民航Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)雨衰的補(bǔ)償措施

+ 張峰俊 東北空管局

一、雨衰的產(chǎn)生

當(dāng)無(wú)線電波穿過(guò)降雨的區(qū)域時(shí)，雨不僅會(huì)吸收無(wú)線電波的能量，而且還會(huì)對(duì)它產(chǎn)生散射。這種吸收和散射共同形成無(wú)線電波的衰減，散射還能導(dǎo)致大范圍無(wú)線電干擾，并對(duì)無(wú)線電波有去極化效應(yīng)，我們稱這些衰減和干擾為雨衰。

雨衰的大小與雨滴直徑、與波長(zhǎng)的比值有著密切的關(guān)系。當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)比雨滴大時(shí)，散射衰減起決定作用；當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)比雨滴小時(shí)，吸收損耗起決定作用；無(wú)論是吸收還是散射作用，其效果都使電磁波在傳播過(guò)程中遭受衰減。當(dāng)電磁波的波長(zhǎng)和雨滴直徑越接近時(shí)，雨衰越大。

一般情況下（比如中短波）電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于雨滴直徑，故衰減很小，因此C頻段信號(hào)（4-6GHz）受雨衰的影響也可以忽略。但對(duì)于10GHz以上的電磁波（Ku頻段信號(hào)的頻率為12-18GHz），雨衰的影響就非常明顯了。頻率越高，雨衰的影響越大，大雨和暴雨對(duì)電磁波的衰減要比小雨大很多。

二、民航Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)雨衰的補(bǔ)償措施

雨衰的補(bǔ)償通常可以采用提高設(shè)備硬件指標(biāo)及性能的方法，比如上行鏈路雨衰靠增加上行功率來(lái)補(bǔ)償，下行鏈路雨衰通過(guò)增大天線口徑來(lái)補(bǔ)償。對(duì)于民航Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，它采用了以下幾種措施來(lái)補(bǔ)償電磁波的雨衰。

1.鏈路的衰減余量

鏈路的衰減余量是傳統(tǒng)通信鏈路設(shè)計(jì)中常用的方法。如C頻段衛(wèi)星通信鏈路通常留3dB余量，Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路通常留6dB余量。民航Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)在發(fā)射方向上一共有Modem板的發(fā)射中頻、外接衰減器的數(shù)量和ODU的發(fā)射增益3個(gè)衰減量調(diào)整點(diǎn)，在接收方向上有外接衰減器的數(shù)量和ODU的發(fā)射增益2個(gè)衰減量調(diào)整點(diǎn)。這樣就能夠充分保證整個(gè)Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)有足夠的鏈路衰減余量。

2.上行鏈路功率控制（ULPC）

上行鏈路功率控制是利用本站發(fā)出的信號(hào)或衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)，通過(guò)一定算法推算出上行鏈路的降雨衰減值，從而相應(yīng)的增加地球站的發(fā)射功率，抵消上行鏈路的降雨衰減，使得雨天到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)的信號(hào)電平信噪比基本保持和晴天的一樣。

上行功率控制的方法一般都是調(diào)整中頻信號(hào)的電平，從而改變高功放的輸出功率，使上行功率隨著雨衰的大小而改變，達(dá)到功率補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｉ闲泄β士刂浦饕峭ㄟ^(guò)參考信號(hào)的選擇和補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)，其中參考信號(hào)的選擇是為了使衛(wèi)星的輸入功率為可確定的值。利用參考信號(hào)可以估算降雨衰減量的大小，參考信號(hào)可以是信標(biāo)也可以是空間的噪聲溫度。

民航Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上行鏈路功率控制是利用信標(biāo)信號(hào)作參考的控制信號(hào)，來(lái)控制上行鏈路功率控制器中頻單元的增益或衰減量，根據(jù)信標(biāo)的大小自動(dòng)地調(diào)節(jié)電控衰減器的衰減量，使中頻電平隨著雨衰量變化，進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β恃a(bǔ)償。

3.采用編碼及降速率技術(shù)

在雨衰較大時(shí)，可以采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)（FEC）來(lái)減小傳輸?shù)恼`碼率。通過(guò)減小編碼率來(lái)獲得編碼增益的提高，如編碼率為1/2的卷積碼，當(dāng)采用維特比譯碼時(shí)，其編碼增益可達(dá)5dB。當(dāng)然減小編碼率也必須有個(gè)限度，一方面當(dāng)編碼率減小到一定程度時(shí)，若進(jìn)一步減小編碼率，多獲得的編碼增益將改善很小；另一方面減小編碼率會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量的減小。

此外，還可以通過(guò)自適應(yīng)速率降低技術(shù)（ARP）來(lái)克服雨衰的影響，通過(guò)減少衰減信道的數(shù)據(jù)速率來(lái)增加信道容量，降低速率所帶來(lái)的增益與降低后的速率成正比，例如速率減少至1/4時(shí)，增益為5dB。

使用糾錯(cuò)編碼和降速率技術(shù)，可以補(bǔ)償不同程度的雨衰；但隨著深度的增加，有效可用容量減少。這里，民航Ku衛(wèi)星網(wǎng)采用的是維特比編碼和FEC1/2糾錯(cuò)方式。

4.極化方式的選擇和天線的選擇

不同雨滴形狀對(duì)信號(hào)的衰減也不相同。隨著雨滴體積的增大，雨滴在水平方向的直徑也逐漸增大。此時(shí)，相比于對(duì)垂直極化波的衰減，雨滴對(duì)水平極化波的衰減更大，這也意味著在10GHz以上的頻率中，垂直極化波比水平極化波的抗雨衰性能要好。

根據(jù)公式G=10lgη(πD/λ)2可知，接收天線的增益與接收天線的口徑有著直接的關(guān)系，因此適當(dāng)加大接收天線的口徑，可以較明顯地提高天線增益。口徑越大，其增益越高，系統(tǒng)覆蓋范圍越大。民航Ku衛(wèi)星通信網(wǎng)采用的是上行水平極化、下行垂直極化的極化方式，一類站天線尺寸為4.5米，足以保證天線的接收增益。

5.采用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)低噪聲放大器

現(xiàn)用于接收Ku頻段衛(wèi)星信號(hào)低噪聲放大器，一般噪聲系數(shù)為0.8dB，噪聲系數(shù)在0.6dB便是十分低的噪聲，如使用噪聲系數(shù)為0.7dB，其增益可達(dá)到60dB。如果受某些因素的制約，而不想或無(wú)法去增大接收天線的口徑，可首先考慮使用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)低噪聲放大器，而且這要比增大天線口徑的成本低。民航Ku衛(wèi)星通信網(wǎng)一類站的低噪聲放大器采用的是AnaSat公司生產(chǎn)的LNC，其噪聲系數(shù)為0.7dB。

三、小結(jié)

與C頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有天線尺寸小、波束窄、抗地面干擾好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于雨衰使得Ku頻段衛(wèi)星傳輸信號(hào)的衰減很大。民航Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用優(yōu)質(zhì)的低噪聲放大器、4.5米的天線、充分的鏈路衰減余量以及上行鏈路功率控制等技術(shù)，使得Ku頻段雨衰大的問(wèn)題在一定程度上得到了補(bǔ)償。