一种基于自适应的卫星链路功率控制方法
阅读说明：本技术 一种基于自适应的卫星链路功率控制方法 (Satellite link power control method based on self-adaption ) 是由 关庆阳 吴双 于 2021-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于自适应的卫星链路功率控制方法,首先用户终端进行发射功率初始化；然后星上根据上行用户终端的导频信号,计算每个用户功率变化量,通过控制信道传递用户功率变化指令；最后用户根据星上的功率控制指令调整功率变化,并且估计路径损耗以调整用户的发射功率；本发明方法不仅有效补偿了路径损耗、衰落,而且在满足正常通信质量的前提下降低了功率损耗,不依赖于具体的信道环境,对于不同的接入环境可以降低接入用户的功率损失,有效提高低轨卫星上行链路用户的接入。(The invention provides a satellite link power control method based on self-adaptation, firstly, a user terminal initializes the transmitting power; then, calculating the power variation of each user on the satellite according to the pilot signal of the uplink user terminal, and transmitting a user power variation instruction through a control channel; finally, the user adjusts the power change according to the on-satellite power control instruction, and estimates the path loss to adjust the transmitting power of the user; the method not only effectively compensates path loss and fading, but also reduces power loss on the premise of meeting normal communication quality, does not depend on specific channel environment, can reduce power loss of access users for different access environments, and effectively improves access of low-earth orbit satellite uplink users.)
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种基于自适应的卫星链路功率控制方法。
背景技术
针对低轨卫星通信系统的上行链路，用户在满足建立通信链路的前提下，需要减少发射功率以保证系统功率利用率；但是由于低轨卫星相对地面的高速运动，以及波束的频繁切换、信道的多径衰落造成功率损失，对于上行链路用户终端的功率控制提出更高的要求。因此低轨卫星通信系统的用户功率控制要更加复杂，并且很多地面采用码分多址CDMA技术的无线通信系统(简称CDMA传输系统)的功率控制算法并不能直接用在低轨卫星通信系统中。目前，对于低轨卫星移动通信系统中的功率控制方法相对较少，以下是几种常见的方法。
方法一、针对低轨卫星通信系统，根据不同速率业务采用不同的功率控制算法。该算法以星下点波束覆盖用户为目标，按照卫星服务用户的不同信干比，将覆盖范围的用户进行分类。当用户终端位于波束覆盖中心区域附近时，卫星以较高的速率传输数据业务；而当用户处于波束覆盖边界附近时，卫星便以较低的速率传输数据业务。该算法实现的前提认为用户终端的位置可通过测量信号功率、信号往返时延、卫星的仰角以及导航系统得到，但是在实际情况中，确定用户在波束中的位置比较困难。
方法二、针对卫星通信系统中不同的雨衰模型，提出了一种自适应功率控制算法。该算法将雨衰模型抽象成对数正态分布函数；同样，为了减少降雨衰减对Ka波段对卫星信号传输质量造成的影响，提出在每个功率控制周期中增加一个修正参数的方法，该方法针对不同控制周期选取不同的修正参数，以提高上行链路降雨衰减的补偿精度。
方法三、针对Ka波段的卫星通信系统上行链路，为降低雨衰的影响，将降雨衰减归纳为自回归滑动平均模型，并且用户终端根据测量下行链路降雨衰减值预测出上行链路的降雨衰减值，从而提高功率控制精度。
方法四、针对低轨卫星CDMA传输系统，对固定步长，变步长以及自适应步长的功率控制方案做了分析，并提出一种压缩编码的变步长的功率控制方案。同样针对低轨卫星CDMA传输系统，提出一种开环的功率控制方案，并且给出了功率控制误差代价函数。结合接收端的信号检测，针对低轨卫星CDMA传输系统，提出了一种的单步功率控制方案。
方法五、一种自适应的功率控制方案来克服卫星信道的长距离传输以及大尺度衰落，同时考虑正态对数分布模型以及莱斯信道衰落模型对功率控制方案的影响；在此基础上，相关文献采用一种Turbo编码的功率控制方案，以获得更高的接收增益。针对低轨卫星上行链路，为了保证用户终端接入性能，同样需要合适的功率控制方案以满足系统的用户服务质量要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于自适应的卫星链路功率控制方法，包括：
步骤1：用户终端进行发射功率的初始化；
步骤2：根据低轨卫星接收到的移动用户的数据帧功率，计算每个用户的功率变化量，并通过控制信道传递用户功率变化指令；
步骤3：根据接收到的功率变化指令调整功率变化，利用公式(1)估计路径损耗以调整用户的发射功率PPC：
式中，Pmax为用户最大发射总功率，Rmin为最低的功率减小防止信道条件良好的用户以较低的功率发射，Lx-ile为最大功率发射用户的百分比，α为信道条件差和信道条件好的平衡参数；PL为用户终端与低轨卫星的下行链路的路径损耗；ΔTF为传输格式的偏移量；ΔTPC为用户接收到卫星控制指令的功率增加或减少量；PL为用户与接入低轨卫星的路损。
所述步骤2包括：
步骤2.1：低轨卫星接收移动用户的数据帧功率；
步骤2.2：计算星载设备的功率控制下发指令：
pi(n+1)＝Ii[P(n)] (2)
式中，P(n)为星上第n次接收的用户功率值，pi(n+1)为第i个用户第(n+1)次发送的功率，Ii[·]为第i次功率控制函数，
其中，为接收移动终端的功率，p*为功率的阈值门限；α(n)为第n次多用户功率控制需要改变的步长，其定义为
其中，p(n-1)为星上第(n-1)次接收的用户功率值，则下发的功率变化指令TPC(n)表示为：
其中，TPC(n)取值为-1或0或1；1表示用户终端增加发射功率，-1表示用户终端降低发射功率，0表示用户终端保持原有功率发送；
步骤2.3：用户终端有效全向辐射功率EIRP终端为：
EIRP终端＝P+Lp+La+Ly-Gr (5)
其中，P是星上的最小信号功率检测门限，Lp是自由空间损耗；La是自然灾害造成的功率损耗；Ly是系统预留损耗，用以克服多径阴影效应，Gr是卫星接收天线增益。
所述步骤3中的ΔTPC具体值确定如下：
当TPC(n)＝-1时，如果上一次迭代接收到的数据帧功率小于门限下限值，则控制移动用户的发射端增加一个步长的发送功率；否则，控制移动用户的发射端增加Q个步长的发送功率；
当TPC(n)＝0时，则保持用户终端的发射功率不变；
当TPC(n)＝1时，如果上一次迭代接收到的数据帧功率大于门限上限值，则控制移动用户的发射端降低一个步长的发送功率；否则，控制移动用户的发射端降低Q个步长的发送功率。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于自适应的卫星链路功率控制方法，首先用户终端进行发射功率初始化；然后星上根据上行用户终端的导频信号，计算每个用户功率变化量，通过控制信道传递用户功率变化指令；最后用户根据星上的功率控制指令调整功率变化，并且估计路径损耗以调整用户的发射功率；本发明方法不仅有效补偿了路径损耗、衰落，而且在满足正常通信质量的前提下降低了功率损耗，不依赖于具体的信道环境，对于不同的接入环境可以降低接入用户的功率损失，有效提高低轨卫星上行链路用户的接入。
附图说明
图1为本发明中基于自适应的卫星链路功率控制方法流程图；
图2为本发明中联合星上功率检测的用户功率控制方案。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
对于低轨卫星上行链路，信号在传输过程中受到自由空间损耗，雨衰，信道多径衰落等影响，使得低轨卫星接收的用户信号电平存在较大的波动，从而影响信号接收性能。所以上行链路用户的功率控制不仅仅需要补偿信道的路径损耗、衰落以保证链路的建立，而且需要在满足正常通信质量的前提下降低功率损耗。
联合星上功率检测的用户功率控制方案如图2所示，针对低轨星上用户功率检测，为了能够有效传递功率控制指令，可以根据信号功率及检测阈值动态调整功率控制指令。检测阈值可以通过估计上行链路的接入用户导频信号来设定。当接收的用户功率在星上功率所检测的动态阈值之中，则下发功率控制指令。当星上所接收的用户功率小于所能接受的动态阈的下限，星上通过下行控制信道通知用户终端需要增加发射功率；如果前一次的接收信号的功率仍然小于动态阈值的下限，则星上需要向用户连续发送多个增加用户发送功率的指令；反之，则发送一次提高用户发送功率的指令。当星载设备接收的用户功率大于所能接受的动态阈的上限，并且移动终端的前次发送的功率仍然大于动态阈值的上限，则星上需要向用户连续发送多个降低用户发送功率的指令；反之，则发送一次降低用户发送功率的指令。
则卫星链路的功率控制原理设计如下：
S1：用户终端进行发射功率初始化；
S2：星上根据上行用户终端的导频信号，计算每个用户功率变化量，通过控制信道传递用户功率变化指令；
S3：用户根据星上的功率控制指令调整功率变化，并且估计路径损耗以调整用户的发射功率。
基于上述原理，本发明提出的一种基于自适应的卫星链路功率控制方法，如图1所示，包括：
步骤1：用户终端按照公式(1)进行发射功率初始化；
步骤2：根据低轨卫星接收到的移动用户的数据帧功率，计算每个用户的功率变化量，并通过控制信道传递用户功率变化指令；包括：
步骤2.1：低轨卫星接收移动用户的数据帧功率；
步骤2.2：低轨卫星通过检测用户接入功率，下行控制信道调整用户的发射功率，以保证卫星接收到用户信号满足功率检测范围，星载设备的功率控制下发指令表示为：
pi(n+1)＝Ii[P(n)] (2)
式中，P(n)为星上第n次接收的用户功率值，pi(n+1)为第i个用户第(n+1)次发送的功率，Ii[·]为第i次功率控制函数，
其中，令定义为用户终端功率变化值，为接收移动终端的功率，p*为功率的阈值门限；α(n)为第n次多用户功率控制需要改变的步长，其定义为
其中，p(n-1)为星上(n-1)次接收的用户功率值，则下发的功率变化指令TPC(n)表示为：
其中，TPC(n)取值为-1或0或1；1表示用户终端增加发射功率，-1表示用户终端降低发射功率，0表示用户终端保持原有功率发送；
对于低轨卫星星上的上行链路，可以由下式确定星载设备检测用户接入的最小功率门限，可以表示为
P＝kRB(C/N)u
其中，k为波尔兹曼常数(1.38054×10-23Joules/K，-228.6dBW/K·Hz)，R为星载接收机等效噪声温度，B为星载接收机带宽，(C/N)u为上行链路的载噪比。当带宽、噪声温度确定以后，则可计算出星上的最小信号功率检测门限P。
步骤2.3：用户终端发射有效全向辐射功率EIRP终端为：
EIRP终端＝P+Lp+La+Ly-Gr (5)
其中，P是星上的最小信号功率检测门限，Lp是自由空间损耗，卫星轨道高度与仰角的函数；La是自然灾害(云雾、降雨等)造成的功率损耗；Ly是系统预留损耗，用以克服多径阴影效应，Gr是卫星接收天线增益。
用户终端需要结合星上功率控制指令进行发射功率的控制。针对低轨宽带卫星移动通信系统而言，开环的功率控制方案虽然复杂度低，但精度较差，而且没有考虑波束内部用户和波束边缘用户干扰不同的情况，并不适合卫星的终端功率控制；部分路损补偿的功率控制方法虽然在一定程度有所改善，但是由于开环功率控制方案的局限性，该方案并不能精确控制用户终端的功率。对于低轨卫星系统而言，由于资源受限，移动用户终端需要接收星上的调整指令，又需要随着卫星的高速移动，通过下行链路分析出上行链路的路径损耗，以及确定合适的发射功率保证建立通信链路。对功率控制方式加以改进，提出低轨宽带卫星移动通信系统的接入用户终端功率控制方法如下
其中，用户根据自身的情况选择合适的发射功率；
步骤3：根据接收到的功率变化指令调整功率变化，利用公式(1)估计路径损耗以调整用户的发射功率PPC：
式中，Pmax为用户最大发射总功率，Rmin为最低的功率减小防止信道条件良好的用户以较低的功率发射，Lx-ile为最大功率发射用户的百分比，α为信道条件差和信道条件好的平衡参数；PL为用户终端与低轨卫星的下行链路的路径损耗；ΔTF为传输格式的偏移量；ΔTPC为用户接收到卫星控制指令的功率增加或减少量；PL为用户与接入低轨卫星的路损。
其中，ΔTPC具体值确定如下：
当TPC(n)＝-1时，如果上一次迭代接收到的数据帧功率小于门限下限值，则控制移动用户的发射端增加一个步长的发送功率；否则，控制移动用户的发射端增加Q个步长的发送功率；
当TPC(n)＝0时，则保持用户终端的发射功率不变；
当TPC(n)＝1时，如果上一次迭代接收到的数据帧功率大于门限上限值，则控制移动用户的发射端降低一个步长的发送功率；否则，控制移动用户的发射端降低Q个步长的发送功率。
本发明针对低轨宽带卫星上行链路的用户功率控制，首先给出了一种联合星上功率检测的用户功率控制方案，该方案分为卫星对接入用户终端功率检测及用户功率控制；所提出的功率控制方案并没有针对具体的信道环境，对于不同的接入环境可以降低接入用户的功率损失，有效提高了低轨卫星上行链路用户的接入。