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3、空中-地面接口要求

我们在本书中讨论的地面部分，主要地球站和用户终端都旨在提供商业通信服务，其中通常大部分与地面网络相关联。这必须以对用户基本透明的方式完成，这意味着消费者和客户不应面对卫星（无线电中继器）的独特技术和操作。系统和地面部分工程师需要努力工作以实现这个通常很难的目标，因为空间部分本质上不同于地面传输方式（例如，电缆，视线微波，蜂窝和地面广播）。

第一步是从整个空间/地面系统提供的端到端服务的角度理解要求，我们对此讨论的看法是地面部分，这被称为“groundgame”[1]。地面卫星通信硬件和服务提供商必须解决许多业务问题，包括选择适当的应用，营销和销售，供应商采购，风险管理以及与整个电信环境的整合[2]。需要关于应用本身的更多细节的读者可以在我们以前的工作中找到它[3]。

毫无疑问，读者意识到通信卫星以三种基本轨道运行，每种通信卫星都有与向地面部分提供服务相关的利益和操作问题。根据开普勒第三定律，轨道周期与轨道平均半径的3/2次幂（图3.1）。下面回顾三类通信卫星的基本特性。

?低地球轨道（LEO），范围在到1,公里之间（分别对应于1.6和1.9小时的轨道周期）。如果卫星用于全球覆盖（这是通信服务最常见的服务模式），那么这些轨道必须是极地或高度倾向于为北纬和南纬地区的用户提供服务，根据经验，轨道倾角必须近似等于服务的最佳纬度，西欧和北美的地区可能会比赤道地区、如亚洲、非洲、中南美洲有优势，LEO星座，它们被称为可以完全覆盖卫星（大约50到颗之间）以提供全球服务。其中某颗卫星只能在几分钟内为地球站提供服务，如果地球站必须通过同一卫星连接到另一个地球站，则可持续通信时间会更短（铱星使用中继卫星来解决这个难题）。任何LEO网络都需要从卫星到卫星的切换系统，类似于在蜂窝无线电话网络中所做的事情，以防止当用户从一个区移动到下一个区时掉线。

?中地球轨道（MEO），海拔高度大于约10,公里，轨道周期大约为6小时，因此卫星将适用大多数卫星通信类型（但不适用于DTH和专用骨干网等连续服务），并且高度更高，允许给定的卫星覆盖到更大的地球部分，从而服务更多的用户。这些因素综合起来意味着需要更少的卫星（12至24颗），这些卫星的容量可能比LEO卫星平台更大。要考虑的另一个因素是传播延迟（如图3.1所示），这比LEO更长，但相对于接下来要讨论的GEO卫星仍然相当低。由于相对短暂的延迟，LEO和MEO系统都允许多跳（即，通过两个卫星与中间的网关地球站中继），对于GEO卫星来说情况并非如此，本章稍后将对此进行讨论。

?地球静止轨道（GEO），一个真正的赤道轨道，需要24小时周期才能与地球自转同步。在平均海拔35,.千米（22,.英里）的情况下，卫星仍然必须通过控制（轨位保持）来校正重力变化的扰动，南北向保持用于控制轨道的倾斜度（与赤道平面的角度），东西向保持用于控制定轨经度。典型的0.1°容差使卫星保持在所有口径地面天线的波束宽度范围内（20GHz的10米口径以上的天线除外，如果是14GHz，口径可达15米以上）。由于南北保持用尽了大部分燃料，通常的做法是通过停止南北向修正来延长轨道寿命，并继续进行东西向修正几年（直到剩余的燃料耗尽或关键部件的老化使卫星平台报废）。当倾角大于约0.5°时，地球站天线可能必须跟踪卫星，一般的24小时倾斜轨道是椭圆轨道，称为地球同步轨道。

图3.1基于开普勒第三行星运动定律的各种卫星高度的轨道周期和传播延迟

3.1、GEO卫星和轨位

我们首先讨论GEO，因为这是商业通信卫星行业的基础。GEO卫星网络需要更少的卫星和地面天线，虽然比LEO和MEO对应的卫星更大，但地面站天线可以不需要跟踪系统。

3.1.1、链路特性与链路预算

GEO卫星链路最容易理解和应用，因为几何形状简单，相对稳定，如第2章所述，计算自由空间路径损耗并因此确定整体设计中最主要的因素是一件容易的事，尽管如此，使用GEO卫星链路还有其他一些考虑因素，有时其它因素可能会起决定作用。

了解和领会GEO链路稳定性和简单性的最简单方法是调查一组链路预算（在一对固定地球站之间进行传输），图3.2提供了使用MPEG-2和数字视频广播（DVB）标准的点对多点数字电视传输的基本端到端框图，本例中的卫星转发器属于弯管（透明）类型，这意味着它为上行链路信号提供以下功能：

?星上天线的接收;

?低噪声放大;

?频率转换到下行链路频率范围（通常没有频谱反转，因此上行链路频带的下端与下行链路频带的下端对齐）;

?通过多路复用器输入和滤波后再转发（在本例中为30MHz）;

?使用以下方法之一进行增益调整：（1）固定增益或无需调整增益，（2）自动增益控制（AGC），（3）硬限制;

?使用行波管放大器（TWTA）或固态功率放大器（SSPA）进行功率放大;

?输出多路复用器的通道组合;

?卫星下行天线在覆盖区域内的传输。

图3.2DVBMPEG-2链路的简化端到端框图

由于在我们之前的工作[4]中我们对这些组件进行了相当详细的研究，因此我们仅在此处提供描述。在卫星转发器覆盖范围内几乎透明地执行功率放大和频率转换等基本功能待分析地球站定义如下：

?上行链路地球站。典型的BSS广播中心，概念与第1章中讨论的DIRECTV类似，每个上行链路载波可以支持一定数量的包含视频和音频节目的数字压缩电视频道。DVB-S（DVB的卫星模式）中的调制格式是使用级联编码的QPSK（即，ReedSolomon外码后跟卷积内码）。工作在18GHz的速调管高功率放大器（HPA）为13米发射天线提供射频上行链路功率。跟踪和上行链路功率控制（UPC）分别在卫星的相对运动期间和上行路径强降雨期间保持卫星接收功率。

?下行链路天线为45厘米口径的DTH家庭接收系统，真正的商业用户终端，具有许多功能，可简化用户的安装和使用。在机顶盒内是信道选择，载波解调，纠错，解复用，解密，MPEG-2解压缩以及再现原始数据所需的条件访问。

表3.1、3.2和3.3分别提供了下行链路、上行链路和总链路的基本链路预算，我们只提到发射地球站、卫星转发器和接收用户终端的综合性能参数。这些要素决定了端到端系统的基本性能;也就是说，如果系统的三个主要环节按预期运行，那么业务服务也会达到预期效果。表3.1和表3.2显示了稳定的无衰减状态，是指上行链路或下行链路上没有降雨的GEO链路，对于地球站和用户终端保持在波束宽度内的卫星而言，这是正常的。

这些链路运行在（电联）划分BSS的2区中：12.2和12.7GHz的下行链路以及17.7和18.2GHz上行链路。表3.3的后半部分考虑了下行链路上的雨衰量，这将导致阈值条件（接收几乎不可接受的条件），上行链路上的降雨可以通过上行链路功率控制来抵消（这将在第4章中进一步讨论）。

为简单起见，只考虑了一个通信通道，因此我们忽略了以下影响（这些因素将在第4章中进行评估）：

?相邻信道干扰，由在相同极化下接收的不同频率上的其他载波产生;

?在同一（或相邻）频段上向同一卫星发送的交叉极化信号;

?相邻的卫星干扰;

?地球站和卫星转发器中的群时延滤波器产生的线性失真;

?放大器产生的非线性失真，即地球站HPA、卫星上的TWTA或SSPA。

下行链路（表3.1）很简单，从卫星转发器HPA输出功率瓦（由TWTA产生）开始，并在经过1.5dB的输出损耗后发送到天线（卫星），天线增益33dBi对应于相对较大国家的区域覆盖范围，获得52dBW的EIRP是服务于非热带地区的BSS卫星的典型值，如图3.3中的覆盖所示。

表3.1

12.2GHz下行链路的链路预算示例（Ku波段BSS）

链路参数

值

单位

发射功率(watts)

20.5

dBW

发射波导差损

1.5

发射天线增益（覆盖区内）

33.0

dBi

卫星EIRP（指向接收站方向）

52.0

dBW

空间链路损耗

接收天线增益(0.45m)

34.0

dBi

接收波导损耗

0.2

接收载波功率

-.7

dBW

接收系统噪声(K)

21.8

dBK

接收站的G/T

12.0

dB/K

下行C/T

-.5

dBW/K

玻尔兹曼常数

-.6

dBW/Hz/K

转发器带宽(30MHz)

74.8

dBHz

噪声功率

-.8

dBW

载波-噪声功率比

12.3

图3.3Sirius-3BSS卫星北纬5.0°的北欧覆盖，表明EIRP在52dBW水平下的性能（图示由NSAB提供）

约dB的自由空间损耗是最大的损耗;但是，它对于指定的地球站位置和卫星轨位后是固定值。接收用户终端包括标称45厘米偏馈反射器、圆极化馈电和LNB组合。接收馈电损耗约为0.2dB，系统噪声温度为K，组合计算出的接收G/T为12.0dB/K.LNB的输出值为-.5dBW/K的C/T值，通过以下简单公式获得：

C/T=EIRP-A+G/T

其中A是路径损耗的总和（在本例中假设为自由空间损失）。在假定的30MHz带宽中测量的C/N比的对应值是12.3dB。

本例中假设的基带调制载波设计符合Ku波段链路的DVB-S标准[5]。我们反向核算30MHz载波带宽，我们假设输入信息速率为32.4Mbps，从Reed-Solomon编码（/）和R=3/4FEC编码扩展到46.8Mbps，并通过QPSK调制转换为载波带宽因子为1.28/2=0.64。在考虑上行链路和组合链路之前，我们无法确定下行链路12.3dB是否足以满足系统要求。

表3.2中的上行链路预算遵循与下行链路描述的相同的基本格式，不同之处在于EIRP由具有瓦HPA功率的发射地球站产生的，从回退的速调管功率放大器（KPA）可获得相当大的上行链路功率储备，通常为10到15dB，因此可以克服上行链路上的强降雨，此外，链路可以通过卫星的AGC获得更大的降雨余量，或者TWTA前端的输入限制，因使用大直径天线（13m）获得大约80dBW的地球站EIRP，远大于卫星的EIRP，该天线不断地跟踪对准卫星。另一方面，假设上行允许较接入覆盖范围与卫星下行链路相同的覆盖区域，因此卫星G/T偏低假设为5.5dB/K。

表3.2

18.2GHz上行链路的链路预算示例（Ku波段BSS）

链路参数

值

单位

发射功率(watts)

dBW

发射波导差损

发射天线增益（13m）

65.6

dBi

地球站EIRP（指向卫星方向）

82.6

dBW

空间链路损耗

接收天线增益(覆盖区内)

33.0

dBi

接收波导损耗

接收载波功率

-94.5

dBW

接收系统噪声(K)

26.5

dBK

卫星的G/T

5.5

dB/K

上行C/T

-.5

dBW/K

玻尔兹曼常数

-.6

dBW/Hz/K

转发器带宽(30MHz)

74.8

dBHz

噪声功率

-.3

dBW

载波-噪声功率比

32.8

在上行链路中获得的C/N的标称值是32.8dB，远大于下行链路值，导致上行链路对整个链路和系统性能几乎没有影响。这种方法的原因在于上行链路服务于覆盖区内数以百万用户终端（非专业人员安装和维护）。作为服务提供商，我们的目标是使用我们直接控制的那些系统要素（很高的上行链路C/N）来确保高质量的服务。

在大雨期间保持上行链路功率直到我们地球站的功放饱和（即，大约10dB的余量），从那时起，卫星AGC通过保持对TWTA的恒定输入来补偿因更高的雨衰减少了输入功率。上行链路C/N现在将随着雨衰的增加而下降，从而降低整体性能，这也就是需要较高晴天概率地区提供上行链路C/N的另一个原因，图3.4是马里兰州克拉克斯堡20.2GHz衰减的累积分布，它提供了18GHz上行链路所需上行链路余量的一些衡量标准。例如，我们可以认为，对于这个位置建地面站，大约14dB的上行链路余量将在大多数年份提供99.9%的可用性。

图3.4在马里兰州克拉克斯堡测量的四年内20.2GHz衰减的累积分布（图示由ACTS传播研讨会提供）

表3.3

结合下行链路和上行链路示例，Ku波段BSS，晴空和下行降雨条件

链路参数

值

单位

无衰落(晴空)

上行链路C/N

32.8

下行链路C/N

12.3

总链路C/N(热噪声)

12.3

载波与干扰功率比(C/I)

16.0

总链路C/(N+I)

10.7

最低门限

6.8

系统余量

3.9

衰落(下行降雨)

上行链路C/N

32.8

下行链路C/N

9.3

总链路C/N(热噪声)

9.3

载波与干扰功率比(C/I)

*载波功率降低1.3dB

14.7

总链路C/(N+I)

8.2

最低门限

6.8

系统余量

1.4

表3.3给出了该BSS链路示例的组合性能，表3.3假设弯管（透明）转发器（即允许上行链路噪声通过下行链路的转发器），在将C/N值转换为真实比率（即10(C/N)/10)后，我们得到如下的总C/N：

C/Nth=[Nu/C+Nd/C]-1

其中C/Nth是热噪声C/N的组合（即用户终端和卫星前端产生的接收机噪声），Nu/C是上行链路C/N的真数比率的倒数（表3.2）和Nd/C是下行链路C/N的真数比率的倒数（表3.1）。

该公式可以扩展到考虑来自相邻信道（ACI），交叉极化（XPOL），相邻卫星（ASI）和地面干扰（TI）源的干扰公式（下面是一个例子）：

C/Ntot=[Nth/C+Naci/C+Nxpol/C+Nasi/C+Nti/C+...]-1

当然，计算后还有一步我们必须转换回dB。

对于所讨论的BSS链路，表3.3首先评估了未衰落（晴空）条件下的组合C/N（热噪声），这种情况在世界上除了最多雨的气候之外的大部分时间内都会持续存在。

我们假设C/I=16dB作为所有RF干扰的组合，然后将10.7dB的净空气C/(N+I)与我们的用户终端接收机的最低要求(门限)进行比较，这里的门限是按照DVB标准中使用的R=3/4前向纠错的QPSK解调器（在本章后面进行了回顾），对于这种类型的设备，该标准允许6.8dB以获得满意的操作;低于此值会接收困难，例如信号丢失或不同步。考虑到下行链路上的雨衰和其他影响（例如，附加干扰，天线指向误差等），我们的整体系统余量为3.9dB。

表3.3下半部分显示了由于雨衰导致C/N降低3dB的情况，由于雨水会产生衰减并且由于吸收而导致下行链路噪声增加，因此实际（反推）降雨量约为1.3dB。假设相邻的卫星干扰为不同的路径而不会衰减;则C/Nasi减少了1.3dB（雨衰）。剩余的1.7dB衰减是由系统噪声温度的增加产生的，根据以下公式计算：

其中l是雨量吸收，其比率大于1（例如，在该示例中为1.35）。下行链路噪声功率增加等于[T+ΔT]/T的因子，其为[+70]/=1.47或1.7dB。我们看到C/Ntot已降至8.2，导致系统余量为1.4dB。这种衰落是人们在温带气候如西欧（表3.3中的衰落项）或美国东北部所预期的典型特征。额外的1.4dB余量可以为系统提供更大的信心，从而为客户群提供可靠的服务。

从上行链路和下行链路预算中，我们可以确定发射地球站和接收用户终端的关键特性（表3.4）。这个例子应该说明分析和理解GEO链路的简单性，地面部分设计非常稳定，因为对于大多数应用来说，不需要天线跟踪。从这些表中，我们可以确定地球站和用户终端的主要性能要求。

表3.4

链路预算示例中使用的地球站和用户终端的主要RF性能要求

上行地球站

值

单位

上行EIRP，单载波，晴空

82.6

dBW

HPA输出功率，单载波，晴空

Watts

上行功率控制

HPA功率（至少）

Watts

天线发射增益

65.6

dBi

天线口径，标称

meters

最大EIRP，强降雨

92.6

dBW

波导差损，最大

用户终端

值

单位

接收G/T

12.0

dB/K

天线口径

天线噪声温度

接收机噪声温度

馈源差损噪声

系统噪声温度

天线增益，最小

34.0

dBi

接收C/N门限

8.5

3.1.2、轨位间隔

由于绝大多数运行的GEO卫星是东-西、南-北两个方向位置保持的中继站，我们只需要考虑两个因素来描述它们的位置和操作：指定的经度和相同频率上卫星之间的间隔（角度），从特定地面位置可以看到多颗卫星的事实提供了不时重新定位天线的可能（换星操作），如果考虑到这一点，则天线座架应具有适合其需求的机械调整范围。

从地面对准GEO卫星非常简单，但对于较大的天线来说，这可能比较困难，图3.5提供了一个简单的列线图，用于估算相对于真北的地球站仰角和方位角。y轴表示地球站纬度，北或南，以度为单位。另一方面，x轴称为相对经度，是地球站经度与卫星经度之间的度差的绝对值。因此，如果地球站处于度WL并且卫星处于85度WL，那么相对经度是25度（即-85），从确定最近的弧（0度是最外边界的曲线，例如，将天线指向地平线）找到也确定倾斜范围的仰角（经度差确定对星最大仰角）。方位角是从图中的径向曲线获得的，考虑到从卫星看到的地球站所在的象限（见图的右上角的键）。继续该示例，假设地球站处于40°NL，那么我们的参考是图3.5中的象限II，因为地面位置在星下点的西北方向，相应的方位角为°-°=°，仰角为38°。

图3.5GEO卫星的地面天线仰角和方位角

确定准确天线指向的更有效方法是使用PC软件，如8.2.2节中所述。此外，许多卫星运营商在其网页上提供了指向计算器（例如，请参见

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