【卫星通信】通信卫星链路预算计算及其在3GPP NTN中的应用

引言

卫星通信是现代信息传播的重要手段，广泛应用于电信、广播、气象监测、导航等领域。卫星链路预算计算是设计和优化卫星通信系统的重要步骤，它帮助工程师评估信号在传输过程中的衰减和增益，从而确保系统在预定条件下可靠地工作。

1. 链路预算基本概念

卫星链路预算是通过计算信号在发射、传播和接收三个阶段的损耗和增益，来确定接收端可以获得的信号质量的过程。这个过程通常涉及以下几个主要组成部分：

• 发射功率：卫星或地面站在发送信号时的功率输出。
• 发射天线增益：天线的增益反映了天线把信号聚焦到特定方向的效率。
• 传播损耗：信号在传播过程中因距离、频率以及环境因素（如雨衰、建筑物遮挡等）造成的衰减，包括：
  – 自由空间损耗：信号在自由空间中传播时，由于距离和频率等因素导致信号强度衰减
  – 闪烁损耗（Scintillation Losses）：闪烁损耗是指在信号传播过程中，由于大气扰动造成的信号强度变化，通常表现为信号的快速波动。
  – 大气损耗（Atmospheric Losses）：大气损耗是指信号在通过大气层时，由于气体吸收和散射而导致的衰减。
  – 极化损耗（Polarization Loss）：极化损耗是指由于发送和接收天线之间的极化不匹配而导致的信号损失。
  – 阴影裕度（Shadow Margin）：阴影裕度用于补偿由于建筑物、地形等造成的信号遮挡和衰減，确保在边界情况下仍能获得可靠信号。
• 接收天线增益：接收端天线的增益，影响信号强度的提升。
• 噪声和其他因素：包括接收器的噪声系数以及外部干扰等。

2. 链路预算计算步骤

2.1 确定链路参数

首先，需要确定链路的基本参数，包括：

• 频率范围
• 发射功率（通常以dBm表示）
• 发射和接收天线的增益（以dBi表示）
• 传播距离

2.2 计算传播损耗

传播损耗可以通过不同的公式来计算，最常用的是自由空间传播损耗（Free Space Path Loss, FSPL），描述信号在自由空间中传播时由于距离和频率等因素造成的衰减的公式。其计算公式为：

$$L_{FSPL}=20{\log }_{10}(d)+20{\log }_{10}(f)+32.44$$

变量说明

• $$L_{FSPL}$$：自由空间传播损耗（单位：dB）
• $$d$$：信号传播的距离（单位：公里）
• $$f$$：信号频率（单位：MHz）

公式推导

1. 第一个项 $$20{\log }_{10}(d)$$：表示随着传播距离的增加，信号强度以对数比例衰减。每增加一倍的距离，信号强度衰减约6 dB。

2. 第二个项 $$20{\log }_{10}(f)$$：表示频率对传播损耗的影响，高频信号比低频信号传播损耗更大。

3. 常数项 $$32.44$$：用于将距离和频率转化为适合的单位，使得最终结果为dB。此项是源于在特定条件下（1公里，1MHz）自由空间的传播损耗。

综合考虑3GPP NTN（非地面网络）链路预算中的各种损耗（闪烁损耗、大气损耗、极化损耗和阴影裕度），可以使用以下公式来计算总损耗：

$$L_{Space}=L_{FSPL}+L_{Scintillation}+L_{Atmospheric}+L_{Polarization}+L_{Shadow}$$

2.3 链路预算计算

空间传输信道的链路预算可以通过以下公式进行计算：
$$P_r=P_t+G_t-L_{total}+G_r$$
其中：

• $$P_r$$ = 接收功率（dBm）
• $$P_t$$ = 发射功率（dBm）
• $$G_t$$ = 发射天线增益（dBi）
• $$L_{fs}$$ = 传播损耗（dB）
• $$G_r$$ = 接收天线增益（dBi）
  最终得到的结果是接收信号的功率，如果这个功率高于接收机的灵敏度，那么链路是有效的。

2.4 接收机灵敏度的计算

接收机灵敏度是指接收机能够成功解调的最小信号功率，通常以 dBm 表示。灵敏度与接收信号的带宽、噪声系数、所需的载波噪声比（C/N）等因素相关。下面是详细的计算步骤和公式。

接收机的灵敏度可以通过以下公式计算：
$$S=-174+10{\log }_{10}(B)+NF+C/N$$
其中：

• $$S$$：接收机的灵敏度（单位：dBm）
• $$B$$：接收带宽（单位：Hz）
• $$NF$$：接收机的噪声系数（单位：dB）
  -$$C/N$$：所需的载波噪声比（单位：dB），通常由调制方式决定。

3. 3GPP NTN应用示例

根据3GPP TR 36.763，卫星的链路包括服务链路（Service Link）和馈电链路(Feedback Link)，我们以服务链路为例，进行链路预算的分析，分为下行链路（卫星到终端）和上行链路（终端到卫星）。

3.1 空间传输损耗

在3GPP TR 36.763,定义了5种卫星链路模型，其空间损耗如下：

其他损耗	地球静止轨道 (35786 km)	低地轨道 (1200 km)	低地轨道 (600 km)	中高度轨道 (10000 km)
闪烁损耗	2.2 dB	2.2 dB	2.2 dB	2.2 dB
大气损耗	0.2 dB	0.1 dB	0.1 dB	0.04 dB
极化损耗	3 dB	3 dB	3 dB	3 dB
阴影余量	3 dB	3 dB	3 dB	3 dB

不同卫星模型下的自由空间路径损耗（FSPL）：

FSPL	地球静止轨道 (35786 km)	低地轨道 (1200 km)	低地轨道 (600 km)	中高度轨道 (10000 km)
Set-1	190.8 dB	165.1 dB	159.7 dB	-
Set-2	190.6 dB	165.8 dB	160.4 dB	-
Set-3	190.6 dB	164.5 dB	159.1 dB	-
Set-4	-	-	159.1 dB	-
Set-5	-	-	-	178.5 dB

3.2 卫星链路预算参数

在3GPP TR 36.763,定义了5种卫星链路模型，其链路预算参数如下：

Set 1 卫星参数用于系统级仿真校准

卫星轨道	GEO	LEO-1200	LEO-600
卫星高度	35786 km	1200 km	600 km
卫星天线图案	Clause 6.4.1 in TR 38.811	Clause 6.4.1 in TR 38.811	Clause 6.4.1 in TR 38.811
中央波束边缘仰角	2.3度	26.3度	27.0度
中央波束中心仰角	12.5度	30.0度	30.0度

有效卫星天线孔径 (注1)	S 波段（即 2 GHz）
卫星 EIRP 密度	59 dBW/MHz	40 dBW/MHz	34 dBW/MHz
卫星 TX 最大增益	51 dBi	30 dBi	30 dBi
3dB 波束宽度	0.4011度	4.4127度	4.4127度
卫星波束直径 (注2)	250 km	90 km	50 km

有效卫星天线孔径 (注1)	S 波段（即 2 GHz）
G/T	19 dB/K	1.1 dB/K	1.1 dB/K
卫星 Rx 最大增益	51 dBi	30 dBi	30 dBi

注释

1. 此波束尺寸指卫星的天顶指向。
2. 所有这些卫星参数均适用于每个波束。
3. EIRP密度值在所有频率重用因子选项中被视为相同。
4. EIRP密度值假定卫星高功率放大器以[10] dB的退后操作。

Set 2 卫星参数用于系统级仿真校准

卫星轨道	GEO	LEO-1200	LEO-600
卫星高度	35786 km	1200 km	600 km
卫星天线图案	Clause 6.4.1 in TR 38.811	Clause 6.4.1 in TR 38.811	Clause 6.4.1 in TR 38.811
中央波束边缘仰角	11.0度	22.2度	23.8度
中央波束中心仰角	20.0度	30.0度	30.0度

有效卫星天线孔径 (注1)	S 波段（即 2 GHz）
卫星 EIRP 密度	53.5 dBW/MHz	34 dBW/MHz	28 dBW/MHz
卫星 TX 最大增益	45.5 dBi	24 dBi	24 dBi
3dB 波束宽度	0.7353度	8.8320度	8.8320度
卫星波束直径 (注2)	450 km	190 km	90 km

有效卫星天线孔径 (注1)	S 波段（即 2 GHz）
G/T	14 dB/K	-4.9 dB/K	-4.9 dB/K
卫星 Rx 最大增益	45.5 dBi	24 dBi	24 dBi

注释

1. 此值等效于第6.4.1节中的天线直径。
2. 此波束尺寸指卫星的天顶指向。
3. 所有这些卫星参数均适用于每个波束。
4. EIRP密度值在所有频率重用因子选项中被视为相同。

Set 3 卫星参数用于系统级仿真校准

卫星轨道	GEO	LEO-1200	LEO-600
卫星高度	35786 km	1200 km	600 km
中央波束边缘仰角	12.5度	30度	30度
中央波束中心仰角	20.9度	46.05度	43.78度

有效卫星天线孔径 (注1)	S 波段（即 2 GHz）
卫星 EIRP 密度	59.8 dBW/MHz	33.7 dBW/MHz	28.3 dBW/MHz
卫星 TX 最大增益	45.7 dBi	16.2 dBi	16.2 dBi
3dB 波束宽度	0.7353度	22.1度	22.1度
卫星波束直径 (注2)	459 km	470 km	234 km

有效卫星天线孔径 (注1)	S 波段（即 2 GHz）
G/T	16.7 dB/K	-12.8 dB/K	-12.8 dB/K
卫星 Rx 最大增益	45.7 dBi	16.2 dBi	16.2 dBi

注释

1. 此值等效于第1节中的天线直径。
2. 卫星波束直径以天顶点为准。
3. 中心波束中心高程在 TR 38.821 中称为中心波束高程。
4. 中心波束边缘高程为波束布局中中心波束的最小波束边缘高程。

Set 4 和Set 5 的参数可以参考3GPP TR 36.763。

3.3 卫星链路预算计算

以卫星Set 1模型参数为例，计算IoT-NTN的链路预算，信号带宽180KHz，噪声系数NF=7dB，终端发射功率PC2 = 26dBm，终端和基站接收机解调信噪比门限分别假设为4.5dB和7dB，卫星链路预算表格如下：

参数	NPUSCH		NPDSCH
	星下点	远点（40 度）	星下点	远点（40 度）
频率（GHz）	1.99	1.99	2.18	2.18
星地距离 (km)	600	806	600	806
自由空间损耗 FSPL (dB)	153.98	156.54	154.77	157.34
闪烁损耗 (dB)	2.2	2.2	2.2	2.2
大气损耗 (dB)	0.1	0.1	0.1	0.1
极化损耗 (dB)	3	3	3	3
阴影裕量 (dB)	3	3	3	3
空间损耗 (dB)	162.28	164.84	163.07	165.64
终端 TX EIRP (dBm)	26	26	-	-
卫星 RX G/T (dB/K)	1.1	1.1	-	-
卫星 Rx max Gain (dBi)	30	30	-	-
卫星 EIRP density (dBW/MHz)	-	-	34	34
卫星 Tx max Gain (dBi)	-	-	30	30
卫星 TX 功率 (dBm)	-	-	56.55	56.55
终端噪声系数	-	-	7	7
带宽 (kHz)	180	180	180	180
接收信号强度 (dBm)	-106.28	-108.84	-106.52	-109.09
接收噪声强度 (dBm)	-116.2	-116.2	-114.45	-114.45
接收 C/N (dB)	9.92	7.36	7.93	5.36
解调门限 (dB)	4.5	4.5	4.5	4.5
链路余量 (dB)	5.42	2.86	3.43	0.86

结论

卫星链路预算计算是设计和优化卫星通信系统的关键步骤。通过合理的链路预算，工程师可以确保链路的可靠性和有效性，从而支持各种通信应用的需求。

参考文献

• 3GPP TR 36.763