如何降低Ku波段衛(wèi)星通信雨衰影響

王磊

摘 要：衛(wèi)星通訊是目前人類最先進(jìn)的通訊方式之一，其中Ku波段衛(wèi)星通訊使用較為廣泛，其信號(hào)的傳輸質(zhì)量會(huì)直接影響到信息的傳遞效果，在實(shí)際應(yīng)用中，Ku波段傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)受到各類因素的干擾，而影響衛(wèi)星通訊以及系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素便是雨衰。文章主要通過對(duì)雨衰對(duì)衛(wèi)星通訊信號(hào)影響的機(jī)理進(jìn)行了分析，并詳細(xì)的介紹了雨衰對(duì)信道的影響，同時(shí)提出了相關(guān)措施，以降低雨衰對(duì)于衛(wèi)星通訊的不利影響。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；雨衰；影響

1 雨衰概述

1.1 產(chǎn)生

降雨是一種自然現(xiàn)象，電波是現(xiàn)代通訊最重要的介質(zhì)，但是電波在傳播過程中遇到降雨則會(huì)受到其影響。在電波傳播區(qū)域若發(fā)生降雨，那么雨滴會(huì)吸收部分電波能量，而且降雨作用也會(huì)導(dǎo)致電波散射現(xiàn)象。雙重影響下，便會(huì)造成電波的衰減。另外電波散射作用還會(huì)造成無線電干擾問題，若降雨影響嚴(yán)重，還會(huì)導(dǎo)致電波在傳播過程中還會(huì)出現(xiàn)去極化效應(yīng)，這些便是雨衰。

在雨衰作用下電波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)緩慢的時(shí)變衰減以及非選擇性衰減，因而降低了信號(hào)的質(zhì)量，從而降低了系統(tǒng)的可用性。所以，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)雨衰問題是必須考慮在內(nèi)的。雨滴直徑大小會(huì)直接影響雨衰強(qiáng)度，如過相對(duì)比雨滴直徑，信號(hào)波長相對(duì)較大，那么雨衰作用中散射衰減影響較大。而若雨滴的直徑相對(duì)較大時(shí)，雨衰的作用主要由吸收損耗決定。但是無論兩種作用機(jī)理的哪種起主要作用，電波都會(huì)在其傳播方向上呈現(xiàn)出衰減趨勢。并且，信號(hào)波長同雨滴直徑數(shù)值相近，那么雨衰影響就會(huì)越明顯，信號(hào)能量衰減便會(huì)越大。中短波信號(hào)傳播時(shí)，雨衰對(duì)于C波段信號(hào)影響幾乎可以不計(jì)在內(nèi)。雨衰對(duì)于10GHz以上的波段影響較為明顯，因而必須將雨衰作用效果考慮到鏈路計(jì)算中，并且頻率越高，則雨衰影響便會(huì)越大。即相比較小雨對(duì)電磁波的影響，暴雨以及大雨的影響要更大。從國際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）（現(xiàn)為國際電聯(lián)（ITU））提供的雨衰與頻率和降雨大小的關(guān)系圖中可以很清楚地看出Ku波段信號(hào)受雨衰的影響較大。在國際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）（現(xiàn)為國際電聯(lián)（ITU））提供的雨衰與頻率和降雨大小的關(guān)系圖中降雨對(duì)電波的衰耗為實(shí)線，而云、霧引起的衰減為虛線。Ku波段頻率較高[（12-18）GHz]，波長與雨滴的大小可比擬，受雨衰的影響比較嚴(yán)重。可看出，在Ku波段，中雨（雨量為4mm/h）以上的降雨引起的衰耗相當(dāng)嚴(yán)重。若電波穿過雨區(qū)路徑長度為10km時(shí)，對(duì)于Ku波段上行線路，衰耗為2dB左右，下行線路的衰耗為1dB左右；在暴雨（雨量為100mm/h）情況下，每公里的損耗強(qiáng)度較大，暴雨雨區(qū)高度一般小于2km，但暴雨引起的衰耗將超過10dB以上。隨著降雨強(qiáng)度的加大，在Ku波段降雨衰減系數(shù)也急劇增加，雨衰的衰減量與降雨強(qiáng)度幾乎成正比。而對(duì)于C波段[（4-6）GHz]來說，雨衰的影響就不是很明顯，中雨區(qū)上行線路的衰耗為1dB左右，下行衰耗僅為0.4dB左右，即使是暴雨區(qū)上行線路總衰耗值也僅為1dB左右。

1.2 降雨噪聲影響

降雨不單單會(huì)對(duì)電磁波造成影響，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。由于降雨噪聲會(huì)對(duì)接收天線的信號(hào)接入端造成影響，從而等效為天線熱噪聲，主要的影響表現(xiàn)為信號(hào)載噪比的大小。天線的結(jié)構(gòu)以及衰減量有著直接的聯(lián)系。

依照實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以分析出，當(dāng)衰減增加0.1dB，那么噪聲溫度便會(huì)相應(yīng)增加57K。降雨噪聲會(huì)隨著天線仰角的增大而逐漸的縮小，即電磁波從降雨區(qū)穿過的路徑越短那么降雨所導(dǎo)致的信號(hào)衰減現(xiàn)象就會(huì)越小。而噪聲溫度增幅會(huì)隨著雨衰的降低而減小，若不存在雨衰，那么噪聲溫度便不會(huì)變化。若波導(dǎo)損耗不會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響，那么噪聲溫度便主要由降雨衰減產(chǎn)生。噪聲溫度高低會(huì)直接影響到信號(hào)接收系統(tǒng)的G/T值，即信號(hào)載噪比會(huì)受到噪聲溫度的變化影響，噪聲溫度越高，信號(hào)質(zhì)量越低，可用性越小，所以鏈路計(jì)算中必須將該條件考慮在內(nèi)。

1.3 去極化現(xiàn)象

電波在傳播過程會(huì)出現(xiàn)衰減，而降雨除了加速衰減外還會(huì)致使去極化現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此從這一角度分析，入射波極化波面也會(huì)由雨衰作用造成影響。雨滴在降落過程中會(huì)受到空氣阻力作用，因而形狀上呈現(xiàn)出略微扁平的形狀，雨滴兩個(gè)軸向上的衰減被稱作微分衰減，而其相位移則是微分相移。其對(duì)于單極化系統(tǒng)的影響并不大，但是會(huì)極大的影響雙極化系統(tǒng)個(gè)傳輸質(zhì)量，降低極化的隔離度，從而加大信號(hào)間的相互干擾。在圓極化以及線極化中，這種降雨引發(fā)的去極化現(xiàn)象影響極大。而在對(duì)極化純度的鑒別中，常常會(huì)使用交叉極化進(jìn)行鑒別。一般情況下，當(dāng)天線仰角大于15°時(shí)，交叉極化鑒別度在超過年平均時(shí)間的0.1%時(shí)，可以達(dá)到27dB，0.01%時(shí)為20dB，0.001%時(shí)為15dB。暴雨區(qū)Ku波段的微分衰減可達(dá)2dB左右（雨區(qū)高度按2km計(jì)算）。對(duì)于正交極化復(fù)用的衛(wèi)星系統(tǒng)，降雨引起的去極化作用會(huì)使極化隔離度降低，產(chǎn)生極化誤差，導(dǎo)致干擾增加。

2 應(yīng)對(duì)措施

如何有效降低雨衰現(xiàn)象對(duì)Ku頻段電波的影響，首要任務(wù)便是針對(duì)某一區(qū)域雨衰進(jìn)行確定。這需要長時(shí)間精確的觀測，從而獲取實(shí)際精確的連續(xù)數(shù)據(jù)，例如某一特定區(qū)域中連續(xù)幾年特定時(shí)間內(nèi)的降雨率等。以此計(jì)算出該特定區(qū)域的降雨特性，并根基實(shí)際的測量數(shù)據(jù)，通過特定的計(jì)算公式，計(jì)算出該區(qū)域特有的雨衰量。在此基礎(chǔ)上將該區(qū)域中的降雨特性掌握清晰，并保證計(jì)算出的雨衰量精確完整，通過基礎(chǔ)想的測量數(shù)據(jù)，計(jì)算出雨衰，并使用迭代對(duì)降雨統(tǒng)計(jì)進(jìn)行完善，從而掌握實(shí)際的區(qū)域雨衰狀況。基于此，可以通過以下措施解決雨衰對(duì)于信號(hào)傳播的干擾。

2.1 編碼及降速率技術(shù)

向前糾錯(cuò)技術(shù)在一定程度上可以轉(zhuǎn)變傳輸誤碼率，在雨衰較大的情況下通過這種方式可以降低雨衰影響，即常用的FEC技術(shù)。通過降低編碼率可以有效提高編碼增益，這種方式在雨衰較大的情況下最為有效，例如編碼率=1/2卷積碼，那么通過維特比譯碼可以將編碼增益調(diào)整為5dB。但是對(duì)編碼率的降低需要在一定限度內(nèi)，如果超出該限度，即便是再次降低編碼率也很難獲得更大的改善，即編碼增益的提高將不再明顯；并且超限度降低編碼率還會(huì)減少系統(tǒng)容量。另外，在雨衰影響的降低中可以通過自適應(yīng)速率降低技術(shù)有效的予以克服，即ARP技術(shù)，通過對(duì)新到數(shù)據(jù)速率進(jìn)行減少的方式，對(duì)信道容量有效擴(kuò)容，增益比同速率減少成正比。欲將增益調(diào)整為5dB則需要將速率降低至原來的1/3。通過使用ARP技術(shù)以及FEC技術(shù)，針對(duì)實(shí)際雨衰情況進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。但是作用會(huì)隨著深度的不斷加深而降低。

2.2 空間分集技術(shù)

考慮到Ku波段特點(diǎn)，若信號(hào)穿越區(qū)域降雨過多或者衛(wèi)星仰角較低，那么受到雨衰作用影響，需要通過空間分集技術(shù)才能夠消除雨衰的不良影響。該技術(shù)的作用在與降雨空間具有不均勻的分布特性。另外，信號(hào)的分集接收主要依靠地球上一定距離的兩個(gè)地球站進(jìn)行，這同地面蜂窩移動(dòng)通訊空間分集技術(shù)相類似，也可以通過地球站的切換進(jìn)行單鏈路通訊，利用雨衰較小的地球站進(jìn)行通訊。而分集改善質(zhì)量主要通過兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行，即分集增益以及分集改善因子，兩站距離越大，分集改善效果越好。但是兩站間距離范圍也有一定的限度，超出范圍后改善程度的提升會(huì)有所降低。空間分集會(huì)帶來好處，但是與此同時(shí)也要付出代價(jià)。成本投入會(huì)大大增加，由于該技術(shù)需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為支撐，因此網(wǎng)絡(luò)投資成本會(huì)隨之增加。空間分集技術(shù)不僅適用于兩站址，還可以應(yīng)用在多站址，但是需要付出相應(yīng)的成本。

2.3 鏈路備余量

該方式在鏈路設(shè)計(jì)中常會(huì)用到，例如在C頻段通訊鏈路中，會(huì)留下3dB的余量，而Ku頻段通訊鏈路余量通常會(huì)留有6dB。若電波通訊地區(qū)降雨相對(duì)較少，例如沙漠地區(qū)，通過鏈路余量便可以改善雨衰現(xiàn)象；而降雨頻率相對(duì)較高的區(qū)域，通過鏈路備余量的方式完全無法予以改善，因此應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他方式。但是該技術(shù)占用衛(wèi)星資源相對(duì)較多，天氣晴朗時(shí)會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而下雨時(shí)又有可能不夠用。

2.4 功率控制技術(shù)

對(duì)于Ku波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以通過設(shè)置AUPC即上行鏈路自適應(yīng)功率控制系統(tǒng)，通過在地球站上進(jìn)行該系統(tǒng)的設(shè)置或者進(jìn)一步通過聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用自動(dòng)控制系統(tǒng)（APC）進(jìn)行全網(wǎng)管理或者通過DPC系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率控制，以此有效降低雨衰的不良影響。

2.4.1 上行鏈路自適應(yīng)功率控制（AUPC）

若采用的方式為傳統(tǒng)功率余量的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，那么對(duì)系統(tǒng)通訊容量將會(huì)造成嚴(yán)重影響，所以想要提高系統(tǒng)通訊容量則要使用AUPC技術(shù)，從而保證鏈路的運(yùn)行更加的可靠。其技術(shù)原理主要為：利用各地球站對(duì)鏈路降雨衰耗進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)監(jiān)控信號(hào)強(qiáng)度，繼而通過AUPC技術(shù)對(duì)地球站發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)鏈路雨衰進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償，保證信號(hào)工作電平穩(wěn)定適宜，在此基礎(chǔ)上衛(wèi)星接收到來自地球的信號(hào)電平基本同晴空一致。若是衛(wèi)星系統(tǒng)更加先進(jìn)，那么衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β首詣?dòng)化調(diào)整，從而克服雨衰對(duì)Ku波段的影響。

通過地球站將下行線路雨衰值測量出來，利用接收衛(wèi)星通訊信號(hào)的變化量，以此調(diào)節(jié)衰耗設(shè)備，保證雨衰值得到有效的補(bǔ)償。這種開環(huán)上行功率控制技術(shù)的原理相對(duì)較為漸變，使用設(shè)備相對(duì)簡單，并且投入成本較低，但是缺陷亦很明顯，即精度值較低。

閉環(huán)上行功率控制是地球站將接收來的衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)，與通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器環(huán)回信號(hào)或某一特定信道的通信業(yè)務(wù)信號(hào)的C/N（或S/N）值進(jìn)行比較，然后去控制地球站的上行功率。這樣一來，上行信號(hào)的雨衰值和上行功率控制的控制量有較高的準(zhǔn)確度。因此在閉環(huán)上行功率控制中必須將控制信道與通信信道分開，所用設(shè)備較多，費(fèi)用較高。

2.4.2 自動(dòng)功率控制（APC）

針對(duì)上行功率控制最為有效的便是APC技術(shù)，但是在下行線路中也需要將雨衰問題考慮在內(nèi)。為了使得這一問題得到解決，APC技術(shù)，即自動(dòng)功率控制系統(tǒng)應(yīng)時(shí)而生，這種建立在衛(wèi)星通訊網(wǎng)管系統(tǒng)之上的技術(shù)能夠有效提升衛(wèi)星通訊系統(tǒng)信息傳遞的可靠性以及穩(wěn)定性，并有效降低了衛(wèi)星通訊的成本，因而得到了廣泛的使用。

2.5 極化方式的選擇以及天線的選擇

電波信號(hào)的衰減程度會(huì)受到雨滴形狀的影響，雨滴直徑會(huì)在雨滴的下落過程中發(fā)生形狀的變化，雨滴體積越大，直徑便會(huì)越大，這時(shí)，雨滴對(duì)于電波的影響也便越大，衰減值以及垂直極化現(xiàn)象變化會(huì)隨之增加。在實(shí)際的應(yīng)用接收天線的口徑會(huì)直接影響接收天線增益，所以對(duì)接收天線進(jìn)行擴(kuò)徑可以有效提高天線的增益。增益會(huì)隨著口徑的增加而增加，系統(tǒng)的覆蓋面便會(huì)越廣。當(dāng)然，成本也會(huì)隨著口徑的增加而不斷的增加。

2.6 采用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭（LNB）

現(xiàn)用于接收Ku頻段衛(wèi)星信號(hào)的LNB，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的，其增益可達(dá)到60dB。如果受某些因素的制約，而不想或無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)LNB，而且這要比增大天線口徑的成本低。

2.7 雙頻組合通信技術(shù)

低頻波段受雨衰影響相對(duì)較小，若雨衰超出了規(guī)定范圍，那么系統(tǒng)在檢測過程中便會(huì)自動(dòng)將通訊電波的頻率切換到低頻通訊波段，從而保證通訊質(zhì)量。

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