一种低轨卫星星地链路评估系统的设计
吴跃春，丁斗博，徐瑞丰
(中电防务科技有限公司，江苏 南京 210000)
随着通信领域天地一体化的不断发展，卫星通信系统在其中承担了重要的任务，而在卫星通信中，低轨卫星通信凭借灵活性强、覆盖度高等优点被广泛使用[1]。低轨卫星通信已成为天基信息系统领域的发展热点[2]。
与传统地面链路相比，低轨卫星通信系统中的星地链路具有长延时、高误码、上下行带宽有限且不对称等鲜明特性，是影响空间网络性能的关键因素。因此，开展星地链路特性评估具有重要意义。
低轨卫星通信系统星地链路的验证及评估等工作，迫切需要建立真实可信的实验验证平台，链路评估技术是低轨卫星通信系统星地环境构建中的关键技术之一。
星地链路评估工作的必要性主要体现在以下方面。
1.1 评估星地链路的复杂性和多样性
在低轨卫星通信系统中，大气对空间无线电波传输的影响取决于无线电传输频率、当地气候、当地地形、传输类型、卫星仰角。通常，随着频率的增加和仰角的减小，这种影响将变得更严重。传播影响的随机性和不可预测性，增加了对卫星通信传输损伤进行评估的复杂性。
另外，低轨卫星轨道高度低，运行速度快，多普勒频偏较大且快速时变；
低轨卫星地面站数量和类型众多，用户终端的移动性、天线类型差异也较大。
由此可见，低轨卫星通信系统中星地链路的可靠性和可用性评估涉及的因素众多，和现有的无线链路评估系统差异较大。
1.2 可进行通信体制评估
通信体制的先进性主要体现在节省射频信号带宽和功率，提高信息传输质量和可靠性。星地链路的传输特性是影响通信体制设计的关键因素之一，着重体现在信道编码、载波调制和多址技术等方面。信道编码方案的设计主要用于提高数字通信系统的抗干扰能力，需结合空间链路的实际干扰情况进行设计。载波调制即进行调制和解调的过程，针对卫星通信系统功率受限和频率受限的特点，需结合低轨卫星通信系统空间链路的实际特性进行。多址技术使众多地球站可共享有限的卫星转发器资源，能够最大限度地利用空间无线链路资源。低轨系统的星地链路能力也是在方案设计、链路评估时需要重点考虑的。
1.3 可对系统容量进行实时、确定分析
卫星通信系统的传输容量受限于分配到的通信带宽、载波功率和噪声功率比(载噪比C/N)，分配给所有地球站的载波频率和带宽构成了卫星的频率图案。低轨卫星通信系统星地链路的空间环境特性和传输特性直接影响到系统通信容量。在系统容量分析过程中，引入星地链路评估结果，可大大提高系统容量分析的准确性和时效性。
综上分析，在不同情况下，评估低轨卫星通信系统中星地链路的可靠性和可用性，是低轨卫星通信系统的无线链路评估、通信体制设计、系统容量评估等方面不可或缺的部分，因此，开展星地链路评估系统的开发工作至关重要。
2.1 评估对象
星地无线通信链路评估系统的评估对象包括卫星和用户终端之间的用户链路以及卫星和地面站之间的馈电链路。评估系统能够在不同的气候条件(晴空、不同降雨率)、不同的大气条件(弱、中、强湍流)下，当终端的移动性、天线类型不同以及终端和卫星的相对位置不同时，对用户链路的可靠性和可用性进行评估；
在不同的气候条件(晴空、不同降雨率)、不同的大气条件(弱、中、强湍流)下，当地面站的移动性、天线类型不同以及地面站和卫星相对位置不同时，可对馈电链路的可靠性和可用性进行评估。
2.2 评估指标
星地链路质量的评估指标可分为两大类：硬度量指标和软度量指标[3]，如图1所示。
硬度量指标主要是指能够由物理层直接测得或经简单计算能够得到的指标，主要包括接收信号强度指标(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)、信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)、链路质量指示(Link Quality Indicator，LQI)、多普勒频偏和多普勒频偏变化率、时延等。
软度量指标则指物理层或数据链路层进行长时间统计试验得到的指标，主要包括误比特率(Bit Error Rate，BER)、包接收率(Packet Reception Ratio，PRR)、RNP(Required Number of Packet)、ETT(Expected Transmission Time)。其中，BER在物理层统计得到，PRR，RNP和ETT在数据链路层统计得到。
低轨卫星的星地链路评估系统通过星地链路建模与仿真、数据统计分析以及结果可视化与决策等方法完成对星地链路质量的评估[4]。
3.1 仿真建模
与地面无线通信网络相比，低轨卫星的星地链路有着传播延时大、衰落情况复杂、多普勒频移显著等特点。对星地链路信道的仿真建模，利用信道模拟系统可以控制、改变各种信道参数，从而为评估一种通信系统或通信技术在不同信道条件下的性能；
或在同一信道特性条件下，不同通信设备或通信手段的优缺点奠定了基础。仿真建模也可缩短研发周期，降低研发费用，有利于新体制、新技术的使用，对支持低轨卫星的建设具有重要的意义。
3.2 数据统计分析
低轨卫星信道具有很强的实时性，并且低轨卫星系统中卫星、地面站的数量较大，低轨卫星星地链路评估系统需要对多种场景、多种节点状态下的链路数据进行分析评估，因此，信道数据的数据量巨大，传统的统计分析工具很可能难以挖掘出多维变量下的数据特征。在低轨卫星星地链路评估的数据分析阶段，不能局限于传统的研究方法，而要采用适合分析大量数据的分析方法，利用自动规律学习、大数据挖掘下的特征分析等技术，对得到的大量仿真数据进行深入的挖掘，以实现对仿真数据的有效利用。
3.3 结果可视化与决策
评估结果以表格、图形等方式通过人机交互界面进行呈现，进一步地，该系统还能够根据链路质量的评估结果，使用机器学习、大数据挖掘等先进的统计学习算法为低轨卫星系统的各模块设计提供决策依据。
低轨卫星星地链路评估系统大体由评估分析单元、协议加载单元、接口配置单元、大数据存储与分析单元及相关评估平台附属单元组成，如图2所示。
图2 低轨卫星星地链路评估系统组成
(1)评估分析单元：主要对星地链路的各项指标进行评估，并将评估结果以表格、图形、源码等方式通过人机交互界面呈现；
同时该系统还能够接收任务定义模块的任务请求，通过决策分析对需求任务进行规划并传送至任务定义模块。
(2)协议加载单元：对待评估的物理层、网络层协议进行加载，可通过接口配置模块与其他评估系统进行协议交互模拟，也可通过内部模拟产生各网络节点，在网络节点上实现协议验证。
(3)接口配置单元：实现模拟分系统与外部业务接口信息交互的重要组成部分，完成对卫星通信状态、地面站设备以及网络资源状态等数据的输入，同时具有移动卫星模型、地面站模型、用户终端模型以及星地天线等模型配置库，可根据业务需求对相关模型进行参数配置。
(4)星地模拟单元：能够实现对互联网低轨卫星星座设计仿真、波束覆盖范围设计仿真，地面站有效跟踪范围仿真、用户终端业务数据情况、信道环境、业务数据接口、系统星地设备配置规模等进行仿真。当外部存在星地模拟系统时，可通过接口配置单元，与其进行交互，可不使用该单元。
(5)任务定义单元：为模拟仿真中的星地设备提供低轨卫星网络资源、地面站变更以及系统更新等业务的规划任务。当外部存在任务规划模拟系统时，可通过接口配置单元，与其进行交互，可不使用该单元。
低轨卫星通信是无线通信系统未来发展的新方向，针对低轨卫星通信系统的星地链路特点，设计、实现对多种星地链路指标的评估方法，为低轨卫星通信系统的研制和应用奠定坚实的理论研究和实践基础。
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