一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法与流程

1.本发明属于多波束卫星系统技术领域，涉及灵活功率卫星业务，具体涉及一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法。


背景技术：

2.文献(1)：李彩萍等.基于宽带柔性转发器的高速交换技术研究[j].学位论文2014.文献(1)提出宽带柔性转发器是一种具有星上处理能力的半透明转发器，采用基于非均匀滤波器组的数字信道化处理技术，兼具传统透明转发器和再生式转发器的优点，既具有灵活可靠的特点，又可以支持较小粒度的交换，还规避了物理层信号体制的约束，增加了系统容量，满足可变带宽业务的需求，是未来星载转发器的主要发展方向之一。该文献通过对宽带柔性转发器的介绍，提出了再生式转发器的相对于传统转发器的不同之处，介绍了数字透明转发器的若干特点和有点。
[0003]
文献(2)：惠腾飞等.新一代高通量卫星通信系统载荷关键技术研究[j].空间电子技术,2021,4.文献(2)提出随着商业竞争的不断加剧,更大容量以及更高灵活性成为了高通量(high throughput satellite，hts)系统发展的主要目标，新一代的hts系统即将进入到“tbps”时代。在介绍hts系统基本概念及组成的基础上，对hts系统的发展历程进行了简要总结，按照能力和发展时期，hts卫星的发展历程大致可划分为四代。重点结合新一代hts系统的发展,从卫星载荷角度分析了高通量卫星载荷的关键技术，主要包括能够大幅提升系统通信容量的超大规模高性能多波束天线技术,能够提高组网及业务应用灵活性的跳波束通信技术、灵活载荷技术、数字透明转发处理技术以及能够优化系统和载荷设计的波束预编码技术和基于微波光子的星上转发技术等，旨在为我国新一代hts系统的建设发展提供参考。该文献通过对高通量系统的全面介绍核对关键载荷技术的梳理总结，强调了数字透明转发技术在灵活载荷和未来通信中的重要作用。
[0004]
文献(3)：唐秋红等.民航tes卫星通信系统功率调整理论分析[j].通讯世界,2016,21.文献(3)提出了由于民航c波段卫星网的极化隔离度指标下降,各站发射功率超标,卫星转发器处于长期功率饱和,严重影响转发器工作状况和寿命,研究了对民航c波段卫星网的功率调整的方法.及功率调整理论依据.从而改善c波段卫星网工作状况。该文献基于更加具体的频段和指标要求，提出了一种微型通讯体系中的功率控制i原理，描述了转发器功率调整的方法和结果。
[0005]
李辉等公开了专利号为zl201510398487.8的中国发明专利，一种混合柔性转发器的实现方法，主要涉及通信领域的全光变频和全光交换技术，以及非均匀信道化和电路交换等技术。该发明的实现结构主要由微波光子转发与微波数字柔性转发两部分组成，微波光子转发充分利用光子学宽带、高速、低功耗等优点，可实现大粒度可变带宽的透明转发；微波数字柔性转发作为辅助，可实现中小粒度的可变带宽透明转发及处理转发，两部分通过星载控制设备的联合控制，可实现多波束、不同粒度带宽信号的灵活转发。同时，混合柔性转发器还对外提供多路数字接口，可以连接星载分组交换处理载荷。该发明具有实现复
杂度低、支持可重构设计及多模式转发等优点，并且微波光子转发与微波数字柔性转发两部分也可独立使用。
[0006]
周珏嘉等公开了专利号为cn201880000742.0的中国发明专利，一种控制上行发射功率的方法和装置、基站及用户设备，其中上述方法包括：确定用户设备在预设高功率模式下的上行资源配比；若所述上行资源配比大于或等于所述预设高功率模式对应的预设上行占比阈值，确定功率调整信息；将所述上行资源配比和所述功率调整信息发送给所述用户设备，以使所述用户设备在所述预设高功率模式下按照所述上行资源配比进行上行信息传输时，按照所述功率调整信息控制上行发射功率。采用本公开提供的控制上行发射功率的方法，当ue被配置为按照较高上行资源配比进行上行信息传输时，可以配置ue按照功率调整信息调低上行发射功率，有效规避sar超标，同时提高ue在预设高功率发射模式下的上行信息传输能力。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，解决现有技术中功率调整的灵活性有待进一步提升的技术问题。
[0008]
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
[0009]
一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，该方法的转发器链路中包括可调增益变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器，该方法的转发器链路采用单机增益联合设置优化的增益分配方法。
[0010]
具体的，该方法包括以下步骤：
[0011]
步骤1，根据发射终端能力和星上接收天线增益，确定转发器入口功率电平pz的范围。
[0012]
步骤2，在功率电平范围(pz-25dbm)～pz～(pz+25dbm)内，在转发器入口提供一上行信号pin，转发器分系统单机按照默认增益档开机工作。
[0013]
步骤3，根据下行eirp和天线增益，确定转发器输出功率电平pout。
[0014]
步骤4，根据上行和下行功率电平，确定转发器链路默认增益gz。
[0015]
步骤5，根据转发器链路增益值g，按照以下步骤调整单机增益：
[0016]
步骤501，转发器上行电平
△
p＝pin-pz＝g-gz。
[0017]
步骤502，0db＜
△
p≤5db时，调整gdtp，降低
△
p量级增益。
[0018]
步骤503，5db＜
△
p≤15db时，调整gdtp+gtwt，降低
△
p量级增益。
[0019]
步骤504，15db＜
△
p≤25db时，调整gdtp+gtwt+gdc，降低
△
p量级增益。
[0020]
步骤505，
△
p＝0db时，转发器不进行调整。
[0021]
步骤506，-5db≤
△
p＜0db时，调整gdtp，提高
△
p量级增益。
[0022]
步骤507，-15db≤
△
p＜-5db时，调整gdtp+gdc，提高
△
p量级增益。
[0023]
步骤508，-25db≤
△
p＜-15db时，调整gdtp+gdc+gtwt，提高
△
p量级增益。
[0024]
其中：
[0025]
gdtp表示数字透明处理器增益；
[0026]
gtwt表示高功率行波管放大器的增益；
[0027]
gdc表示可调增益变频器的增益。
[0028]
步骤503中，优先调整gdtp。
[0029]
步骤504中，优先调整gdtp和gtwt。
[0030]
步骤507中，优先调整gdtp。
[0031]
步骤508中，优先调整gdtp和gdc。
[0032]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0033]
(ⅰ)本发明将卫星业务的灵活应用，由传统转发器的“两跳”通信，改进为用户至用户“一跳”功能的数字透明星上载荷，提出了转发器链路可调增益变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器单机增益联合设置优化的增益分配方法，提高了载荷链路增益和功率调整的灵活性，在面对不同类型发射、接收地面终端类型条件下，实现了不同上行功率条件下的下行功率灵活调整输出。
[0034]
(ⅱ)本发明的方法通过在相关民商用通信卫星型号中设计应用，设计实现具备该功能的数字透明转发载荷，有效载荷中设置不同的波束群可单独实现“两跳”和“一跳”模式的切换，大大提升了载荷的灵活性。
[0035]
(ⅲ)本发明的数字透明处理器作为高通量卫星在多波束技术领域的核心载荷产品，能够根据用户的地面配置要求，实现数字透明载荷中信号带宽、功率和路由等多方面的灵活控制。
[0036]
(ⅳ)本发明的基于数字透明处理器的“一跳”载荷设计，结合变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器的工作特点，提出对变频器频率变换和增益可调的功能配置，结合数字透明处理器和高功率行波管放大器的增益设置，实现面向不同发射和接收能力的终端提供了链路增益调节功能，提供了灵活调整功率能力，提高了通信效能和灵活性。
[0037]
(
ⅴ
)本发明结合数字透明载荷的发展方向和发展需求，实现了数字透明处理器的功能由地面验证转为卫星应用，为载荷的灵活功率调整的应用奠定了一定技术基础。
附图说明
[0038]
图1为面向数字透明转发载荷的灵活业务分配星地系统示意图。
[0039]
图2为面向数字透明转发载荷的灵活功率调整分配整体构架示意图。
[0040]
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0041]
需要说明的是，本发明中的所有设备，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的设备。
[0042]
高通量卫星采用多波束技术实现极化隔离和空间隔离以复用频率资源，从而使通信容量成倍增加，多波束技术是高通量卫星中的一种关键综合技术，它是指通过波束形成网络在一定覆盖范围形成若干大小相同的点波束，并且根据卫星通信系统的需求和组网形式进行波束规划，不同波束间独立进行通信。
[0043]
数字透明处理器(dtp)采用数字信道化技术和子带交换技术，将输入信号转换到数字域进行子带划分，并根据地面配置要求进行子带功率调整和子带交换，实现带宽、功率和路由等多方面的灵活控制，是高通量卫星在多波束技术领域的核心载荷产品。
[0044]
配置数字透明处理器的高通量卫星，可在传统意义上的“卫星至用户”和“用户至
卫星”的“两跳”通信基础上，实现“用户至用户”的“一跳”通信。多波束有效载荷中不同的波束群可单独实现“两跳”和“一跳”模式的切换，大大提升了载荷的灵活性。以4*4端口的数字透明处理器为核心的dtp链路可实现用户波束在前、返向链路与dtp链路的灵活切换。
[0045]
在传统透明转发器设计基础上，增加数字信道化设计，dtp采用数字域信道化处理、子带交换技术实现灵活的交链，使系统具有适应能力强、组网灵活、支持业务类型多样等突出特点。
[0046]
灵活的子带增益调节能力：能够对单个子带或多个子带进行独立的增益调节，也可对子带进行关断。
[0047]
灵活的路由交换能力：能够实现接入dtp的波束、频段、带宽信号的交换。
[0048]
灵活的应用模式：支持点到点、广播、组播等多种工作方式，满足各类应用需求。
[0049]
卫星功率资源是通信卫星重要的星上资源之一，卫星的增益配置直接影响卫星的整体接收性能；卫星的功率配置直接影响卫星的下行能力能否满足使用需求。目前大多数多波束卫星通信系统对采用固定的等功率分配方式，当系统的业务需求很低时，这种功率分配算法显然造成了功率资源的浪费，同时也不能满足高业务需求区域中的点波束应用。
[0050]
本发明以微波有源单机为基础，结合数字透明转发技术，针对不同类型、不同工作条件、不同功率终端条件下，结合链路中变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器单独增益可调的特点，提出了单机增益设置联合优化的增益分配方法。
[0051]
本发明给出基于数字透明处理器的转发器链路，单机增益设置联合优化的链路增益分配方法。
[0052]
本发明主要针对不同类型、不同工作条件、不同功率地面终端，结合链路中变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器单独增益可调的特点，最终实现载荷的灵活功率调整。由于不同位置、不同类型的用户终端发送给卫星的上行信号在经过空间衰减的条件下，到达转发器入口的功率存在差异，卫星的eirp(等效全向辐射功率)固定时，卫星的下行信号功率相同，因此转发器在面对不同发射终端时，链路增益配置不同。传统转发器的链路增益设置可调整范围较小，存在上行功率较小或较大影响下行功率输出的情况，因此为适应大动态的上行功率和不同用户发射终端对功率的需求，在数字透明处理转发链路中设定调整策略调整不同类型单机增益，实现链路功率的灵活调整。
[0053]
如图1所示，面向数字透明转发载荷的星地通信系统由地面发射用户终端、卫星和地面接收用户终端组成。不同的地面发射用户终端能力不同，对于卫星来说具有较大的动态接收范围，卫星的固定下行erip能够满足所有接收终端的需求，因此当下行功率一定时上行动态范围直接决定了链路增益的动态范围。
[0054]“一跳”通信链路的建立，明确了发射终端类型信息等。在此基础上，地面中心站需针对性调整该条链路的增益配置。发射终端信息可确定转发器链路入口功率信息，链路增益可由此进行配置。
[0055]
面向数字透明转发载荷的灵活功率调整分配如图2所示。本发明中的单机设计：
[0056]
1)可调增益变频器：
[0057]
可调增益变频器为下变频器。
[0058]
下变频器位于链路接收端，主要用于对完成低噪声放大后的上行信号进行功率检测、变频和增益调节处理。功率检测部分对进入变频器的信号功率进行检测，提供上行信号
功率遥测；变频部分将上行信号所在的用户终端频段下变频至数字透明处理器入口所需的l频段；增益调节部分可将变频器默认增益gdc调整-10～+10db使用。
[0059]
上变频器位于链路中间段，主要用于对完成数字信道化和交换处理的子带进行l频段至用户终端频率的变频。变频器工作在固定增益模式。
[0060]
2)数字透明处理器：
[0061]
数字透明处理器作为数字透明转发的最重要组成单机，其主要功能是对输入上行中频信号进行模数转换、数字信道化、子带映射、子带交换、增益控制、数字信道合成和数模转换等处理，最终输出下行中频模拟信号；监测单机内部的多种工作状态、完成子带功率估计和工作状态检测，并将上述信息组帧为单机遥测信息后输出；接收外部输入的业务遥控指令，完成单机的子带增益、子带开关、子带映射和子带交换等控制。
[0062]
本发明主要涉及数字透明处理器子带增益控制功能，子带增益控制主要依托于数字处理器内部信道处理asic实现完成，数字透明处理器增益gdtp调整范围约-5～+5db。
[0063]
3)高功率行波管放大器：
[0064]
高功率行波管放大器作为信号下行的重要单机，具有高增益特性。行波管放大器，具备gtwt(20db)增益档调节能力，行波管放大器需工作在输入回退状态，即上行信号功率同步影响下行信号功率。
[0065]
综上，上行信号功率处于行波管放大器饱和输入工作区间时，且链路各有源单机工作在默认增益档时，链路增益可调整能力为-25～+25db。
[0066]
根据目前市面终端eirp能力(0.6m口径3w固放和4.5m口径45w固放)，且考虑雨衰等因素，发射终端上行信号能力差范围预估0～50db。
[0067]
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0068]
实施例：
[0069]
本实施例给出一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，如图2所示，该方法的转发器链路中包括可调增益变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器，该方法的转发器链路采用单机增益联合设置优化的增益分配方法。
[0070]
本实施例中，如图1所示，该方法采用面向数字透明转发载荷的星地通信系统，面向数字透明转发载荷的星地通信系统由地面发射用户终端、卫星和地面接收用户终端组成。
[0071]
具体的，该方法包括以下步骤：
[0072]
步骤1，根据发射终端能力和星上接收天线增益，确定转发器入口功率电平pz的范围。
[0073]
步骤2，在功率电平范围(pz-25dbm)～pz～(pz+25dbm)内，在转发器入口提供一上行信号pin，转发器分系统单机按照默认增益档开机工作。
[0074]
步骤3，根据下行eirp和天线增益，确定转发器输出功率电平pout。
[0075]
步骤4，根据上行和下行功率电平，确定转发器链路默认增益gz。
[0076]
步骤5，根据转发器链路增益值g，按照以下步骤调整单机增益：
[0077]
步骤501，转发器上行电平
△
p＝pin-pz＝g-gz。
[0078]
步骤502，0db＜
△
p≤5db时，调整gdtp，降低
△
p量级增益。
[0079]
步骤503，5db＜
△
p≤15db时，调整gdtp+gtwt，优先调整gdtp，降低
△
p量级增益。
[0080]
步骤504，15db＜
△
p≤25db时，调整gdtp+gtwt+gdc，优先调整gdtp和gtwt，降低
△
p量级增益。
[0081]
步骤505，
△
p＝0db时，转发器不进行调整。
[0082]
步骤506，-5db≤
△
p＜0db时，调整gdtp，提高
△
p量级增益。
[0083]
步骤507，-15db≤
△
p＜-5db时，调整gdtp+gdc，优先调整gdtp，提高
△
p量级增益。
[0084]
步骤508，-25db≤
△
p＜-15db时，调整gdtp+gdc+gtwt，优先调整gdtp和gdc，提高
△
p量级增益。
[0085]
其中：
[0086]
gdtp表示数字透明处理器增益；
[0087]
gtwt表示高功率行波管放大器的增益；
[0088]
gdc表示可调增益变频器的增益。
[0089]
本发明步骤5的优势：传统转发器只能适应20db～30db的上行电平范围，只能通过单独的改变行波管放大器的增益来适应上行电平的变化；通过步骤5的增益调节，本发明采用的转发器设计可适应50db的电平范围，在原有的行波管放大器增益调节能力基础上，通过下变频器和dtp的增益调节，使得整个转发器链路的上行动态范围显著扩大，上行动态电平范围的扩大就意味着载荷更加适应不同类型的发射终端和复杂大气条件下的工作环境。
[0090]
应用例：
[0091]
本应用例基于上述实施例中给出的一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，该方法具体包括以下步骤：
[0092]
步骤1，根据发射终端能力和星上接收天线增益，确定某一转发器上行入口电平范围-90dbm～-40dbm，
[0093]
步骤2，pz为-65dbm，提供上行信号pin。
[0094]
步骤3，根据下行eirp和天线增益，确定转发器饱和输出电平pout＝50dbm。
[0095]
步骤4，确定转发器默认增益gz＝pout-pz＝115db。
[0096]
步骤5，转发器默认增益为此时转发器入口提供一上行电平，根据上行电平功率所处范围，执行以下操作：
[0097]
上行功率电平为-62dbm时，此时转发器增益g＝112db，
△
p＝-3db，调整gdtp，数字透明处理器增益由0db降低至-3db。
[0098]
上行功率电平为-52dbm时，此时转发器增益g＝102db，
△
p＝-13db，调整gdtp和gtwt，数字透明处理器增益由0db降低至-5db，行波管放大器增益档由默认增益下调8db。
[0099]
上行功率电平为-45dbm时，此时转发器增益g＝95db，
△
p＝-20db，调整gdtp、gtwt和gdc，数字透明处理器增益由0db降低至-5db，行波管放大器增益档由默认增益下调10db，下变频器增益由默认增益下调5db。
[0100]
上行功率电平为-68dbm时，此时转发器增益g＝118db，
△
p＝3db，调整gdtp，数字透明处理器增益由0db提高至3db。
[0101]
上行功率电平为-78dbm时，此时转发器增益g＝128db，
△
p＝13db，调整gdtp和gdc，数字透明处理器增益由0db提高至5db，下变频器由默认增益提高8db。
[0102]
上行功率电平为-85dbm时，此时转发器增益g＝125db，
△
p＝20db，调整gdtp、gdc和gtwt，数字透明处理器增益由0db提高至5db，下变频器由默认增益提高10db，行波管放大器由默认增益档提高10db。
[0103]
本发明的步骤5为关键步骤，当传统转发器上行工作电平为-75dbm～-55dbm，输出功率设定为50dbm时，转发器链路仅能提供105～125db，当发射终端较大大气环境较好时，上行电平可能会高于-55dbm，此时链路增益需求小于105db，但转发器已无进一步调节能力，可能出现过激励情况，当发射终端较小大气环境较差时，上行电平可能会低于-75dbm，此时链路增益需求大于125db，但转发器增益无法再提高，可能会出现接收终端接收不到的情况。本发明中配置的增益可调转发器链路，可使上行工作电平动态扩大至50db，即-90dbm～-40dbm，因此面临发射终端小大气环境差和发射终端大大气环境好的两种极端条件下，转发器仍能提供相应增益的链路，使得信号经过转发器透明传输后仍能够被接收终端正常接收。

技术特征：
1.一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，其特征在于，该方法的转发器链路中包括可调增益变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器，该方法的转发器链路采用单机增益联合设置优化的增益分配方法。2.如权利要求1所述的面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，根据发射终端能力和星上接收天线增益，确定转发器入口功率电平pz的范围；步骤2，在功率电平范围(pz-25dbm)～pz～(pz+25dbm)内，在转发器入口提供一上行信号pin，转发器分系统单机按照默认增益档开机工作；步骤3，根据下行eirp和天线增益，确定转发器输出功率电平pout；步骤4，根据上行和下行功率电平，确定转发器链路默认增益gz；步骤5，根据转发器链路增益值g，按照以下步骤调整单机增益：步骤501，转发器上行电平
△
p＝pin-pz＝g-gz；步骤502，0db＜
△
p≤5db时，调整gdtp，降低
△
p量级增益；步骤503，5db＜
△
p≤15db时，调整gdtp+gtwt，降低
△
p量级增益；步骤504，15db＜
△
p≤25db时，调整gdtp+gtwt+gdc，降低
△
p量级增益；步骤505，
△
p＝0db时，转发器不进行调整；步骤506，-5db≤
△
p＜0db时，调整gdtp，提高
△
p量级增益；步骤507，-15db≤
△
p＜-5db时，调整gdtp+gdc，提高
△
p量级增益；步骤508，-25db≤
△
p＜-15db时，调整gdtp+gdc+gtwt，提高
△
p量级增益；其中：gdtp表示数字透明处理器增益；gtwt表示高功率行波管放大器的增益；gdc表示可调增益变频器的增益。3.如权利要求2所述的面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，其特征在于，步骤503中，优先调整gdtp。4.如权利要求2所述的面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，其特征在于，步骤504中，优先调整gdtp和gtwt。5.如权利要求2所述的面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，其特征在于，步骤507中，优先调整gdtp。6.如权利要求2所述的面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，其特征在于，步骤508中，优先调整gdtp和gdc。

技术总结
本发明提供了一种面向数字透明转发载荷的灵活功率调整方法，该方法的转发器链路中包括可调增益变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器，该方法的转发器链路采用单机增益联合设置优化的增益分配方法。本发明将卫星业务的灵活应用，由传统转发器的“两跳”通信，改进为用户至用户“一跳”功能的数字透明星上载荷，提出了转发器链路可调增益变频器、数字透明处理器和高功率行波管放大器单机增益联合设置优化的增益分配方法，提高了载荷链路增益和功率调整的灵活性，在面对不同类型发射、接收地面终端类型条件下，实现了不同上行功率条件下的下行功率灵活调整输出。件下的下行功率灵活调整输出。件下的下行功率灵活调整输出。


技术研发人员：王嘉煜 陈思宏 康丁文 于天尧 张敏姝 景莉莉 陈博研 路小军
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/10/7