在射頻（RF）通信系統(tǒng)中，信號從發(fā)射器到接收器所經(jīng)過的路徑稱為通信鏈路。在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)，評估該路徑上的信號強(qiáng)度、噪聲水平，以及各種損耗的過程稱為鏈路預(yù)算分析。

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，計(jì)算鏈路預(yù)算是最關(guān)鍵的步驟之一；它是對通信鏈路端到端性能的理論評估。工程人員通過鏈路分析這一過程，來量化在特定條件下系統(tǒng)預(yù)期增益和損耗。該分析在考慮所有相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的情況下，有助于預(yù)測發(fā)射器與接收器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

此分析中的性能組件包括發(fā)射功率、天線增益、路徑損耗、接收器靈敏度，以及因大氣吸收、多徑衰落，或系統(tǒng)缺陷等造成的額外損耗，詳見圖1。通過將這些數(shù)值組織成結(jié)構(gòu)化的計(jì)算模型，工程人員可以評估接收信號功率是否足以滿足所需的服務(wù)質(zhì)量，并支持通信信道中期望的信號波形。每一個(gè)組成部分都對最終的鏈路預(yù)算結(jié)果產(chǎn)生重要影響，理解其作用對于設(shè)計(jì)可靠且高效的通信系統(tǒng)舉足輕重。

圖1，衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算及其影響因素

優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)的RF鏈路預(yù)算是確保通信可靠性的關(guān)鍵。采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，對于提升并維持信號質(zhì)量、提高頻譜效率，以及確保穩(wěn)健的連接必不可少。本文探討了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算概念及其計(jì)算方法，也包括設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對鏈路預(yù)算挑戰(zhàn)的一些技術(shù)手段。其中一種計(jì)算方法是弗里斯傳輸公式（Friis Transmission Formula），如下所示。其作為電信領(lǐng)域中的一個(gè)基礎(chǔ)方程，用于描述在自由空間理想條件下，接收天線接收到的功率與發(fā)射天線輻射功率之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)考慮了距離和天線特性的影響。該公式廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中對接收信號強(qiáng)度的初步估算。

弗里斯傳輸公式

衛(wèi)星鏈路預(yù)算通信中的關(guān)鍵參數(shù)

天線增益-噪聲溫度比（G/T）是衡量接收系統(tǒng)性能的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。天線增益反映了系統(tǒng)聚焦和放大輸入RF信號的能力，而天線噪聲溫度則衡量了天線從各種來源所捕獲的總噪聲功率；包括天空溫度、LNA噪聲溫度，和饋線損耗溫度。全面了解G/T比值，對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)及其相關(guān)鏈路預(yù)算的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化具有決定性意義。

在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的接收端，G/T比值將接收天線的增益與系統(tǒng)的總噪聲溫度進(jìn)行比較。它量化了天線在背景噪聲中捕獲所需信號的有效性。較高的G/T比值意味著系統(tǒng)在接收微弱信號方面表現(xiàn)更優(yōu)，同時(shí)能夠有效抑制系統(tǒng)噪聲的影響。這一指標(biāo)使工程師能夠優(yōu)化諸如天線尺寸、接收器靈敏度，和噪聲系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，從而在信號接收能力與噪聲抑制之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。參見圖2。

天線的G/T值是通過將天線的接收增益除以其等效系統(tǒng)噪聲溫度來計(jì)算的，如以下公式所示。其中，天線增益量化了有效接收和定向RF信號的能力，而等效噪聲溫度則代表了天線系統(tǒng)的總噪聲貢獻(xiàn)。最終計(jì)算得出的G/T值通常以分貝每開爾文（dB/K）為單位表示，為天線性能提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化衡量指標(biāo)。

天線G/T = 天線增益 (dBi) – [10 log10(系統(tǒng)噪聲)]

G/T比值在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，工程師依靠G/T比值來進(jìn)行精確的鏈路預(yù)算分析。

圖2，顯示EIRP和G/T的衛(wèi)星鏈路示意圖

等效全向輻射功率（EIRP）是衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算中的另一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。它結(jié)合了發(fā)射器輸出功率和天線增益，反映了系統(tǒng)發(fā)送信號的有效性。較高的EIRP可提高接收端的信噪比（SNR），從而實(shí)現(xiàn)更長的傳輸距離和更強(qiáng)的抗干擾能力。最大化EIRP可通過增強(qiáng)信號可靠性并降低所需鏈路裕量，來同時(shí)提升上行鏈路和下行鏈路的性能。現(xiàn)代EIRP技術(shù)的進(jìn)步使衛(wèi)星系統(tǒng)能夠在每個(gè)基站支持更多用戶，擴(kuò)大覆蓋范圍，增加鏈路容量，并為終端用戶帶來更高的數(shù)據(jù)速率和更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

EIRP (發(fā)射端) = Pt – 損耗 + Gt

（其中，Pt = 發(fā)射功率，Gt = 發(fā)射增益）

由于路徑損耗的存在，發(fā)射器與接收器間的距離會顯著影響SNR。SNR用于量化所需信號相對于背景噪聲水平的相對強(qiáng)度。較高的SNR意味著更優(yōu)的信號質(zhì)量和接收性能。隨著通信距離的增加，信號強(qiáng)度減弱，SNR降低，進(jìn)而影響通信質(zhì)量；尤其在毫米波頻段，信號衰減更為嚴(yán)重。對于可靠的衛(wèi)星通信而言，維持較高的SNR十分關(guān)鍵，因?yàn)樗艽_保更好的信號質(zhì)量、更高的數(shù)據(jù)速率，和更低的誤碼率（BER）。

此外，高SNR使系統(tǒng)能夠采用更復(fù)雜的調(diào)制方案，從而實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。相反，低SNR則迫使系統(tǒng)不得不使用更簡單的調(diào)制方案，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率降低以確保信號完整性。較強(qiáng)的SNR支持更快、更高容量的數(shù)據(jù)傳輸，而低SNR則會導(dǎo)致性能下降、延遲增加，以及由于數(shù)據(jù)包丟失和重傳而造成的吞吐量降低。有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在最小化這些損耗，并保持足夠的SNR以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

計(jì)算SNR鏈路預(yù)算是評估衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于信道帶寬和自由空間路徑損耗（FSPL）等參數(shù)通常為固定值，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)權(quán)衡衛(wèi)星端的發(fā)射EIRP與地面終端的G/T比值，以優(yōu)化整體性能。提升G/T的方法包括選用高增益接收天線、通過精心的元器件設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)噪聲，以及應(yīng)用信號處理技術(shù)來增強(qiáng)SNR。然而，實(shí)現(xiàn)高G/T比值往往需要權(quán)衡取舍——如使用更大的天線、增加系統(tǒng)復(fù)雜性、提高功耗或增加成本。工程人員必須在滿足系統(tǒng)要求的同時(shí)，兼顧實(shí)際限制，平衡各項(xiàng)因素。

SNR會影響通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸效果。如下圖3所示，不同的調(diào)制方法需要達(dá)到一定的最低SNR才能正常工作。例如，在信噪比為3.15的Ku-頻段下行鏈路中，適合的調(diào)制方式為DPSK?，頻譜效率0.75bps/Hz；假設(shè)信道帶寬為5MHz，則最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)3.75Mbps。

一般來說，低SNR意味著數(shù)據(jù)速率較低，而高SNR則允許更高的數(shù)據(jù)速率。系統(tǒng)可以采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，根據(jù)SNR水平進(jìn)行切換，但這需要更先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)。

SNR下行鏈路(dB)=EIRP衛(wèi)星(dBWi)–信道帶寬 (dBHz)–FSPL(dB)– AFPL (dB)+G/T終端(dB/K) – k (dBJ/K)

（其中，SNR=信噪比，EIRP=等效全向輻射功率，F(xiàn)SPL=自由空間路徑損耗，AFPL=大氣路徑損耗，G/T=天線增益-噪聲溫度比，k=玻爾茲曼常數(shù)）——該公式可計(jì)算出信道帶寬內(nèi)的整體SNR。

圖3，Ku頻段地球靜止軌道下行鏈路系統(tǒng)SNR計(jì)算

下面簡要說明上圖所示的調(diào)制概念。每一條衛(wèi)星鏈路在設(shè)計(jì)時(shí)都采用特定的MODCOD（調(diào)制與編碼）方案。調(diào)制通過改變載波信號的相位來對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼。相移鍵控（PSK）是一種常用方法：例如，二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）使用兩個(gè)相位（相差180°）；而正交相移鍵控（QPSK）則使用四個(gè)相位，在相同帶寬下數(shù)據(jù)速率翻倍，但需要更多功率。為了避免依賴絕對相位參考，差分相移鍵控（DPSK）采用相對于前一比特位的相位變化來進(jìn)行編碼。

衛(wèi)星通常采用幅度相移鍵控（APSK）；在衛(wèi)星通信應(yīng)用中采用APSK的一個(gè)主要原因是，它對各種幅度效應(yīng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，并且降低了對發(fā)射功率放大器（PA）線性度的要求。諸如PA壓縮等非線性因素可能會改變不同幅度環(huán)之間的相對距離；但由于同一給定幅度環(huán)上的所有點(diǎn)受到的影響相同，從而將這種非線性效應(yīng)的影響降至最低。因此，APSK允許對環(huán)間距進(jìn)行預(yù)失真處理，以便在非線性放大后，各環(huán)仍保持適當(dāng)?shù)拈g距。APSK還帶來更大的靈活性，可通過調(diào)整環(huán)數(shù)與環(huán)間距，在信號失真與峰均功率比之間取得平衡。

圖4，32APSK星座圖

如下圖所示，當(dāng)衛(wèi)星相對于接收器移動(dòng)時(shí)，其發(fā)射信號的頻率會發(fā)生多普勒頻移。這些變化可能導(dǎo)致同步問題，進(jìn)而影響通信的可靠性。為了解決這一難題，系統(tǒng)必須持續(xù)監(jiān)測并補(bǔ)償頻率偏移。在此過程中，先進(jìn)算法發(fā)揮著重要作用，使接收器能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整，保持穩(wěn)定、高質(zhì)量的信號接收。

圖5：影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)境指標(biāo)

系統(tǒng)損耗是所有衛(wèi)星通信系統(tǒng)中固有的，可能源自地面站與衛(wèi)星內(nèi)部及之間的各種組件。由于天線、功率放大器、RF濾波器，和收發(fā)器信號處理單元等硬件存在缺陷，信號可能會發(fā)生劣化。在Ka和Q/V等更高頻段，大氣衰減和自由空間路徑損耗的影響更為顯著，進(jìn)一步加劇了信號劣化，因此需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行精細(xì)補(bǔ)償。

優(yōu)化RF鏈路預(yù)算

工程人員采用多種方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，如使用相控天線陣列和波束成形技術(shù)、自適應(yīng)功率控制以確保根據(jù)實(shí)時(shí)鏈路條件調(diào)整發(fā)射功率從而優(yōu)化SNR，以及利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法和自適應(yīng)編碼與調(diào)制技術(shù)來增強(qiáng)通信性能。

自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）技術(shù)根據(jù)信號質(zhì)量調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸方式，助力提升衛(wèi)星通信性能。當(dāng)信號強(qiáng)度高時(shí)，系統(tǒng)使用更快的傳輸方法發(fā)送更多數(shù)據(jù)；當(dāng)信號較弱時(shí)，則切換到更為可靠的方法以避免錯(cuò)誤。這使得連接更為高效可靠，尤其適用于高速移動(dòng)并飛越不同區(qū)域的低地球軌道（LEO）衛(wèi)星。ACM能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)調(diào)整，以保持信號穩(wěn)定，防止出現(xiàn)中斷。

機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）正成為工程人員優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算的又一得力工具。借助預(yù)測和自適應(yīng)能力，機(jī)器學(xué)習(xí)有助于在動(dòng)態(tài)環(huán)境中更高效地管理資源。強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)功率控制、切換和帶寬分配的實(shí)時(shí)決策；而監(jiān)督學(xué)習(xí)則能預(yù)測信號衰減和路徑損耗，以便進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可在需求高峰期提高發(fā)射功率，或確保衛(wèi)星間無縫切換。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法正改變著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)范式，使其在多變條件下提升性能與可靠性。

結(jié)論

綜上所述，優(yōu)化RF鏈路預(yù)算對于設(shè)計(jì)可靠、高效的衛(wèi)星通信系統(tǒng)至關(guān)重要。通過細(xì)致分析EIRP、天線G/T和SNR等參數(shù)，工程人員能夠預(yù)測并增強(qiáng)在各種工作條件下鏈路的性能。自適應(yīng)編碼調(diào)制、實(shí)時(shí)功率控制，和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)，正在重塑衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方式——使其能夠在日益動(dòng)態(tài)且要求嚴(yán)苛的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更優(yōu)頻譜效率，及更強(qiáng)健的連接能力。