CN117040586A - 高速星地数据传输的频段分配方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高速星地数据传输的频段分配方法。该方法包括：根据天气条件相关的信号衰减参数，在标准频段中选择应用频段；将所述应用频段划分成多个频带；以及根据所述多个频带的信号衰减特性，对所述高速星地数据通信进行硬件验证。根据本申请的频段分配方法，根据仰角范围和雨衰，将硬件参数(例如行波管功率和/或发射/接收天线口径)作为约束条件，在额定速率下对高速星地数据通信链路进行硬件验证，通过调整仰角范围以及对抗雨衰的功率裕量来保证通信链路的有效连接。

Description

高速星地数据传输的频段分配方法

技术领域

本申请涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种高速星地数据传输的频段分配方法。

背景技术

采用卫星与地面站组成的卫星通信系统进行高速数据传输，已经成为现代无线通信技术的重要技术发展方向。我国的卫星通信系统主要工作在X频段与Ka频段，采用的调制方式最高为16APSK，滚降成型系数在0.3～0.5之间，星-地高速数据传输速率大约在600Mbps-2Gbps左右，远不能满足未来高速发展的卫星互联网应用需求。

为了进一步提升卫星通信系统的数据速率，最直接的方法是通过增加带宽来增加系统容量和传输速率，因此，卫星通信系统正在寻找新的可用频段。Q/V频段处于极高频(EHF)范围内的33～75GHz之间，与Ku/Ka频段卫星相比，在使用相同频谱数量的情况下，可获得高达多倍的容量，可以向全球用户提供高速宽带数据传输业务，同时可减少通信传输成本。因此，Q频段由于其带宽大、容量高，已成为正在快速发展的热点频段。

随着集成电路制造工艺的不断发展，工作于Q/V频段的卫星通信系统已经成功地应用于商用卫星市场。在20世纪90年代末，美国提出了用于商业宽带服务的Q/V频段的卫星系统研制计划。欧洲卫星工业界也相继开展了多项Q/V频段载荷的研究工作，2013年意大利航天局(ASI)发射了Alphasat卫星，卫星搭载了欧洲首个Q/V频段通信载荷TDP5。国的SpaceX公司于2017年提出了“Starlink”NGSO星座计划，星座将采用7518颗Q/V频段卫星，轨道高度不超过400km，星间将创新地采用激光链路进行通信，用以增强首批提出、由四千余颗卫星组成并工作于Ku/Ka频段的卫星星座。SpaceX透露其星座的通信延迟将不超过25～35ms，可以向全球各地的用户提供高速的宽带通信网络服务，成为地面光纤系统的有力竞争对手。

从国内外各大运营商、研究机构开展的测试结果来看，工作于Q/V频段的卫星通信系统具有超宽带、大容量、低成本等突出优势，已经成为新一代高通量宽带卫星的最佳频段。然而，相对于低频段，Q/V频段面临的大气损耗更为严重，且雨衰效应更为明显。为保证地面接收信号的质量，在链路计算过程中通常选取较为保守的信道特征进行频段分配，导致星地链路的设计和链路余量过大，无法达到较高的速率。

因此，亟需一种新的频段分配方法，使星地链路计算更加精确，星上功率可以得到更充分的利用。

发明内容

鉴于上述问题，本申请的目的是提供高速星地数据传输的频段分配方法，根据频带的信号衰减特性对高速星地数据通信进行硬件验证，以实现高速率和高可靠性的星地数据通信。

根据本申请的一方面，提供一种高速星地数据传输的频段分配方法，包括：根据天气条件相关的信号衰减参数，在标准频段中选择应用频段；将所述应用频段划分成多个频带；以及根据所述多个频带的信号衰减特性，对所述高速星地数据通信进行硬件验证。

可选地，所述频段分配方法还包括，在所述高速星地数据通信未通过验证时，调节所述信号衰减特性，直至所述高速星地通信通过硬件验证。

可选地，所述标准频段包括Q频段，所述应用频段为37.5G-42.5GHz。

可选地，所述高速星地数据通信的应用频段的带宽为5GHz，并且，所述高速星地数据通信的码速率小于等于40Gbps。

可选地，所述多个频带包括带宽为1.1GHz，间隔为200MHz的4个频带。

可选地，所述多个频带包括带宽为2.2GHz，间隔为600MHz的2个频带。

可选地，所述高速星地数据通信的滤波成型系数为0.1；所述高速星地数据通信的调制方式选自8PSK、16APSK、32APSK；并且所述高速星地数据通信采用自适应编码调制技术，根据信道条件选择所述调制方式。

可选地，所述硬件验证包括地面站的接收参数验证和/或卫星的发射参数验证；所述卫星的发射参数包括行波管的发射功率以及发射天线口径，所述地面站的接收参数包括接收天线口径。

可选地，所述硬件验证包括根据预设的所述多个频带的信号衰减特性，计算所述高速星地数据通信达到额定数据速率所需的地面站的接收参数和/或卫星的发射参数以及在验证不通过时，调节所述多个频带的信号衰减特性。

可选地，所述天气条件包括降雨效应，所述信号衰减特性包括所述多个频带由于降雨产生的信号衰减量和信号不平坦度。

根据本申请的频段分配方法，根据影响数传系统链路计算最主要的参数，仰角范围(影响不平坦度)和雨衰，将硬件参数(例如行波管功率和/或发射/接收天线口径)作为约束条件，在额定速率下对高速星地数据通信链路进行硬件验证，通过调整仰角范围以及对抗雨衰的功率裕量来保证通信链路的有效连接。进一步地，通过采用自适应编码调制(ACM)技术，采用多种调制编码组合，在信道条件好时，采用高阶调制与高编码码率，达到高的数据传输速率，在信道条件不好时采用低阶调制和低码率编码，保证数据传输可靠性，从而充分利用星上功率。

附图说明

通过以下参照附图对本申请实施例的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本申请实施例的高速星地数据传输的频段分配方法；

图2示出星地传输链路示意图；

图3示出本申请第一实施例的应用频段划分方法；

图4示出本申请第二实施例的应用频段划分方法；

图5示出不同降雨强度下星地传输链路衰减特性曲线；

图6示出不同仰角下星地传输链路示意图；

图7示出小雨天气下不同仰角下星地传输链路衰减特性曲线；

图8示出云雾天气下不同仰角下星地传输链路衰减特性曲线；

图9示出第一实施例在晴朗天气下的带内不平坦度示意图；

图10示出第二实施例在晴朗天气下的带内不平坦度示意图；

图11示出第一实施例在降雨天气下的带内不平坦度示意图；

图12示出第二实施例在降雨天气下的带内不平坦度示意图；

图13示出第一实施例在云雾天气下的带内不平坦度示意图；

图14示出第二实施例在云雾天气下的带内不平坦度示意图。

具体实施方式

下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

星地直连终端是卫星地面应用系统的重要组成部分，是在传统移动通信网络无法覆盖区域的重要通信手段。随着卫星互联网应用场景的不断深入，卫星互连网承载的业务量越来越大，系统对星-地之间的信息传输速率要求越来越高。我国的卫星通信系统主要工作在X频段与Ka频段，数据传输速率远不能满足未来高速发展的卫星互联网应用需求。

根据香农定理，增加传输带宽会提升信道容量，即可以满足更高速率的数据传输。高频段例如Q频段(36G～46GHz)、V频段(46G～75GHz)可以提供更大的带宽，满足高速数据传输的需求。然而，由于高频段容易受天气影响，尤其是雨衰尤为严重，为保证地面接收信号的质量，在链路计算过程中通常选取较为保守的信道特征进行频段分配，导致星地链路的设计和链路余量过大，星上终端设备过于复杂，性能冗余。

图1示出本申请实施例的高速星地数据传输的频段分配方法。如图1所示，高速星地数据传输的频段分配方法包括：

步骤S01：根据天气条件相关的信号衰减参数，在预定频段中选择应用频段；

步骤S02：将应用频段划分为多个频带；

步骤S03：链路预算；

步骤S04：判断是否通过验证；在未通过验证时，执行步骤S05并重复执行步骤S03、步骤S04，直至通过验证；

步骤S05：根据信号衰减特性调整链路参数。

下面结合其余附图对本申请的高速星地数据传输的频段分配方法做进一步描述。

在步骤S01中，根据天气条件的相关信号衰减参数，在预定频段中选择应用频段：

图2示出星地传输链路示意图。如图所示，对于星-地传输链路100，遥感卫星121一般高度在800～1000km之间，遥感卫星121与地面接收站110之间的电磁波信号传输媒介主要包括对流层、平流层、部分或整个电离层。对于星-星-地传输链路，中继卫星122一般高度约为36000km，位于地球赤道上空，遥感卫星与中继卫星之间的电波信号传播媒介主要为外球层和外层空间，中继卫星与地面站之间的电波信号传播媒介包括外球层、电离层、平流层和对流层。由于传输链路需要经过大气层进行无线信号传播，使得卫星移动信道比传统的无线移动信道更为复杂多变。具体而言，根据ITU-R(国际电信联盟无线通信部)标准将星地链路中的基本传输损耗分成自由空间路径损耗和传输媒介损耗这两个部分。传输媒介损耗将涵盖高频段信号在星地传输环境中的绝大部分功率衰减情况，包括大气吸收(氧气和水蒸气)、云雾衰减(气溶胶和冰粒效应)、电离层闪烁、降雨衰减以及雨和冰晶去极化效应等。

完整的高速星地数据通信系统包括星端发射机、星端发射天线、传播介质、地端接收天线、地端接收机，其无线通信接收功率的链路计算公式：

Pr＝Pt+Gt-L+Gr-ΔL (1)

其中Pr表示接收功率、Pt表示发射功率、Gt表示发射天线增益、L表示自由空间损耗、Gr表示接收天线增益、ΔL表示传输介质损耗。

进一步地，

自由空间损耗计算公式为：

L＝92.4+20lg(f)+20lg(d) (2)

其中，L表示空间损耗，单位为dB；f表示电磁波工作频率，单位为GHz；d表示传输距离，单位为km；

在现有技术中，通常采用抛物面天线作为高增益天线，其天线增益计算公式为：

G＝101g[4.5*(D/λ)2] (3)

其中，G表示天线增益，D表示抛物面直径、λ表示中心频率工作波长。

因此，根据无线通信接收功率的链路计算公式，在不考虑传输介质损耗的情况下，越高频率的无线链路效率越高。也就是说，在高速星地数据传输系统中，需要根据传输介质损耗在标准频段中选择更适合进行数据传输的应用频段。

就高速宽带星地数据系统而言，由于电离层效应对Q/V频段的信号无影响；极化损耗只在进行极化复用时才存在，如果不使用极化复用则不存在极化损耗，自由路径衰减及大气效应在链路中均包括，因此，在本申请中，降雨效应及云雾效应作为对电磁波产生影响的主要天气条件。

进一步地，就具体频段选择而言，在一些实施例中，根据天气条件特别是降雨条件，从衰减的角度，当频率超过50GHz频率时，衰减会迅速增大；从信号不平坦度的角度来看，当频率超过45GHz时，宽带信号的不平坦度会有明显的突变，这一变化要到75GHz才能重新变得平缓。因此，综合衰减以及带内不平坦度，在优选的实施例中，将Q频段(36G～46GHz)作为预定的标准频段，在Q频段中选择数据传输的应用频段。

进一步地，参考波音公司向美国联邦通信委员会提出的使用37.5G～42.5GHz频段进行星地信息传输的建议，在本申请中，也以37.5G～42.5GHz频段作为应用频段进行数据传输为例。但应当理解，本申请选择的应用频段不应被限制于此，例如，可选择5G带宽的其他频段；此外，在一些实施例中，先选择应用频带带宽，再根据天气条件的相关信号衰减参数选择该带宽的应用频段，例如由于Q频段(36G～46GHz)共提供10G带宽，因此，可以选择小于10G的带宽，再选择相应的应用频段。

在步骤S02中，将应用频段划分为多个频带；

在本申请中，选择5G带宽的应用频段(37.5G～42.5GHz)可考虑两种频带使用方式。

在第一实施例中，如图3所示，将应用频段划分为4个频带，即使用四段1.1G(Bn1＝1.1G)的带宽，每两端带宽之间的保护间隔是200M(Bn2＝200M)。进一步地，在一些实施例中，在各个频带中以中心频率为界，将每个频带划分为2个通道(即以F1＝38.05GHz，F2＝39.35GHz，F3＝40.65GHz和F4＝41.95GHz为界将每个频带划分为2个通道)，4个频带中共有8个通道同时进行数据传输。

在第二实施例中，如图4所示，将应用频段划分为2个频带，即使用两段2.2G(Bn3＝2.2G)的带宽，每两路带宽之间的保护间隔是600M(Bn4＝600M)。进一步地，在一些实施例中，在各个频带中以中心频率为界，将每个频带划分为2个通道(即以F5＝38.6GHz和F6＝41.4GHz为界将每个频带划分为2个通道)，2个频带中共有4个通道同时进行数据传输。

进一步地，在本申请中采用8PSK、16APSK、32APSK的调制方式以及0.1的滚降系数(滤波成型系数)的情况，单路星地传输系统的数据速率可计算如下：

序号	调制方式	成型系数	带宽	码速率
					1	8PSK	0.1	1.1G	3Gbps
2	16APSK	0.1	1.1G	4Gbps
					3	32APSK	0.1	1.1G	5Gbps
4	8PSK	0.1	2.2G	6Gbps
					5	16APSK	0.1	2.2G	8Gbps
6	32APSK	0.1	2.2G	10Gbps

根据上表计算结果可知，在本申请的第一实施例中，采用32APSK调制方式以及0.1滤波成型系数，以及天线左右旋圆极化方式，4频带8通道传输最高且可达到8x5Gbps(即通信的码速率最高可达40Gbps)，四个频点分别为：38.05GHz，39.35GHz，40.65GHz和41.95GHz。

在本申请的第二实施例中，采用32APSK调制方式以及0.1成型系数，以及天线左右圆极化方式，2频带4通道的传输最高且可达到4x10Gbps(即通信的码速率最高可达40Gbps)，两个频点分别为：38.6GHz和41.4GHz。

进一步地，在本申请的第一实施例以及第二实施例中，信道编码可选用目前在轨使用的CCSDS标准中建议的7/8码率的LDPC码，编码增益为6dB。

然而应当理解，在本申请中，可以采用自适应编码调制(ACM)技术，采用多种调制编码组合，在信道条件好时，采用高阶调制与高码率编码，达到高的数据传输速率，在信道条件不好时采用低阶调制和低码率编码，保证数据传输可靠性，从而充分利用星上功率。

在步骤S03中，链路预算。

如上所述，完整的高速星地数据通信系统包括星端发射机、星端发射天线、传播介质、地端接收天线、地端接收机。因此，根据上述无线通信接收功率的链路计算公式(1)，在预设信号衰减特性下进行链路预算。

具体地，在一些实施例中，根据预设信号衰减特性计算卫星端发射功率，其预设条件包括发射/接收天线口径、传播距离、天气条件(例如降雨带来的雨衰以及信号不平坦度)等。

在另一些实施例中，根据预设信号衰减特性计算发射端和/或接收端天线口径，其预设条件包括卫星端发射功率、传播距离、天气条件(例如降雨带来的雨衰以及信号不平坦度)等。

示例地，下表1给出了本申请第一实施例中，中心频率为38.05GHz通道的链路计算结果(根据预设条件计算卫星端发射功率)。

表1：第一实施例3G/5G速率卫星数传系统方案链路预算

在步骤S04中，判断是否通过验证，如果未通过验证，则执行步骤S05并重复执行步骤S03、步骤S04，直至通过验证。

具体地，行波管功率放大器(Traveling-wave tube amplifier，简称TWTA，以下简称为行波管)是卫星通信星载系统中重要的高功放元件，其国内外行波管发展现状如下：

国外行波管厂家早在20世纪80年代就在进行Q波段行波管产品的研发和验证，1984年，Varian公司在卫星通讯领域研制成功首支工作频率在Q波段，连续波输出功率在25W的螺旋线行波管。同年，法国Tomson公司成功研制出工作频段为43.5～45.5GHz，输出功率大于90W的螺旋线行波管。第二年，美国Ratheon公司首次研制出在频段42GHz输出功率163W的脊加载螺旋槽结构行波管。2000年，美国休斯公司研制出工作频率为45GHz，输出功率120W，带宽2GHz，效率25％的螺旋线行波管。2003年，L3公司研制出工作频率在43～46GHz，输出功率50W。总效率22％的小型化行波管。同年，波音公司在频段43.5～45.5GHz研制出一支螺旋线行波管。该管运用两级降压收集极使得效率高达40％，输出功率更是高达230W。美国G.Dohler在Q波段内运用折叠波导技术成功研制出一支行波管，此管工作在40～50GHz，瞬时功率达到300W。美国在Q波段行波管陆续出了几个型号：8905HP输出功率120～160W，效率37％；输出功率180～230W，效率47％；915H输出功率250W，效率22％。

国内对于Q波段行波管的研制主要集中在中电十二所，该所近期研制出一支Q波段耦合腔行波管样管，输出功率180～240W，增益30dB，效率27％～43％。Q波段折叠波导行波管在国内基本上只有电子科技大学电真空实验室在做相关研究，2014年研制的Q波段折叠波导行波管工作在43.5～45.5GHz之间，输出功率大于150W。2022年又研制出了饱和功率大于200W、效率优于38％、线性指标优异的Q波段折叠波导行波管。

综上，在一些实施例中，基于目前国内对于高频段行波管的研制现状，行波管的输出功率基本能达到200W，以此为约束条件，可对卫星发射参数进行硬件验证。

从表1的链路预算结果可以看出，基于现有的收发射天线尺寸，为达到单通道3Gbps(即4频带8通道达到24Gbps)以及5Gbps(即4频带8通道达到40Gbps)的数据传输速率，行波管输出功率分别需要达到到142W以及713W。

因此，根据上表中的计算结果，本申请第一实施例的频带划分方法，在采用8PSK的调制方法、0.1的成型系数时(即额定速率为24Gbps时)，可以通过硬件验证；在采用32APSK的调制方法、0.1的滤波成型系数时(即额定速率为40Gbps时)，并不能通过硬件验证，需继续执行步骤S05并重复执行步骤S03(链路预算)。

此外，在另外一些实施例中，由于发射天线/接收天线受限于转速、指向精度、重量、造价等因素，其口径也不能无限增加，即天线的增益不能无限增加，因此，在一些实施例中，将天线口径参数作为约束条件，对卫星的发射参数和地面站的接收参数进行验证。

在步骤S05根据信号衰减特性调整链路参数：

步骤S03中获得的链路预算是在一定的预设条件下计算获得，因此，可以通过调整预设条件实现对链路的调整。

图5示出卫星轨道高度为632km，仰角为90°时，所选的37.5G-42.5GHz频段内，降雨强度分别取R＝0.25mm/h(细雨)、R＝1mm/h(小雨)、R＝4mm/h(中雨)和R＝10mm/h(大雨)时信道的总衰减特性曲线。

如图所示，在37.5G～42.5GHz的频段内，信道衰减曲线较为平坦，随着频率的升高，衰减单调递增，细雨条件与晴朗天气相似，频带高点相对于频带低点会多衰减1dB，小雨条件下，频带高点相对于频带低点会多衰减2dB，中雨条件下，频带高点相对于频带低点会多衰减3dB，大雨条件下，频带高点相对于频带低点会多衰减5dB。

此外，不同降雨条件下对信道的衰减不同，小雨相对于细雨，多衰减2dB左右，中雨相对于细雨，多衰减8dB左右，大雨相对于细雨，多衰减17dB左右，而细雨相对于晴朗天气衰减值为1dB左右。

进一步地，图6示出不同仰角下星地传输链路的示意图。其中，Hs表示地球接收站在平均海平面以上的高度(单位：km)；Hr表示降雨高度(单位：km)。如图所示，在仰角(通信链路与地球站在平均海平面以上的高度之间的夹角)从θ1增大到θ2时，通信链路中受降雨影响的路径长度由Ls1减小到Ls2。因此，可以通过调节仰角角度减少天气条件带来的衰减。

图7示出了小雨(R＝1mm/h)天气下，不同仰角信道的总衰减特性曲线。

如图所示，不同仰角下，降雨天气信道的衰减特性趋势基本相同(即降雨天气下的衰减损耗随频率升高而增大)，只是衰减的具体数值有较大差异。相对于90°天顶接收，5°仰角下具有最大的衰减，衰减值大29dB左右；10°仰角衰减值大20dB左右；30°仰角衰减值大8dB左右。即相同频率下，降雨天气下的衰减损耗随仰角升高而增大。

进一步地，图8示出了云雾(云雾概率p＝0.1％)天气下，不同仰角(通信链路与地球站在平均海平面以上的高度之间的夹角)下信道的总衰减特性曲线。如图所示，云雾天气下通信链路的总衰减特性与降雨天气下的总衰减特性相似，只是衰减量较小。即相较于云雾衰减，降雨衰减的表现更为明显。即在根据降雨天气的信号衰减特性对高速星地数据通信进行硬件验证时，不需要考虑云雾天气。

然而，由于仰角的调节，会影响带内不平坦度，因此，在对高速星地数据通信进行验证时，还需要考虑信号不平坦度。

具体地，图9、图10分别示出第一实施例和第二实施例在晴朗天气下的不平坦度随仰角变化的仿真图。在图8中，包含4条不平坦度曲线，分别对应4个频带，其中心频点分别为：38.05GHz，39.35GHz，40.65GHz和41.95GHz；在图9中，包含两条不平坦度曲线，分别对应2个频带，其中心频点分别为：38.6GHz和41.4GHz。由图可知：

(1)频带中心频率越低，带内平坦度越好。

(2)在第一实施例中，最大不平坦度出现在5°仰角下，此时4个频带的不平坦度分别约为0.35dB-0.45dB，均小于0.5dB，当仰角到30°时，四个频带的不平坦度基本相同，约为0.27dB，对通信链路影响很小。

(3)相较于第一实施例，第二实施例的带宽增加为第一实施例的2倍，带内不平坦度也约为第一实施例的2倍，对通信质量会造成一定影响。

图11和图12分别示出第一实施例和第二实施例在降雨天气(以小雨为例)下的不平坦度随仰角变化的仿真图。在图8中，包含4条不平坦度曲线，分别对应4个频带，其中心频点分别为：38.05GHz，39.35GHz，40.65GHz和41.95GHz；在图9中，包含两条不平坦度曲线，分别对应2个频带，其中心频点分别为：38.6GHz和41.4GHz。由图可知：

(1)在第一实施例中，5°仰角下带内不平坦度约为1.3dB，各频带不平坦度差异小于0.1dB，到30°仰角时，带内不平坦度下降到0.57dB，此时对通信链路影响很小。

(2)在第二实施例中，5°仰角下带内不平坦度约为2.7dB，各频带不平坦度差异约0.1dB，到30°仰角时，带内不平坦度下降到1.16dB，此时对通信链路质量仍然有一定影响。需要在发送端进行预失真处理。

图13和图14分别示出第一实施例和第二实施例在云雾天气(以小雨为例)下的不平坦度随仰角变化的仿真图。在图8中，包含4条不平坦度曲线，分别对应4个频带，其中心频点分别为：38.05GHz，39.35GHz，40.65GHz和41.95GHz；在图9中，包含两条不平坦度曲线，分别对应2个频带，其中心频点分别为：38.6GHz和41.4GHz。由图可知：云雾天气下频带内的不平坦度特性与晴天以及降雨天气相似，只是具体数值分布在晴天与降雨天气之间。即在根据降雨天气的信号衰减特性对高速星地数据通信进行硬件验证时，不需要考虑云雾天气。

在行波管200W输出功率的约束下，在5G的传输速率下链路预算有28.53-10log(200)＝5.53dB的差额。

因此，在一些实施例中，由于降雨对高频段的信号衰减较大，所以即使在小雨(R＝1mm/h)情况下，链路预算中也需要留出17.21dB的对抗雨衰的裕量，如果只考虑细雨(R＝0.25mm/h)天气条件，此时雨衰只有6.6dB，足以弥补5.53dB的差额。

在一些实施例中，将接收仰角增大，例如从5°提高到10°，那么全链路的损耗都将减小。通过软件仿真计算可得，在10°仰角下，小雨(R＝1mm/h)天气，星上EIRP的理论值为48.44dBw，卫星功放输出功率达到70w便能满足需求，即可以通过硬件验证。

在一些实施例中，针对发端功放非线性的影响，在接收端可以采用神经网络相关的技术，在发送端可采用预失真的技术对非线性进行补偿，减少由于峰均比以及功放的非线性造成的损失，例如上表1中由于高阶调制和低滚降系数带来的峰均比产生的调制损失以及链路的非线性损失预算了6.42dB，采用相关技术后，预计能有2-3dB增益。

在一些实施例中，针对高频段卫星，由于链路衰减大，可以考虑采用150km-300km的超低轨道，相对于上表中的632km高度的低轨，在5°视角时，150km高度的轨道会有20lg2404.58-20log942.1＝8.14dB的增益。将此8dB加入到链路预算中，可以使得星端发射功率下降为原来的约1/6，或是能对抗更大的雨衰。目前，中国航天科工二院正在规划超低轨道卫星星座建设，目前正在开展首发星研制，预计今年9月具备发射条件。

此外，在一些实施例中，在允许的范围内可以通过调整天线口径以调整天线增益，具体地，根据天线收益计算公式(3)由于天线的增益与口径的平方成正比，如果将天线的口径增大一倍，便能带来4倍，即6dB的增益。因此，为补偿5.53dB的差额，可将发端天线的口径从0.45米增大到0.9米。此外，如果增大地面接收天线，例如从12米口径增大到15米口径，则会带来1.94dB的增益。

综上所述，在本申请第一实施例中，可采用如下途径调整链路参数：

1.增大星端天线尺寸(口径增大1倍，从0.45米增加到0.9米)；

2.星端与地面接收端天线尺寸同时增加，总面积增大4倍；

3.减小对雨衰损耗的预留；

4.改变仰角，从5°仰角调整为10°仰角；

5.在接收端采用神经网络或者发送端可采用预失真的技术对非线性损失进行补偿。

6.降低卫星轨道。

(其中，减小对雨衰损耗的预留以及降低卫星轨道最为可行，在此基础上，还可以结合在接收端采用神经网络或者发送端可采用预失真的技术对非线性损失进行补偿。如果在接收端采用神经网络或者发送端可采用预失真的技术对非线性损失进行补偿，则可提升视角范围，或者增加对雨衰的对抗能力。)

此后，根据调整后的参数重新进行链路计算，计算结果如下表2：

/>

表2：第一实施例5G速率参数调整后链路预算

如表2所示，对于本申请第一实施例，如果轨道高度为632km，采用32APSK调制方式，0.1的滚降成型系数(额定速率为40Gbps)，在10°视角范围内，降雨强度小于1mm/h条件下，可通过硬件验证。此时星上EIRP需要达到50dBw。进一步地，如果降低轨道，将轨道降低到300km，同样可以通过硬件见证，且相同参数下，星上EIRP只需要45dBw。

参考本申请第一实施例中硬件验证方法，表3以中心频率为38.6GHz的通道为例给出了本申请第二实施例带宽方案的链路计算结果。

/>

表3：第二实施例5G速率参数调整后链路预算

从表3可以看出，对于本申请第二实施例，如果轨道高度为632km，采用32APSK调制方式，0.1的滚降成型系数(额定速率为40Gbps)，在10°视角范围内，降雨强度小于1mm/h条件下，便能通过硬件验证，此时星上EIRP需要达到53dBw。如果降低轨道，将轨道降低到300km，同样可以通过验证，且相同参数下，星上EIRP只需要40dBw。

此外，通过非线性补偿技术，预期可以给链路带来2-3dB增益，从而进一步降低星端发射功率，或减小天线尺寸等。

进一步地，本申请给出了第一实施例以及第二实施例两种频段分配方法，在采用32APSK调制方法以及0.1的滚降成型系数下，均可达到40Gbps的传输速率，其中第一实施例的4频带8通道方案对星端功放要求较低，带内平坦度相对较好，带内不平坦度为1dB左右，但是发射通道较多，系统复杂；第二实施例的2频带4通道方案对星端功放要求较高，但带内平坦度要不好，带内不平坦度超过2dB，但是发射通道少。

综上，根据本申请的频段分配方法，根据影响数传系统链路计算最主要的参数，仰角范围(影响不平坦度)和雨衰，在额定传输速率下将硬件参数(例如行波管功率和/或发射/接收天线口径)作为约束条件，对高速星地数据通信链路进行硬件验证，通过调整仰角范围以及对抗雨衰的功率裕量来保证通信链路的有效连接。进一步地，通过采用自适应编码调制(ACM)技术，采用多种调制编码组合，在信道条件好时，采用高阶调制与高编码码率，达到高的数据传输速率，在信道条件不好时采用低阶调制和低码率编码，保证数据传输可靠性，从而充分利用星上功率。

依照本申请的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本申请以及在本申请基础上的修改使用。本申请仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种高速星地数据传输的频段分配方法，包括：

根据天气条件相关的信号衰减参数，在标准频段中选择应用频段；

将所述应用频段划分成多个频带；以及

根据所述多个频带的信号衰减特性，对所述高速星地数据通信进行硬件验证。

2.根据权利要求1所述的频段分配方法，其中，所述频段分配方法还包括，在所述高速星地数据通信未通过验证时，调节所述信号衰减特性，直至所述高速星地通信通过硬件验证。

3.根据权利要求1所述的频段分配方法，其中，所述标准频段包括Q频段，所述应用频段为37.5G-42.5GHz。

4.根据权利要求1所述的频段分配方法，其中，所述高速星地数据通信的应用频段的带宽为5GHz，并且，所述高速星地数据通信的码速率小于等于40Gbps。

5.根据权利要求4所述的频段分配方法，其中，所述多个频带包括带宽为1.1GHz，间隔为200MHz的4个频带。

6.根据权利要求4的频段分配方法，其中，所述多个频带包括带宽为2.2GHz，间隔为600MHz的2个频带。

7.根据权利要求4所述的频段分配方法，其中，所述高速星地数据通信的滤波成型系数为0.1；所述高速星地数据通信的调制方式选自8PSK、16APSK、32APSK；并且所述高速星地数据通信采用自适应编码调制技术，根据信道条件选择所述调制方式。

8.根据权利要求1所述的频段分配方法，其中，所述硬件验证包括地面站的接收参数验证和/或卫星的发射参数验证；所述卫星的发射参数包括行波管的发射功率以及发射天线口径，所述地面站的接收参数包括接收天线口径。

9.根据权利要求8所述的频段分配方法，其中，所述硬件验证包括根据预设的所述多个频带的信号衰减特性，计算所述高速星地数据通信达到额定数据速率所需的地面站的接收参数和/或卫星的发射参数以及在验证不通过时，调节所述多个频带的信号衰减特性。

10.根据权利要求1所述的频段分配方法，其中，所述天气条件包括降雨效应，所述信号衰减特性包括所述多个频带由于降雨产生的信号衰减量和信号不平坦度。