Ka/EHF頻段衛(wèi)星信道傳輸特性研究

李 峰,馮曉雯,左 鵬,葉淦華

(1.總參通信部駐714廠軍代室,江蘇南京210002;2.南京電訊技術(shù)研究所,江蘇南京210007)

0 引言

美軍最新的AEHF系統(tǒng)的工程模型和系統(tǒng)定義已經(jīng)結(jié)束,將完成前2顆衛(wèi)星的裝配和測試,同時(shí)開發(fā)和部署了地面測控單元。AEHF系統(tǒng)由4顆具有星際鏈路的衛(wèi)星組成,覆蓋全球南緯65°和北緯65°之間的地區(qū)。EHF頻段帶來的好處是顯而易見的,首先是其高頻段帶來的高帶寬和高容量,可以大大減輕現(xiàn)有頻譜擁擠現(xiàn)象;其次是EHF的波束窄,可減少受核爆炸影響出現(xiàn)的信號閃爍和衰落,抗干擾和抗截獲能力強(qiáng);而且EHF頻段系統(tǒng)使用的部件尺寸和重量都可大大縮小和減輕。

Ka/EHF頻段衛(wèi)星通信面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)在于它受氣象因素的影響大,降雨、閃爍、大氣吸收等因素都會導(dǎo)致Ka/EHF頻段地空鏈路信道質(zhì)量的惡化,必須采用動態(tài)的抗衰減對策。本文詳盡討論了Ka/EHF頻段衛(wèi)星通信信道的電波傳播特性,重點(diǎn)分析了降雨對衛(wèi)星通信性能的影響。

針對Ka/EHF頻段衛(wèi)星通信信道的特性,在此基礎(chǔ)上建立了Ka/EHF頻段衛(wèi)星通信信道及系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行了性能評估。本文在進(jìn)行性能評估時(shí)主要采用了2種方法,即分析法與仿真法。

本文首先對Ka/EHF頻段的頻率漂移問題進(jìn)行了分析,指出多普勒頻移中是終端移動而不是衛(wèi)星漂移起主要作用。其次對Ka/EHF頻段中大氣損耗和降雨衰減特性進(jìn)行了分析,估計(jì)了Ka/EHF傳輸鏈路上可能達(dá)到的衰減量值。最后給出了有關(guān)結(jié)論。

1 Ka/EHF頻段的頻率源漂移問題

由于Ka/EHF頻段的工作頻率較高,相同頻率穩(wěn)定度情況下其載波頻差要遠(yuǎn)大于UHF和C頻段。系統(tǒng)頻率源頻漂主要有衛(wèi)星頻漂和地面終端頻漂。表1給出了不同穩(wěn)定度情況下,衛(wèi)星通信系統(tǒng)中典型鏈路的頻率漂移值,其單位為Hz。

表1 頻率穩(wěn)定度與頻率漂移值的關(guān)系

從表1可以看出,由于頻率源的漂移而造成的鏈路頻率偏移,對低速數(shù)據(jù)傳輸信道是相當(dāng)不利的,為了克服這一不利因素,必須提高地面頻率源的穩(wěn)定度,而這必然增加設(shè)備的體積和功耗。

2 Ka/EHF頻段的多普勒頻移問題

由于EHF頻段系統(tǒng)的工作頻率較高,由移動終端所造成的多普勒問題更為嚴(yán)重,多普勒現(xiàn)象主要是由衛(wèi)星和地面終端間的相對移動造成的,同相對移動速度和地面終端的工作仰角有關(guān),所造成的影響主要有載波頻偏和時(shí)鐘偏差,將會影響到系統(tǒng)頻率配置、校頻和解調(diào)。表2給出了最壞情況下的多普勒頻移,其單位為kHz。

表2 最壞情況下的多普勒頻移

2.1 衛(wèi)星移動所造成的多普勒頻移

由于太陽幅射壓力、太陽和月球的引力等作用,衛(wèi)星在其定點(diǎn)精度范圍內(nèi)作不規(guī)則移動,其移動特性可近似地認(rèn)為以24 h為周期在各個(gè)方向按正弦波規(guī)律運(yùn)動,考慮到在南北和東西方向位置保持精度為±0.1°,各方向上運(yùn)動距離最大約為150 km,等效最大運(yùn)動速度為1.414×150×π/12≈55 km/h。在上行(44GHz)和下行(20 GHz)造成的頻偏最大約為2.2 kHz和1 kHz。

2.2 終端移動所造成的多普勒頻移

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,終端的移動速度可從幾十公里每小時(shí)到數(shù)千公里每小時(shí),因此其多勒頻移相差非常大。圖1給出了終端相對衛(wèi)星移動的示意圖。

圖1 衛(wèi)星多普勒頻移示意圖

以1 224 km/h(1馬赫)的機(jī)載終端為例,在零度仰角情況下,上行和下行鏈路上所造成的最大頻偏約為49.9 kHz和22.7kHz。如此大的頻偏如不采取措施將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能,特別是對于低速信道而言,不采取校頻措施將使系統(tǒng)很難工作。由于中等速率的車載終端移動速率與衛(wèi)星漂移速率相當(dāng),因此也是導(dǎo)致多普勒頻移的主要因素。從上面分析可以看出,機(jī)載移動所造成的多普勒頻移要遠(yuǎn)大于衛(wèi)星移動所造成的多普勒頻移,在實(shí)際分析中我們可僅考慮由地面終端移動對系統(tǒng)的影響并研究其解決方案。

另外,多頻勒效應(yīng)還會造成數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)鐘發(fā)生偏離,影響到數(shù)據(jù)解調(diào)、位定時(shí)同步和跳頻圖案的同步。對于128 kbit/s的下行數(shù)據(jù),以1 224km/h飛行的機(jī)載終端上接收到的時(shí)鐘最大偏差為0.113 bit/s,對應(yīng)于相對穩(wěn)定度為1×10-6時(shí)鐘源所造成的偏差。較長時(shí)間的積累就會使得時(shí)隙發(fā)生偏差、數(shù)據(jù)時(shí)鐘滑動、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)發(fā)生溢出,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要予以充分考慮。

3 Ka/EHF頻段空間傳播特性

當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻率小于10 GHz時(shí),通過設(shè)置合適的鏈路備余量,電波傳播對系統(tǒng)可用度所造成的影響可以略不計(jì)。但當(dāng)工作頻率大于10 GHz時(shí),電波傳播對系統(tǒng)造成的影響就要嚴(yán)重的多,這種影響在目前Ku頻段和Ka頻段系統(tǒng)中已非常明顯,對于工作在EHF頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將更為嚴(yán)重。

影響電磁波傳播的主要自然現(xiàn)象有大氣中水分子和氧分子的吸收、雨、云、霧、雪、雨夾雪等。

3.1 大氣損耗

晴朗天氣下的大氣損耗在大于20 GHz范圍內(nèi)主要是由于氧分子和水分子的吸收引起的,二者加在一起的效果如下：在大約22.5 GHz處有一個(gè)水分子諧振峰,但其最大損耗不超過0.5 dB,且隨著空氣中水分含量變化而稍作變化,在此諧振峰處的損耗同降雨損耗相比,可忽略不計(jì)。圖2給出了空氣中水分含量與大氣衰減量的關(guān)系。

圖2 水汽含量與大氣衰減的關(guān)系

在大約60 GHz處有一個(gè)氧分子諧振峰,其最大值在 100～140 dB之間,因此該區(qū)域?yàn)樾堑刂g通信鏈路絕對禁止區(qū)域,其寬度大約為55～64GHz(假設(shè)允許的大氣損耗為1 dB)。圖3給出了水分子和氧分子吸收效應(yīng)造成的信號衰減示意圖。

圖3 水分子與氧分子吸收對信號的衰減情況

云和霧其厚度一般為幾千米,星地之間的云和霧所造成的損耗在約在0.1～0.5 dB之間。固態(tài)的水分子對電磁波影響較小且其存在的厚度較薄,由雪和雨夾雪造成的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

根據(jù)ITU-R給出的世界雨區(qū)分布和預(yù)測模型計(jì)算得到的信號衰減圖譜,與實(shí)測結(jié)果比較,可以看出云、水汽的影響是被低估的,尤其是在20 GHz以上頻段和低仰角地區(qū)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),對世界大部分地區(qū)而言,20 GHz時(shí)云汽衰減量為0～3 dB,在高緯度地區(qū)由于路徑傾斜使衰減量達(dá)到5～8 dB;44 GHz時(shí)同樣情況下衰減量就變成了0～8 dB和12～20 dB;

3.2 降雨損耗

當(dāng)電波穿過降雨的區(qū)域時(shí),雨滴會對電波產(chǎn)生吸收和散射,故而造成衰減。雨衰減的大小和雨滴半徑與波長的比值有著密切的關(guān)系,而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。

降雨衰減對電波產(chǎn)生的影響主要是吸收衰減,大部分表現(xiàn)為熱損耗。雨衰減的大小與雨滴的物理模型、電波的極化方向、工作波長,接收地點(diǎn)的位置及海撥高度等諸多因素有關(guān),而雨滴的模型在世界是不大相同的,故雨衰數(shù)值的估算是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。

目前,對降雨損耗的研究一般有以下幾種方法：

①通過長期的實(shí)地測量,例如利用衛(wèi)星導(dǎo)頻對降雨損耗進(jìn)行研究,但這種方法不可能被廣泛采用;

②利用CCIIR對降雨區(qū)的劃分(ITU將全球分為15個(gè)雨區(qū),我國范圍內(nèi)共有C、E、F、K、N 等5個(gè)雨區(qū)),通過預(yù)測模型來獲得,但誤差較大;

③利用實(shí)際的降雨數(shù)據(jù),通過選擇合適的預(yù)測模型獲得(常用模型為ITU-R雨衰模型和DAH雨衰模型);

④根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過近似得到。

ITU-R的雨衰預(yù)測模型給出的衰減率回歸系數(shù)如圖4所示。

根據(jù)上述降雨預(yù)測模型及諸多城市的經(jīng)緯度和降雨率得出了表3的計(jì)算結(jié)果。從中可以看出在44 GHz時(shí),在降雨率高的地區(qū),其0.01%降雨衰減達(dá)到了正常情況下無法補(bǔ)償?shù)牧?值;而 在20GHz時(shí),其0.01%降雨衰減也可達(dá)到40dB的量值。

圖4 ITU-R雨衰頻測模型衰減率的回歸系數(shù)

表3 44 GHz/20 GHz衛(wèi)星鏈路0.01%降雨衰減預(yù)測

由于降雨的非均勻性,雨媒質(zhì)的非均勻性并具有隨機(jī)性,從而使雨衰減的計(jì)算復(fù)雜化。雨衰減值除了與頻率有關(guān)以外還與其他許多因素有關(guān),而且有的因素只能用統(tǒng)計(jì)概率來考慮,例如：雨滴尺寸分布、雨滴速度、雨滴溫度、云層高度、地面站的緯度與海拔高度及其地形地勢等等。由于這些因素的影響,要想找到一個(gè)預(yù)測精度高、使用簡便、應(yīng)用范圍廣、物理意義明確、適應(yīng)于不同頻段、不同仰角的理想雨衰減預(yù)測模型,顯然是十分困難的。總而言之,想要獲取我國精確的降雨衰減預(yù)測模型是很困難的,更遑論全球適用的模型了。

降雨不僅會衰減電磁波,還會引起噪聲溫度的增加,影響到接收信號的質(zhì)量。對于上行鏈路,因?yàn)樾l(wèi)星天線指向地球,由地球?qū)е碌男l(wèi)星接收機(jī)噪聲溫度的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降雨產(chǎn)生的噪聲,所以在上行鏈路設(shè)計(jì)中,通常只考慮雨衰引起的信號衰減,不考慮由降雨產(chǎn)生的噪聲溫度增加。對于下行鏈路,在晴空條件下,大氣熱噪聲是比較小的,可不考慮天空大氣熱噪聲。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí),除了會引起信號的衰減外,降雨會增加下行鏈路的系統(tǒng)噪聲溫度。

4 結(jié)束語

通過對影響Ka/EHF頻段衛(wèi)星通信傳輸信道的各種因素進(jìn)行分析,主要分析了頻率漂移和鏈路衰減。鏈路衰減主要研究了雨衰和云汽損耗,研究了其產(chǎn)生衰減的機(jī)理與特性。根據(jù)實(shí)測氣象數(shù)據(jù),對Ka/EHF頻段采用ITU-R降雨衰減預(yù)測模型時(shí)的衰減量值進(jìn)行了計(jì)算,為下一步抗衰減措施的提出提供理論依據(jù),同時(shí)為工程設(shè)計(jì)提供具體的參考數(shù)據(jù)。在未來EHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)時(shí),必須對該衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的EHF頻段傳輸特性作細(xì)致深入的調(diào)查,采取針對性的補(bǔ)償措施,最大限度地提高系統(tǒng)可用度指標(biāo)。

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