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注：本文为参考文章~代码为对其部分内容进行复现~

适用于具有自适应编码调制的 Q 频段低轨卫星通信的链路预算建模

一、摘要

本文提出了一个适用于 Q 频段低轨（LEO）卫星链路的建模与评估框架，该框架整合了时变传播特性、真实噪声温度建模以及自适应编码调制（ACM）技术。研究以 1Hz 的频率对卫星过境过程进行仿真，并将其与同位置的气象观测数据（从 10 分钟分辨率重采样至 1 秒分辨率）进行匹配。

大气吸收、云层和降雨的影响被整合为一个额外路径损耗（EPL）项，该参数为上行链路和下行链路的天空亮度与系统噪声温度计算提供输入。随后，链路预算生成载噪比谱密度（）时间序列，基于符合香农定理的比特能量与噪声谱密度比（）阈值（含实现余量和滞后特性）驱动 ACM 选择器工作。

本文展示了两个对比鲜明的案例研究：一是稳定过境场景，上下行链路均持续保持最高速率的调制编码方案（约 947 Mbit/s）；二是衰落严重的过境场景，深度衰落导致调制编码方案频繁切换，吞吐量持续下降。结果表明：（1）旁瓣与大气辐射的耦合会显著提高下行链路噪声温度；（2）上行链路向冷空间的能量泄漏会降低卫星接收机的有效温度；（3）适度的滞后特性可在不牺牲吞吐量的前提下避免模式振荡。该框架支持参数扫描，且能纳入实测硬件参数以匹配实际运行系统，为动态链路评估和切换策略设计提供了实用基础。

二、引言

卫星通信（SATCOM）系统是实现全球互联的关键支撑，可提供宽带互联网、电信、地球观测、导航等服务 [1][2]。链路预算是卫星通信系统设计与优化的核心，它涵盖了信号从发射机传播到接收机过程中经历的所有增益与损耗 [2][3]。链路预算不仅决定通信链路能否满足服务质量（QoS）要求，还指导天线尺寸、发射功率水平及系统余量的选择 [2][3]。

大规模低轨（LEO）卫星星座的快速部署，为链路预算分析带来了新机遇与挑战。与相对地球表面静止的地球同步轨道（GEO）卫星不同，低轨卫星运行高度更低、天空中移动速度更快，这导致卫星间切换频繁、传播距离时变、仰角不断变化。由此，自由空间路径损耗、大气吸收以及天气相关衰减均呈现动态变化特性。在、等较高频段，这种动态变化更为显著；而在 Q、V 频段，降雨、云层和气体衰减会严重影响链路性能，当前业界对这两个频段的关注度正不断提升 [4]-[7]。

传统链路预算计算常假设静态条件或依赖简化的大气模型，可能低估环境因素的影响。且受气候变化影响，极端天气事件的强度与频率不断增加，进一步放大了传统方法的局限性 [8]。为支撑下一代卫星系统，需采用更精准、更具适应性的方法。将经实测或预测算法验证的真实大气衰减模型纳入链路预算框架，可提升性能评估的可靠性，为网络设计决策提供更充分的依据。

（一）相关工作

在前期研究 [9] 中，研究团队构建了一个框架，用于仿真 2025 年 3 月 29 日 5 颗低轨卫星的轨道轨迹。选择该日期是为了匹配地面站点的实测气象数据 —— 该气象站距离仿真地面站约 1.77 公里，位于北纬 38.23444°、东经 21.74333°，与仿真地面站（北纬 38.21868°、东经 21.74641°）海拔相近，由 Giorgos Chronopoulos 先生与雅典国家天文台合作运营 [10][11]。

研究采用附录 C 中列出的开普勒轨道参数，以 1 秒的分辨率生成卫星轨迹，提供了全天的详细位置数据。同时构建地面站模型与卫星建立链路，共观测到 19 次可见过境。为简化分析，未对地面站与卫星的天线进行明确建模，假设在每次过境过程中，等效全向辐射功率（EIRP）始终保持最大增益状态。

为匹配轨迹分辨率，研究采用伽马自回归分布，将原始 10 分钟间隔的实测降雨率插值为 1 秒间隔数据。基于该数据集计算大气吸收，并将降雨引起的衰减建模为高斯随机过程（同时统计性地计入云层衰减）。将这些分量整合，得到了作为仰角和频率函数的总额外路径损耗（EPL）。随后，利用 18 次卫星过境的 EPL 数据训练长短期记忆（LSTM）神经网络，第 19 次过境数据用于模型测试，结果表明该模型对 EPL 的预测精度较高。

（二）研究贡献与范围

本研究在前期工作基础上，利用相同的卫星过境数据与实测气象数据，将计算得到的 EPL 整合到完整的链路预算评估中。该方法可在真实时变传播条件下评估链路性能，同时考虑上行链路与下行链路的影响。此外，本研究还支持对系统参数进行动态评估，并应用自适应编码调制方案，以在信道条件变化时维持可靠性能。

全文结构如下：第二部分介绍链路预算分析的基本原理；第三部分阐述如何对实测气象数据进行插值，以匹配卫星轨道轨迹与 EPL 计算的分辨率；第四部分介绍总系统噪声的建模方法，包括电子设备内部噪声、天线噪声及传播信道噪声的贡献；第五部分概述基于信道特性的自适应编码调制实现方式；第六部分展示两个卫星过境场景下的 ACM 性能结果。

三、结论

本研究提出了一个全面的框架，用于低轨 Q 频段卫星通信系统的链路预算建模，并基于链路性能选择合适的调制编码速率。该框架既纳入了电子元件产生的内部热噪声，也考虑了信号在上下行链路传播过程中遇到的大气热噪声。

这些因素被整合到基于香农容量定理的自适应编码调制（ACM）算法中，使得在卫星过境的整个过程中，能根据实时信道条件动态选择调制编码方案。除性能评估外，该框架还为卫星星座管理等实际应用提供了基础，例如帮助排除不合适的候选卫星、确定最优切换卫星。

未来研究可进一步扩展该方法，通过纳入实测硬件参数、先进信道模型及标准化通信协议，使框架更贴合实际运行场景。

完

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