CN102905358B - 一种卫星通信系统链路自适应步长功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星通信系统链路自适应步长功率控制方法，采用基于卡尔曼滤波器估计信道和功率控制历史来调整步长从而改变功率控制，解决了信道中深度衰落和快速衰落带来的影响。在卫星通信系统中引入了地面控制中心，通过其中的卡尔曼过滤器得到对当前信道衰弱的估计，并根究历史功率控制调整指令来计算下一时刻的功率放大倍数，能够迅速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，克服了卫星接入网中星地链路深度衰落和快速衰落带来的影响。

Description

一种卫星通信系统链路自适应步长功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于卫星通信网络链路自适应步长功率控制方法，具体是一种基于卫星链路信道状况调整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：基站用单位时间内测量的信号干扰比（SIR）值，然后与期望的信号干扰比进行比较。根据计算的结果，向发射基站传送功率调整指令，使功率放大器相应地调整它的功率。如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

$\stackrel{\‾}{P}\left(t\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T_p}(P\left(t\right)*G\left(t\right)+n\left(t\right))\mathrm{dt}---\left(1\right)$

P(t)=P(t一T_p)±ΔpN_tpc(t)        （2）

（1）式中为P(t)为地面站在t时刻的发射功率，假设P(t)在整个信道周期内保持不变。G(t)是信道衰弱参数，可以得到功率控制周期内的平均接收功率，记为

（2）式表示现有的上行链路功率控制算法中，发射信号的功率P(t)在每个功率控制周期T_p以步长△p进行调整，N_tpc(t)为功率控制命令，本发明中默认△p为△。

N_tpc(t)=sign(γ_s(t)-γ(t))       （3）

（3）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（Δ）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步长功率控制方法，它采用曼滤波器估计信道环境以及采用记忆单元来记录前面的功率控制调整指令，并综合利用两方面的信息来决定下一次的功率调整步长，从而克服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：功率的步长设定不再是简单的固定步长变化，引进卡尔曼滤波器来估计信道误码，并采用记忆单元来记录前面的功率调整指令，利用两者的综合信息来确定步长。

一般来说，卡尔曼滤波是根据观测数据对随机量进行定量推断就是估计问题，特别是对动态行为的状态估计，它能实现实时运行状态的估计和预测功能。本发明中卡尔曼滤波主要是用来预测信道的误码状态，分别采用系统模型和观测模型来对下一时刻的信道状态进行预测。

其中，系统模型和观测模型分别用下面式子进行标示：

X(n)=HX(n-1)+w(n)            (4)

Z(n)=X(n)+v(n)               (5)

其中，X(n)表示待估参数，Z(n)表示观测值，w(n)和v(n)分别表示噪声和观测噪声，H为系统参数。系统模型和观测模型分别经过初始化和循环过程，循环结束后可以得到很到的信道估计曲线。

本发明还主张在功率控制部分加入一个记忆模块，称之为功率控制指令计数器，用来记录每次的功率控制命令。记录的信息和同信道估计状态相结合决定下一次的功率调整步长。

当误码率已在允许的范围内后，若信道慢慢变化或衰弱，可以采用较小的步长进行动态调整功率，若信道发生比较大的影响，出现了快速衰弱的状况，则可以快速调整功率步长为较大的值，来减少环境因素对通信造成的影响的同时可以节省资源，实现资源利用最大化。

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。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。

二、方法流程

在地面控制中心使用基于预测信道与当前功率放大倍数的功率控制算法来更新地球站下一时刻的功率放大倍数。系统中需要进行卡尔曼过滤，其实现的步骤大体上可以分为3步：

步骤1：初始化

初始预测值： $\stackrel{\‾}{X}\left(0\right)=E\left\{X\left(N\right)\right\}=0;$ 预测误差方差 $P\left(1\right)\≥\{{\mathrm{\σ}}_w^2,{\mathrm{\σ}}_v^2\};$ 记录循环次数：Time=1;

步骤2：开始循环

计算卡尔曼增益： $k\left(n\right)=\frac{P\left(n\right)}{P\left(N\right)+{\mathrm{\σ}}_v^2\left(n\right)};$

计算当前的估值： ${\stackrel{\‾}{X}}_{\mathrm{curr}}=\stackrel{\‾}{X}\left(n\right)+k\left(n\right)[Z\left(n\right)-X\left(n\right)];$

当前预测： $\stackrel{\‾}{X}(n+1)=\mathrm{\φ}\left\{{\stackrel{\‾}{X}}_{\mathrm{curr}}\left(n\right)\right\};$

计算当前的误差方差：P_curr=[1-k(n)]P(n);

预测误差方差： $P_{\mathrm{curr}}(n+1)={\mathrm{\Φ}}^2\left\{P_{\mathrm{curr}}\left(n\right)\right\}+{\mathrm{\σ}}_w^2;$

功率更新；

循环次数Time++；

步骤3：循环结束

通过步骤1和步骤2最终可以得出很好的估计曲线，记为G(t)信道估计曲线。

上面的介绍的步骤是对信道进行卡尔曼过滤，现在将G(t)信道估计曲线应用到整个系统中。在系统运行前，先将标志位置0，将功率放大倍数置为初始置Δ，系统运行后的具体步骤为：

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引起地信道快速深度衰弱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并进行信道衰弱估计，并根据该值使用预测性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，设置功率放大倍数为Δ，系统运行后的具体步骤为：

步骤21.卡尔曼过滤估计信道衰弱，形成控制命令TPC，

步骤22.将当前标志记入功率控制指令计数器，

步骤23.比较前一时刻标志位和当前标志位：

231）地面基站需要增加发射功率，TPC标志为1，

若前一时刻功率控制指令是0，即TPC=1，则控制步长Δp=-Δ；

若前一时刻功率控制指令是1，即TPC=0，则Δp=-0.25Δ；

232）地面基站需要减少发射功率，TPC标志为0；

若前一时刻功率控制指令是1，即TPC=1，则控制步长Δp=-Δ；

若前一时刻功率控制指令是0，即TPC=1，则Δp=-0.25Δ；

步骤24.根据确定的步长调整功率放大倍数；

步骤25.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步长功率控制方法和基于历史功率控制和预测信道状态的功率控制算法，主要用于解决由于环境突变等因素造成地深度信道衰弱对通信产生的干扰。

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Δ进行调整。而本发明可以使得功率放大倍数的探测变得更加有效，信道的衰落变化缓慢时，系统使用较小的功率调整步长，而此时功率控制错误的标准方差也是比较低的。但是，当信道发生快速的深度衰落时，控制中心连续地发出功率控制指令要求地球站提高发射功率，则功率调整步长变为使用较大的值。在信道不同深度的衰落时，采用相应的基准值C_i，C₁ C₂和C₃是由信道差值参数得到地一个基准量。

因此，本发明的有益效果主要包括迅速地感知环境等干扰，克服信道中深度衰落和快速衰落带来的影响，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是基于动态自适应步长调整的功率控制算法的流程图。

图3是卫星通信系统上行链路自适应功率控制的流程图。

图4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5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5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自适应步长调整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，先将标志位置清0，将功率放大倍数置初始设置为Δ，系统运行后的具体步骤为：

步骤1.卡尔曼过滤估计信道衰弱，形成控制命令TPC。

步骤2.将当前标志记入功率控制指令计数器。

步骤3.比较前一时刻标志位和当前标志位：

（1）地面基站需要增加发射功率，TPC标志为1

若前一时刻功率控制指令是0，即TPC=1，则控制步长Δp=-Δ；

若前一时刻功率控制指令是1，即TPC=0，则Δp=-0.25Δ。

（2）地面基站需要减少发射功率，TPC标志为0

若前一时刻功率控制指令是1，即TPC=1，则控制步长Δp=-Δ；

若前一时刻功率控制指令是0，即TPC=1，则Δp=-0.25Δ。

步骤4.根据确定的步长调整功率放大倍数。

步骤5.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并进行信道衰弱估计，并根据该值使用预测性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)

1.一种卫星通信系统链路自适应步长功率控制方法，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，向其发送功率控制命令，主要用于解决由于环境因素引起的信道快速深度衰弱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因素的损害或衰减；

步骤6.地面控制中心接收下行链路信号；

步骤7.地面控制中心计算接收到的下行链路信号并进行信道衰弱估计，并根据信道衰弱估计值使用预测性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，设置功率放大倍数为Δ，系统运行后的具体步骤为：

步骤2.1卡尔曼过滤估计信道衰弱，形成控制命令TPC，

步骤2.2将当前标志记入功率控制指令计数器，

步骤2.3比较前一时刻标志位和当前标志位：

2.3.1)地面基站需要增加发射功率，TPC标志为1，

若前一时刻功率控制指令是0，即TPC＝1，则控制步长Δp＝-Δ；

若前一时刻功率控制指令是1，即TPC＝0，则Δp＝-0.25Δ；

2.3.2)地面基站需要减少发射功率，TPC标志为0；

若前一时刻功率控制指令是1，即TPC＝0，则控制步长Δp＝-Δ；

若前一时刻功率控制指令是0，即TPC＝1，则Δp＝-0.25Δ；

步骤2.4根据确定的步长调整功率放大倍数；

步骤2.5等待下一时刻信号的到来。