各样的噪声却很多,存在于上下行链路中。
在实际中还有很多干扰存在或可能会出现,也需要考虑,一般将其作为噪声处理,主要有:
邻星干扰噪声、相邻信道干扰噪声、互调干扰噪声以及反极化干扰噪声等,这4种主要干扰噪声形式,它们相互间都是以相加的形式来表现的。
在卫星链路中有一个最根本公式如下:
公式
（1）:
上行链路载噪比:
下行链路载噪比ASI:
相邻卫星干扰ACI:
相邻信道干扰IM:
交调干扰XPOL:
交叉极化干扰请注意上式各项表示的是功率比,是各项真数相加,不是分贝值!
用圆括号括起来就是这个意思。
分贝值一般用方括号括起来表示。
实际计算中由于基本上不用真值表示,而普遍采用分贝值来表示。
链路预算中的很多问题都是围绕公式
（1）进行的,都能从此公式找到答案。
链路预算的主要计算过程就是分别求上面公式
（1）中等式右边的各项值,而后得出,进而用其减去MODEM的门限值就得出了接收链路余量,最后根据此余量值调配收发天线尺寸及发射站功放大小,形成最终链路预算报告。
之所以是总的载噪比而不是下行载噪比减去门限值,得出接收余量,这是因为前面已经说了,卫星链路中真正的信号只有一个,而各种干扰及噪声却不止一个,各种干扰都等效为噪声处理,各种各样的噪声很多,它们之间的关系是相加的关系。
下行信号进入MODEM被解调后,所有没用的干扰噪声都将被处理,此时剩下的就是总的载噪比,公式
（1）就是基于如上思想被推导出来的。
3.链路预算所求的4个主要结果链路预算所求的也是用户最关心的4个主要结果是:
发射站天线口径和功放大小,接收站天线口径及接收余量。
4.决定公式
（1）的两个关键项在链路预算中上、下行载噪比才是最主要的形式,各种干扰毕竟是偶发性的,故属于次要成分,不能作为主要因素处理。
那完全不考虑上面的4项干扰成不成呢?
不可以!
因为一年365天,卫星也像人一样不可能总是正正常常的,偶尔也有个“头痛脑热”的时候。
如偶尔出现个邻星干扰、交调干扰、反极化干扰或是旁边的载波发高了把自己的载波给挤了等等。
很多突发和意外情况都有可能出现,都可能会使自己的载噪比降低。
如不考虑这4项,算出来的结果就有点可边儿可沿儿,没有什么余量,真是出了问题通信只能中断,因此没有一点抗干扰能力可不行。
但是话说回来又不能什么都考虑,过分忧虑,使得余量留得很多也不好―不是没用,为什么?
说白了,那就是钱啊!
会增加配置成本:
8W-Ku功放的价钱基本上是4W的两倍;3米C/Ku天线则是2.4米天线价格的1.5倍左右。
为了防备偶尔出现的一两次干扰,加大成本投入,使得自己配置升级,以便余量多多,这是不值得的,也是不明智的。
因此好的链路预算能给用户提供一个经济可行的最佳配置建议,不让用户多掏冤枉钱。
关键项――上行和下行的计算1.卫星的3个重要参数好了,继续进行下一个环节,回到关键项上行和下行的计算,到底是如何实现的呢?
这主要是通过中间的桥梁――卫星,来实现的。
卫星是这二者之间联系的纽带,具体的说是卫星转发器,其实它就是一个变频放大器,变频的目的是使上下行频率分开,互不干扰;放大的目的是使收到的微弱信号得到放大再发回地面。
它的三个参数最关键:
EIRP、G/T、SFD。
实际中就是以这3个值为中心进行推导计算上行和下行的。
（1）SFDSaturationFluxDensity单载波输入饱和通量密度,单位为:
dBW。
SFD反映卫星信道的接收灵敏度。
通过调整转发器信道单元中的可变衰减器,可以在一定范围内改变SFD的数值。
衰减越小,SFD值越小,所要求的上行功率就越低,即很容易就把转发器给推饱和了。
不过一味提高SFD灵敏度并不是好事。
因为降低了上行功率的同时,也将相应降低了上行载噪比。
根据公式
（1）,也会降低,继而接收余量也会稍有所降低。
SFD灵敏度高,噪声等会容易进入,会降低上行的抗干扰能力。
这和高保真Hi-Fi音响放大器的输入设计为:
具有适当的高阻抗输入,道理是一样的。
否则喇叭里不仅听到了动人的音乐,也会听到乱七八糟的被放大了的烦人噪声。
（2）EIRPEquivalentIsotropicRadiatedPower有效全向辐射功率,单位为:
dBW。
SFD相当于转发器的输入,而EIRP相当于转发器的输出,也就是说当转发器被单载波推到饱和工作点时,转发器的最大输出功率就是EIRP值,二者是相对应的关系。
（3）G/T接收系统的品质因数Figureofmerit。
G为天线增益,T为卫星接收系统的噪声温度,单位为:
dB/K。
地面站接收天线增益对接收系统噪声温度的比,也同样用G/T表示。
2.载波输入回退CIBO（CarrierInputBackoff）和载波输出回退COBO（CarrierOutputBackoff）既已知道卫星的3个重要参数,暂时还不能求上行和下行,因为虽然知道这3个参数是上、下行沟通的桥梁,但这座桥是如何具体沟通左岸和右岸,并严丝合缝地对接的呢?
还缺少具体对应关系和规则,还得继续探索。
先透漏个底:
是SFD和EIRP使得桥的左右岸连通,是载波输入回退和载波输出回退使得这座桥严磁合缝地对接的。
载波输入回退=转发器输入回退+载波回退载波输出回退=转发器输出回退+载波回退整个转发器只有一个大载波工作则都不需要回退,转发器有多少瓦就发多少瓦即可。
可是如果有多个载波在这个转发器上,就不能这样为所欲为将所有功率都发了,必须限制最大输出功率,否则转发器会出现很严重的交调干扰,届时谁也用不好――没办法,这是目前转发器通常采用的行波管的非线性决定的,这是不可避免的。
因此多载波工作的转发器,首先转发器就必须有个输入和输出回退,而后每个载波再按照自己占整个转发器带宽的多少,按比例进行回退。
这样一来就使得每个载波都按照相应比例,发射自己应该发的那份功率。
大家是平等的,不允许多吃多占,只允许按比例走。
大家都按比例走,因此即使整个转发器安排满了载波,输出功率也会被牢牢控制在转发器输出回退点上。
此时一般卫星公司顶多让发最大功率的一半,还要看管子带不带线性化器,即如是60W的行波管,带线性化器,一般顶多发30W。
同卫星转发器一样,如地面站同一个功放发射多个载波,同样也需要回退一定dB,道理是一样的。
具体链路预算的实施1.上行的计算在地面站功放和卫星之间这一条线上,还有很多环节因素等等,都需要考虑,如:
1）功放至天线间的波导损耗,应减去若干dB;2）天线将信号进行放大,应加上若干dB;3）信号在自由空间传输,到达卫星时已经衰耗了很多,应减去若干dB;4）由于卫星的漂移,天线如不跟踪,指向上有误差,也会对信号有衰减,应减去若干dB;5）由于雨雪等天气影响,也要额外考虑这部分衰减,应减去若干dB。
故考虑上面5项,根据SFD值,然后反推即可得地面站功放的实际输出功率值。
当然选用天线大些,功放就可以小些,反之亦然。
先求地面站的EIRP,公式如下（以分贝值计算）:
[地面站有效全向辐射功率EIRP（功放输出功率-波导衰减+天线增益）]-[自由空间衰耗]-[指向误差]-[雨衰]+[卫星天线每平方米增益]=[相应衰减档位下的SFD]-[载波输入回退]公式
（2）地面站上行功率及天线口径既已算出,这时就需要用到卫星G/T值来求上行了。
上行=[地面站EIRP]-[自由空间衰耗]-[指向误差]-[雨衰]+[卫星G/T]。
公式（3）由于噪声N与噪声温度T具有一定的等效换算关系,故也就相应得出来了。
2.下行的计算同上行类似,在下行这一条线上,卫星与地面接收站之间也有很多环节需要考虑,如:
1、信号在自由空间传输损耗;2、接收天线指向误差损耗;3、雨雪等衰耗;4、接收天线增益与噪声温度比。
考虑上面4项,再初设一个接收站的天线尺寸,即可得。
公式如下:
下行=[卫星全向辐射功率EIRP]-[载波输出回退]-[自由空间衰耗]-[指向误差]-[雨衰]+[地面天线增益]-[地面站系统噪声温度]公式（4）3.四个主要结果
（1）接收余量及接收站天线口径上下行载噪比即已算出,再适当考虑四项干扰,则总的载噪比也就出来了,减去MODEM门限也就得出了接收链路余量。
当链路余量太大时,适当将初设假定的接收天线的口径减小些,如太小,则加大天线口径即可。
由于卫星转发器的输入功率、输出功率都是按比例走的,故定好了租用带宽及调制编码方式后,发射站被允许的最大全向辐射功率就定了。
卫星公司一般是不允许用户超功率使用的,只能小于此值不可能超出此值。
接收端能否锁定载波,完全取决于自身接收天线大小,此时已和发射端无任何关系,不能指望靠发射端提高载波功率来使自己锁定。
因此如接收余量不够,只能更换大的天线。
（2）发射站天线口径和功放大小发射站的上行EIRP经链路预算后结果是固定的,可通过调配发射天线和功放的大小使其等于此值,是天线大些,还是功放大些要综合考虑,不断调配。
后记―链路预算的客观性由于链路中不确定因素较多,故链路预算过程中各项取值一般应尽量保守些,余量稍大些。
基本原则是宁可设备配置稍高些也不能不够。
以免实际中,用户选型设备并开通后,发现链路余量（功放及下行接收）可边可沿,捉襟见肘,此时再更换设备则会造成更大损失。
虽然保守为上,但也不能过分保守,否则会造成用户不必要的成本增加。
链路预算之所以叫预算而不称为计算,从字面上即已看出,它仅仅是个“预算”,不是对具体链路的各环节的定性准确计算。
也正因为是“预算”,所以不能保证实际链路实现时的结果和预算值完全吻合,可能稍有些偏差。
但这并不是说预算不准,不可靠,不可信,而是因为实际情况的错综复杂性所决定,它和某些工程预算可是完全不同的两个概念。
很多工程预算到工程结束,其开支远大于初期预算,1千万的工程整出个两千万是很平常的事。
而卫星链路预算可是两码事,不会那么离谱。
它的所有环节都是有理论和实测数据作为根据的,都是经得起推敲的。
在严格的链路预算中,链路余量一值和实测值相差一般会小于1dB。
链路预算不是一个闭门造车、一成不变的过程,而是一个与时俱进的过程。
各种新技术的不断发展,促使其需不断改进、修正。
同时用户的实际链路使用情况也是对自己链路预算的一个很好反馈与验证,也提供了一个不断改进的契机,以便下次为其他客户提供一个更加合理的链路预算做准备。
•含义:
为使卫星转发器处于单载波饱和状态工作,在其接收天线的单位有效面积上应输入的功率;•一般讲到具体某个转发器时,SFD是指在当前衰减档位下的值;•由于卫星覆盖区域不同,表征了卫星对不同地理位置的信号接收的饱和程度;•SFD在链路预算中的主要作用是求发射站的上行全向辐射功率,进而不断调配,计算得出发射站天线口径和功放大小。
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