CN101902808B - 一种卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法，采用基于二分搜索增长的功率控制算法，解决了由于环境等因素对卫星信号链路产生的干扰。在卫星通信系统中引入了地面控制中心，通过其分析信号的误码率，并采用基于二分搜索增长的功率控制算法来计算下一时刻的功率放大倍数，能够迅速、精确地感知周围环境等干扰，从而达到自适应控制功率抗干扰的目的。所述卫星通信系统至少包括一颗对地静止卫星，一个地球站和一个地面控制中心；地球站和卫星之间传送信号载波，一个地面控制中心管理若干领近的地球站，向其发送功率控制命令，用于解决由于环境等因素对卫星信号链路产生的干扰。

Description

一种卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法，具体是一种基于接收卫星信号误码率控制发射功率的控制方法，属于卫星通信技术领域。

背景技术

卫星通信是地球上多个地球站(包括陆地、水面和大气层)利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的无线电通信。通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。

有很多现象都会导致通过地球大气层传输时的信号损耗。这些现象包括：大气吸收(气体效应)，云层衰减(气溶胶和冰粒效应)，对流层闪烁(折射效应)，法拉第旋转(一种电离层效应)，电离层闪烁(另一种电离层效应)，降雨衰减，以及雨和冰晶去极化。对于10GHz以上的频率来说，到目前为止降雨衰减是这些损耗中最重要的一种，这是因为它可以引起最大的衰减，并因此通常是Ku波段和Ka波段卫星链路设计中的限制因素。雨滴会吸收和散射电磁波，在Ku波段和Ka波段中，降雨衰减几乎完全是由吸收所引起的。在Ka波段上，只有很少衰减是来自大雨滴散射的贡献。环境因素干扰会影响通信信号的传输质量，具体反映在应用层为数据传输的丢包、视频传输的不连续、语音的失真断序，严重甚至会导致正常通信的中断。

卫星通信系统中功率控制技术主要是指在保证用户通信质量的前提下，最低限度的降低发射功率，减少系统干扰，增加系统余量。它是在对接收端的接收信号强度和信噪比等指标进行评估的基础上，适时地改变发射功率来补偿无线信道中的路径损耗和衰落，从而既维持通信质量，又不会对无线资源中的其它用户产生额外干扰。功率控制技术按其不同的分类方法，可以分成不同的类型，如上行链路和下行链路功率控制、集中式和分布式功率控制、固定步长和自适应步长功率控制、基于信号强度和基于信噪比功率控制、离散和连续功率控制、开环和闭环功率控制等。

传统的上行链路功率控制即固定步长功率控制，其原理是：如果接收信噪比小于目标值，则系统就发出一个增加传输功率控制的命令，发射器的功率就增加一个固定的步长。其控制算法可用如下公式表示：

P(t+1)＝P(t)+ΔP*N_tpc(t)         (1)

(1)式中P(t)为地面站在t时刻的发射功率，ΔP为功率调整步，而N_tpc(t)为功率控制命令。以BER的功控准则为例，则固定步长下的功控命令应有如下形式：

N_tpc(t)＝sign(γ_s(t)-γ(t))        (2)

(2)式中γ_s(t)为系统BER的门限值，而γ(t)为地面站在t时刻的BER值。结合以上两式可知，地面站的功率控制命令只能对发射功率(或信号放大倍数)做出固定步长(ΔP)的升降调整。算法的关键参数是控制步长ΔP，ΔP越长跟踪速度就越快，但误差也就越大，反之亦然。

发明内容

技术问题：依据上述所述由于自然环境的多种因素会对卫星信号链路产生干扰，本发明提供了一种卫星通信系统中上行链路自适应闭环功率控制方法，它采用基于二分搜索增长的功率控制算法，解决了由于环境等因素对卫星信号链路产生的干扰，并且可以通过控制增减功率放大的倍数从而达到自适应控制功率抗干扰的目的。

技术方案：将功率控制看成这样一个搜索问题：系统可以通过误码率给出是/否，来告知当前的误码率是否超过了允许的误码率范围。如果知道最大和最小的功率放大倍数，我们可以用二分搜索技术来找到目标功率放大倍数，它的大小为最大和最小放大倍数的中点。

所提出的基于二分搜索增长的功率控制算法是一种基于误码率的上行链路自适应功率闭环控制算法。其原理为：由于在新的最大放大倍数情况下误码率小于允许的范围，或在新的最小放大倍数情况下误码率大于允许的范围，那么目标放大倍数一定在这两个值之间。在到达了目标放大倍数之后，误码率大于允许的范围，那么当前的放大倍数变成了最小的放大倍数，并且下一时刻的放大倍数将会被计算。如果在到达了目标放大倍数之后，误码率小于允许的范围，那么当前的放大倍数变成了最大的功率放大倍数。这一过程将会通过更新最小和最大放大倍数不断的重复，直到当前的误码率在允许的范围内，我们称这种技术为基于二分搜索增长的功率控制方法。

当误码率已在允许的范围内后，若经过一段时间其又大于允许的范围，说明周围的环境等干扰发生了变化，显然当前的最大和最小放大倍数已不适合，则将当前的放大倍数设为最小放大倍数，而将最大放大倍数置为初始值；若小于允许的误码率范围，则将当前的放大倍数设为最大放大倍数，而将最小放大倍数置为初始值。

一、体系结构

基于本发明的卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统和地面控制中心等五大部分组成。如图1所示。其中有的直接用来进行通信，有的用来保障通信的进行。

(1)跟踪遥测及指令分系统

其任务是对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道修正和位置保持。

(2)监控管理分系统

其任务是对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如，对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。

(3)空间分系统

通信卫星内的主体是通信装置，其保障部分则有星体上的遥测指令、控制系统和能源(包括太阳能电池和蓄电池)装置等。

(4)地球站

地球站是微波无线电收、发信台(站)，用户通过它们接入卫星线路，进行通信。如图2所示地球站的组成方框图，大体上可分为：天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备和电源设备。

(5)地面控制中心

其任务是对地面站进行功率控制。多个地面控制中心组成一个地面控制网络。每个控制中心分管一部分临近的地球站，主要包括接收设备、命令发送设备、天线馈线设备、中央处理设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备和电源设备，如图3所示。

二、方法流程

在地面控制中心使用基于二分搜索增长的功率控制算法来更新地球站下一时刻的功率放大倍数。在系统运行前，先将标志位置0，将最大和最小功率放大倍数置为初始置，所述卫星通信系统至少包括一颗对地静止卫星，一个地球站和一个地面控制中心；地球站和卫星之间传送信号载波，一个地面控制中心管理若干领近的地球站，向其发送功率控制命令，主要用于解决由于环境等因素对卫星信号链路产生的干扰，

具体控制方法为：

步骤1.地球站从所属的地面控制中心接收功率控制命令；

步骤2.地球站根据接收到的功率控制命令，调整其功率放大器的放大倍数；

步骤3.地球站以第一频率向卫星发射一个上行链路信号；上行链路信号经历一个在地球站和卫星之间由雨区等因素引起的衰减；

步骤4.卫星接收该上行链路信号；

步骤5.卫星以第二频率向地面控制中心转发其收到的上行链路信号，第二频率小于第一频率，并不会明显地受到雨区的损害或衰减；

步骤6.地面控制中心接收该下行链路信号；

步骤7.地面控制中心计算接收到的下行链路信号的误码率，并根据该值使用二分搜索增长的方法计算下一刻的功率放大倍数；

步骤8.地面控制中心向地球站发送功率控制命令，指示其下一刻的功率放大倍数；

步骤9.地球站接收该功率控制命令，并根据该命令调整其功率放大器的放大倍数，准备下一时刻的信号发送。

所述的地面控制中心，使用基于二分搜索增长的功率控制算法来更新地球站下一时刻的功率放大倍数，在系统运行前，先将标志位置0，将最大和最小功率放大倍数置为初始置，系统运行的具体步骤为：

步骤21.计算当前信号的误码率；

步骤22.向数据库查询该地球站的前次标志位值；

步骤23.更新标志位：

1)若当前的误码率已在允许的范围内，将标志位置0；

2)若当前的误码率大于允许的范围，将标志位置1；

3)若当前的误码率小于允许的范围，将标志位置2；

步骤24.将当前标志位值记入数据库中；

步骤25.比较前次标志位和当前标志位：

1)若前次标志位和当前标志位分别为0和0、1和0或2和0，表明当前的功率放大倍数正合适，不需作改变；

2)若前次标志位和当前标志位分别为0和1或2和1，表明当前的功率放大倍数变成过小，需重置最大放大倍数为初始值，然后将下一时刻的放大倍数设为最大和当前放大倍数的中点，并将最小放大倍数设为当前的放大倍数；

3)若前次标志位和当前标志位分别为1和1，表明当前的功率放大倍数仍然过小，需将下一时刻的放大倍数设为最大和当前放大倍数的中点，并将最小放大倍数设为当前的放大倍数；

4)若前次标志位和当前标志位分别为0和2或1和2，说明当前功率放大倍数变成过大，需将下一时刻的放大倍数设为当前和最小放大倍数的中点，然后重置最小放大倍数为初始值，并将最大放大倍数设为当前的放大倍数；

5)若前次标志位和当前标志位分别为2和2，说明当前功率放大倍数仍然过大，需将下一时刻的放大倍数设为最大和最小放大倍数的中点，并将最大放大倍数设为当前的放大倍数；

步骤26.等待下一时刻信号的到来。

有益效果：本发明提出了一种卫星通信系统的自适应闭环功率控制方法和基于二分搜索增长的功率控制算法，主要用于解决由于环境等因素对卫星信号链路产生的干扰。

通常采用的固定步长功率控制其控制步长和功率放大倍数更新的时间间隔是固定的，卫星发射功率的放大倍数以固定步长ΔP进行调整。而二分搜索增长可以使得功率放大倍数的探测变得更加有效，在当前放大倍数和自标放大倍数之间的大小的差距非常大时，放大倍数的改变可以非常地迅速；而当差距不大时，放大倍数的增长却又变的比较平缓。这一个独特的增长方式可以迅速地感知到系统环境的变化，在较短时间内将功率放大倍数调整到合适的数值。采用闭环方式可以更精确地感知上行链路信号受到的衰减影响，从而得到更精确的功率控制。

因此，本发明的有益效果主要包括迅速、精确地感知环境等干扰，有效抵抗雨衰等环境干扰因素，提高卫星通信信号质量，实现自适应上行功率控制。

附图说明

图1是根据本发明的卫星通信系统主要单元的方框图，主要由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统和地面控制中心等五大部分组成。

图2是根据本发明的地球站主要单元的方框图，大体上可分为：天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备和电源设备。

图3是根据本发明的地面控制中心主要单元的方框图，主要包括接收设备、命令发送设备、天线馈线设备、中央处理设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备和电源设备。

图4是基于二分搜索增长的功率控制算法的流程图。

图5是卫星通信系统上行链路自适应闭环功率控制的流程图。

图6是实施本发明的最佳方式，包括多个多颗卫星，多个地球站和多个地面控制中心。每个地球站在一段时间内持续向某颗卫星发送信号，一个地面控制中心对其领近的多个地球站实施功率控制。

图7是实施本发明的一个示范实例，包括一颗卫星，一个地球站和一个地面控制中心。该地球站在一段时间内持续向该卫星发送信号，该地面控制中心对该地球站实施功率控制。

具体实施方式

为了方便描述，我们假定有如下应用实例，如图7所示：系统包括一颗卫星，一个地球站和一个地面控制中心。该地球站在一段时间内持续向该卫星发送信号，该地面控制中心对该地球站实施功率控制。

在地面控制中心使用基于二分搜索增长的功率控制算法来更新地球站下一时刻的功率放大倍数。在系统运行前，先将标志位置0，将最大和最小功率放大倍数置为初始置，系统运行后的具体步骤为：

步骤1.计算当前信号的误码率。

步骤2.向数据库查询该地球站的前次标志位值。

步骤3.更新标志位：

(1)若当前的误码率已在允许的范围内，将标志位置0；

(2)若当前的误码率大于允许的范围，将标志位置1；

(3)若当前的误码率小于允许的范围，将标志位置2。

步骤4.将当前标志位值记入数据库中。

步骤5.比较前次标志位和当前标志位：

(1)若前次标志位和当前标志位分别为0和0或1和0或2和0，表明当前的功率放大倍数正合适，不需作改变；

(2)若分别为0和1或2和1，表明当前的功率放大倍数变成过小，需重置最大放大倍数为初始值，然后将下一时刻的放大倍数设为最大和当前放大倍数的中点，并将最小放大倍数设为当前的放大倍数；

(3)若分别为1和1，表明当前的功率放大倍数仍然过小，需将下一时刻的放大倍数设为最大和当前放大倍数的中点，并将最小放大倍数设为当前的放大倍数；

(4)若分别为0和2或1和2，说明当前功率放大倍数变成过大，需将下一时刻的放大倍数设为当前和最小放大倍数的中点，然后重置最小放大倍数为初始值，并将最大放大倍数设为当前的放大倍数；

(5)若分别为2和2，说明当前功率放大倍数仍然过大，需将下一时刻的放大倍数设为最大和最小放大倍数的中点，并将最大放大倍数设为当前的放大倍数；

步骤6.等待下一时刻信号的到来。

应用于整个卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法，其具体步骤如下：

步骤1.地球站从所属的地面控制中心接收功率控制命令。

步骤2.地球站根据接收到的功率控制命令，调整其功率放大器的放大倍数。

步骤3.地球站以第一频率向卫星发射一个上行链路信号；上行链路信号经历一个在地球站和卫星之间由于例如被雨区引起的衰减。

步骤4.卫星接收该上行链路信号。

步骤5.卫星以第二频率向地面控制中心转发其收到的上行链路信号，第二频率小于第一频率，并不会明显地受到雨区的损害或衰减。

步骤6.地面控制中心接收该下行链路信号。

步骤7.地面控制中心计算接收到的下行链路信号的误码率，并根据该值使用二分搜索增长的方法计算下一刻的功率放大倍数。

步骤8.地面控制中心向地球站发送功率控制命令，指示其下一刻的功率放大倍数。

步骤9.地球站接收该功率控制命令，并根据该命令调整其功率放大器的放大倍数，准备下一时刻的信号发送。

Claims (1)

1.一种应用于卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法，其特征在于所述卫星通信系统至少包括一颗对地静止卫星，一个地球站和一个地面控制中心；地球站和对地静止卫星之间传送信号载波，一个地面控制中心管理若干邻近的地球站，向邻近的地球站发送功率控制命令；所述应用于卫星通信系统的上行链路自适应闭环功率控制方法用于解决由于环境因素对对地静止卫星信号链路产生的干扰，所述方法的具体步骤为：

步骤1.地球站从所属的地面控制中心接收功率控制命令；

步骤2.地球站根据接收到的功率控制命令，调整其功率放大器的功率放大倍数；

步骤3.地球站以第一频率向对地静止卫星发射一个上行链路信号；上行链路信号经历一个在地球站和对地静止卫星之间由雨区因素引起的衰减；

步骤4.对地静止卫星接收该上行链路信号；

步骤5.对地静止卫星以第二频率向地面控制中心发送下行链路信号，即转发对地静止卫星自身收到的上行链路信号，第二频率小于第一频率，因此以第二频率发送的下行链路信号并不会明显地受到雨区的损害或衰减；

步骤6.地面控制中心接收该下行链路信号；

步骤7.地面控制中心计算接收到的下行链路信号的误码率，并根据该误码率使用基于二分搜索增长的功率控制算法计算下一刻的功率放大倍数；

步骤8.地面控制中心向地球站发送功率控制命令，指示地球站下一刻的功率放大倍数；

步骤9.地球站接收该功率控制命令，并根据该功率控制命令调整其功率放大器的功率放大倍数，准备下一时刻的信号发送；

所述地面控制中心使用基于二分搜索增长的功率控制算法计算下一刻的功率放大倍数具体为：在系统运行前，先将标志位值置0，将最大和最小功率放大倍数置为初始值，并在所述地面控制中心执行以下步骤：

步骤21.计算当前信号的误码率；

步骤22.向数据库查询该地球站的前次标志位值； 

步骤23.更新当前标志位值：

1)若当前信号的误码率已在允许的范围内，将当前标志位值置0；

2)若当前信号的误码率大于允许的范围，将当前标志位值置1；

3)若当前信号的误码率小于允许的范围，将当前标志位值置2；

步骤24.将当前标志位值记入数据库中；

步骤25.比较前次标志位值和当前标志位值：

1)若前次标志位值和当前标志位值分别为0和0、1和0或2和0，表明当前的功率放大倍数正合适，不需作改变；

2)若前次标志位值和当前标志位值分别为0和1或2和1，表明当前的功率放大倍数变成过小，需重置最大功率放大倍数为初始值，然后将下一时刻的功率放大倍数设为最大和当前功率放大倍数的中点，并将最小功率放大倍数设为当前的功率放大倍数；

3)若前次标志位值和当前标志位值分别为1和1，表明当前的功率放大倍数仍然过小，需将下一时刻的功率放大倍数设为最大和当前功率放大倍数的中点，并将最小功率放大倍数设为当前的功率放大倍数；

4)若前次标志位值和当前标志位值分别为0和2或1和2，说明当前功率放大倍数变成过大，需将下一时刻的功率放大倍数设为当前和最小功率放大倍数的中点，然后重置最小功率放大倍数为初始值，并将最大功率放大倍数设为当前的功率放大倍数；

5)若前次标志位值和当前标志位值分别为2和2，说明当前功率放大倍数仍然过大，需将下一时刻的功率放大倍数设为最大和最小功率放大倍数的中点，并将最大功率放大倍数设为当前的功率放大倍数；

步骤26.等待下一时刻信号的到来。 

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