资源分配的卫星通信论文

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1影响卫星链路因素

ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网动态为链路分配各种资源，为了高效利用资源和保证通信链路传输质量，资源分配时需考虑影响卫星通信链路性能的各种因素。影响卫星通信链路性能的主要因素有：天线尺寸、调制编码方式、卫星参数和雨衰等。

1.1天线尺寸天线是地球站的重要组成部分，天线尺寸（口径）直接关系到地球站的发射和接收能力，影响通信链路的调制、编译码选择，关系到链路对地球站功放、卫星转发器功率的需求，是影响资源分配策略的重要因素。对上行链路，天线口径越大地球站发射增益越大，发射同样的ＥＩＲＰ需要的功放功率就小。对下行链路，地球站天线决定了地球站的Ｇ／Ｔ值。天线口径大，地球站Ｇ／Ｔ值就高，接收性能越好，转发器利用率高。卫星资源分配中，天线尺寸影响地球站功放功率分配和转发器带宽功率分配，应根据收、发站天线口径对链路性能进行计算分析，按策略调整调制编码方式，优化分配地球站和卫星转发器功率资源，保证可靠通信同时功率、带宽占用相对平衡。

1.2调制编码方式调制、编码方式是卫星通信链路的重要特征参数，，影响信号效率以及带宽、功率资源分配。一方面，调制、编码方式与业务信息速率ＩＲ决定带宽分配量；另一方面，对确定的误码率性能有最低的链路载噪比Ｃ／Ｎ门限值要求，进而影响链路对转发器功率资源的分配需求。卫星链路质量要求一定时，如误比特率Ｐｂ＝１０－７，不同调制、编码方式要求的门限Ｃ／Ｎ不同。同样的调制编码方式下，由于硬件技术水平不同，不同型号调制解调设备要求的门限Ｃ／Ｎ也不同。链路门限Ｃ／Ｎ越高，需要发站较多的发射能力和收站更好的接收能力，消耗卫星转发器更多的功率资源。为了分配使用带宽、功率，在具体的资源分配策略下，通过比较选择不同的调制、编码方式组合，优化分配资源，保证通信可靠的同时，功率、带宽占用相对平衡。

1.3卫星参数卫星参数包括频率带宽参数和功率参数，都属于空间段资源。带宽参数即转发器带宽；功率参数主要包括３个：饱和ＥＩＲＰ、Ｇ／Ｔ和饱和通量密度ＳＦＤ。卫星在地面不同地点的ＥＩＲＰ、Ｇ／Ｔ值不同，分别通过ＥＩＲＰ覆盖图和Ｇ／Ｔ覆盖图表示该卫星的ＥＩＲＰ和Ｇ／Ｔ覆盖特性。由于卫星上一般都有Ｃ波段和Ｋｕ波段转发器，所以一颗卫星信号的ＥＩＲＰ覆盖图就分别有Ｃ波段覆盖图和Ｋｕ波段覆盖图［４］。为卫星通信链路分配资源时，需要使用以上卫星参数，通过链路计算来计算分配卫星功率资源，以及发送地球站的功放功率资源，准确选择地球站对应的卫星参数十分重要，尤其对于地球站的移动站型，每次进行业务链路资源分配计算时，需要使用移动站当时所在地点的响应卫星参数（ＥＩＲＰ、Ｇ／Ｔ）进行资源动态分配计算。为支持资源分配策略，需要建立每个卫星的ＥＩＲＰ和Ｇ／Ｔ覆盖特性数据库。另外，卫星的干扰噪声也影响链路计算的准确性，具体每个卫星的干扰噪声系数需向卫星服务商查询。

1.4雨衰在１０ＧＨｚ以上频段（Ｋｕ和Ｋａ以上频段），降雨的衰减是卫星链路衰减的主要因素［２］。降雨造成的影响主要体现在对电波信号的衰落、对地面站天线系统Ｇ／Ｔ值的减小以及由此带来链路载噪比的变化，随着电波频率的提高，其影响也就愈加显著［５］。降雨对上行链路和下行链路均会产生影响。对上行链路，降雨时若要保持（Ｃ／Ｔ）ｕ不变，则只有改变地球站发射载波的有效全向辐射功率ＥＩＲＰｅ，只有增加发射机的发射功率。对下行链路，降雨时若要保持（Ｃ／Ｔ）ｄ不变，则只有改变卫星发射载波的有效全向辐射功率ＥＩＲＰｓ，即增加卫星功放的发射功率。文献［８－１０］对雨衰进行了详细分析。一般通过２种措施应对降雨对链路的影响。一种措施是在初期为链路分配资源时，计算雨衰值，并在链路计算中考虑雨衰余量，通过增加发站、转发器的功率来预先防范雨衰的影响；另一种措施是通信过程中，通过功率控制机制在降雨时增加地球站发射机功率。功率控制机制不在本文研究范围，雨衰的大小决定于该地面站雨速率的统计分布、仰角和工作频率，具体雨衰计算参考文献［５，６］。资源动态分配中，通过计算发、收地球站雨衰，增加链路计算雨衰余量，在初期分配资源时分配一定富裕的功率资源，以提高链路通信过程中发生降雨时的可用性。

2资源分配策略设计及软件设计

2.1优化目标ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网资源动态分配策略，是从资源分配角度优化网络管理，保证卫星通信网的优化运行，主要需达到以下目标：①满足链路可用性：如满足链路误码率指标、系统可用度指标等；②高效使用资源：包括资源的动态复用、提高带宽效率等。资源动态分配策略首先要保证分配结果能够保证链路性能，是可用的，同时保证资源高效使用。

2.2分配策略分配策略是为达到资源优化分配使用的目标，综合各种因素进行计算、权衡和优化决策的过程。为了满足可用性，在动态分配资源时，应以目标链路误码率对应的门限Ｅｂ／Ｎ０进行链路计算，对Ｋｕ以上频段考虑系统可用度对应的雨衰余量，并且在链路时间上避开地球站日凌、星蚀发生时段。为了提高资源利用率，满足业务通信前提下，尽可能采用动态分配资源机制；空间段卫星资源一般基于功带平衡原则分配；带宽资源充足，功率紧张（包括转发器功率和地球站功放功率）时，优选合理调制编码方式，保证传输可靠性；带宽资源紧张功率资源充足时，优选高效调制编码方式，保证分配可满足。在进行资源分配计算时，对小天线发大天线收情况，接收能力强，一般按照功带平衡原则即可；对小天线发小天线收情况，发送接收能力均弱，情况允许时考虑多占带宽节省功率的调制编码方式；对大天线发情况，地球站功放功率资源充足时，可以考虑采用高效调制编码方式提高带宽使用效率。当业务链路速率要求具有一定范围时，如果卫星带宽资源充足，可按照较大的速率为其分配卫星资源；如果卫星带宽资源紧张，则可以按最小速率为其分配卫星资源，以满足其最低业务需求。

2.3资源分配流程ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网资源分配流程如图２所示。根据到来的业务请求，首先确定业务的收、发站及速率需求范围，然后根据地球站参数、卫星参数、站点实时雨衰及目前的资源使用现状，计算可用编码调制方式下的资源需求结果，然后根据分配策略规则，优选分配结果（编码调制方式、发送功率等）。资源分配策略中也可以增加对系统Ｑｏｓ（如业务优先级和站点优先级等）的管理，针对不同站点或业务提供差别服务。

2.4软件实现设计资源分配在ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网络管理系统中是一个相对独立的功能，可以设计成一个通用化的软件模块嵌入到网络管理系统，实现对资源分配策略的控制。资源动态分配软件模块化组成方案如图３所示，包含以下软件模块：①分配计算模块；②链路计算模块；③策略处理模块；④接口适配模块。分配计算模块控制资源分配计算过程，依资源使用现状分配频率带宽资源。链路计算模块为分配计算模块提供对链路性能计算的功能。策略处理模块按照策略规则确定最终资源分配结果。接口适配模块向ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网络管理系统提供接口，从网络管理系统取得具体业务的资源请求，并将资源分配结果返回给网络管理系统。基础数据支持资源动态分配软件功能的实现，包括地球站信息、卫星覆盖信息、雨衰数据和策略规则等。基础数据可以存储在数据或磁盘文件中，在资源动态分配软件初始化时读入内存使用。资源动态分配软件模块化的组成结构使软件具有通用化特点，仅需适当修改接口适配模块，就可以将软件接入到不同的ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网络管理系统。资源动态分配软件的具体形式可以是ＤＬＬ动态库或ＥＸＥ执行文件，与网络管理系统接口可以是ＡＰＩ函数或ＳＯＣＫＥＴ网络接口。

3系统测试验证

原某ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ体制卫星通信系统，设计使用固定的调制编译码方式，功率采用建设初期预估值（不考虑雨衰）。按本文资源分配策略对该系统进行优化改造，并对改造前后系统进行测试统计。定义一段时间Ｔ内的系统带宽利用率Ｒ为每次呼叫成功链路占用带宽量与占用时间乘积的累加和，与系统管理带宽总量Ｂ总与测量期时间Ｔ乘积的比值。分别测试统计优化前后实际系统运行１０天时间内的呼叫情况及资源占用情况，统计数据如表１所示。测试统计数据显示，系统一次呼叫成功率（呼通率）从原系统的０􀆰８１６优化后提高到０􀆰９０６，带宽利用率从０􀆰３８８提高到０􀆰４８２，均有较大程度提高。测试验证了本文资源分配策略优化方案的有效性和科学性，在保证系统可靠运行的前提下，提高了呼通率、带宽利用率。

4结束语

ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网资源分配是一个复杂的管理过程，综合分析了资源分配中的多种影响因素，研究设计了分配策略和软件实现方案，并在实际ＦＤＭＡ／ＤＡＭＡ卫星通信网管理中应用，运行稳定可靠。测试结果表明，应用本文资源分配策略后系统资源管理性能（呼通率、带宽利用率等）得到明显改善。在其他体制卫星通信网中同样存在资源分配策略问题，如ＭＦ⁃ＴＤＭＡ卫星通信网多个载波频率的动态分配，也值得进行针对性的资源分配策略研究。

作者：李斌成 单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所