Ka頻段衛(wèi)星通信典型地區(qū)雨衰分析與補償方法探討

王書杰

【摘要】 本文首先介紹了Ka頻段衛(wèi)星通信雨衰產(chǎn)生機理及ITU-R雨衰預(yù)測模型。然后重點介紹了103°E在軌Ka衛(wèi)星在我國各雨域地區(qū)（典型城市）的雨衰情況。最后聯(lián)系以往Ku頻段工程實施經(jīng)驗，總結(jié)出常用的三種Ka頻段衛(wèi)星通信抗雨衰補償方法：分集技術(shù)中的業(yè)務(wù)速率分集技術(shù)、功率控制技術(shù)中的上行鏈路開環(huán)功率控制技術(shù)和自適應(yīng)編碼技術(shù)中的自適應(yīng)糾錯編碼技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 Ka頻段 衛(wèi)星通信 雨衰

一、引言

隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展以及終端用戶業(yè)務(wù)需求量的不斷增大，如：千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度數(shù)字電視（HDTV）、高清晰度遠程視頻會議、遠程醫(yī)療及個人衛(wèi)星通信等，現(xiàn)有的C（6/4GHz）、X（8/7GHz）、Ku（14/12GHz） 頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已不能滿足寬帶、高速、小口徑終端等應(yīng)用的需求，因此，擁有較高頻段帶寬的Ka波段（30/20GHz），越來越受到重視并已開始逐步投入使用。然而，在實際的使用過程中，Ka頻段衛(wèi)星通信雖優(yōu)勢明顯但也存在一大缺點-雨衰，其已成為影響該頻段正常通信的主要因素，工程設(shè)計時必須給予因地而異的考慮。隨著通信頻率的升高，雨衰將嚴重的損壞衛(wèi)星鏈路的性能，如在C頻段雨衰的影響并不明顯，但在Ka頻段，短時間內(nèi)（數(shù)分鐘）雨衰可達到20dB。因此，如何精確的計算降雨引起的信號衰減值和如何采取高效的雨衰補償對策緩解降雨造成的影響，顯得非常重要。

二、雨衰產(chǎn)生機理與ITU-R預(yù)測模型

2.1 雨衰產(chǎn)生的機理

依據(jù)無線電波傳播的理論分析得出，雨衰對信號的直接影響是造成信號的功率降低，主要有以下三種情況：

首先，雨滴等水汽凝成物將會吸收入射電波的一部分能量，并轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，同時雨滴等水汽凝成物還是二次輻射源，把部分入射電波的能量散射到周圍空間。

其次，降雨還會增加天線的噪聲溫度，進而造成地球站接收系統(tǒng)噪聲溫度的增加，直接影響到接收系統(tǒng)的G/T值，進一步降低了下行信號載噪比。

此外，雨滴在降落時會受到空氣的阻尼作用，產(chǎn)生形狀的變化，由原來的球形變成橢球形。當(dāng)某種極化電波通過此橢球形的雨滴時，如果極化面與主軸方向成一定夾角，電場在主軸方向分量就受到影響，產(chǎn)生電波的去極化。

2.2 ITU-R雨衰模型

目前，國外已有較多的方法用于計算衛(wèi)星通信鏈路的降雨衰減情況。考慮簡便、實用，并結(jié)合我國實際情況，認為ITU-R雨衰模型的總體性能最佳[1]。

ITU-R模型的計算步驟具體如下：

三、各區(qū)域Ka 波段降雨衰減值的研究

3.1 相關(guān)降雨數(shù)據(jù)

我國地域廣闊，降雨氣候差異顯著，具體有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶、北溫帶和高原氣候區(qū)，這導(dǎo)致了降雨衰減值的分布存在明顯的區(qū)域性。本文選取具有代表性的8個我國城市（每個區(qū)域選1個），覆蓋了經(jīng)度93°E至126°E、緯度20°N至43°N的區(qū)域。根據(jù)各地區(qū)的降雨數(shù)據(jù)，獲得選取的8個城市的海拔高度、緯度、經(jīng)度還有時間0.01%的降雨率R0.01[2]，如表2所示。表2 8個典型站點的地理位置和降雨率

3.2 Ka 波段降雨衰減值的計算

Ka頻段降雨衰減與降雨強度、鏈路極化和地球站工作仰角等密切相關(guān)，降雨衰減隨降雨量增大呈指數(shù)增長。采用ITU-R 預(yù)測模型，對靜止軌道位置在103°E，上、下行頻率分別為30GHz 和20GHz 的Ka頻段衛(wèi)星通信進行降雨衰減數(shù)值計算，結(jié)果如表3所示。

四、抗雨衰技術(shù)研究

Ka頻段衛(wèi)星通信在抗雨衰時除了必要的功率儲備以外，還必須研究各種抗雨衰技術(shù)，來補償降雨引起的衰減，本文根據(jù)以往Ku頻段衛(wèi)星通信工程實際的實施經(jīng)驗，采用類比法，選擇分集技術(shù)中的業(yè)務(wù)速率分集技術(shù)、功率控制技術(shù)中的上行鏈路開環(huán)功率控制技術(shù)和自適應(yīng)編碼技術(shù)中的自適應(yīng)糾錯編碼技術(shù)進行了探討研究[3]。

4.1業(yè)務(wù)速率分集技術(shù)

所謂業(yè)務(wù)速率分集就是利用先進的數(shù)字壓縮技術(shù)，在保證許可的業(yè)務(wù)質(zhì)量前提下，通過壓縮信源速率來降低門限要求，同時使用高速率來傳輸業(yè)務(wù)，當(dāng)受降雨衰減影響并超過一定門限時，則采用低速率來傳輸業(yè)務(wù)，其代價是犧牲一定的業(yè)務(wù)質(zhì)量和要求每條鏈路既可以工作于高速率也可工作于較低速率。例如，無降雨時傳輸高速率、大帶寬的16Mb/s圖像信號，降雨時則傳輸?shù)退俾省⒄瓗挼?Mb/s圖像，甚至64kb/s語音，從而減輕或抵消降雨的影響。其原理如圖2所示。

4.2 上行鏈路開環(huán)功率控制技術(shù)

上行鏈路開環(huán)功率控制是根據(jù)所獲得衛(wèi)星通信上行鏈路的降雨衰減值來相應(yīng)地調(diào)整地球站的發(fā)射電平，以抵消降雨對電波信號產(chǎn)生的衰耗，使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收到地球站發(fā)射的信號電平與晴天時基本相同，減小了上行衰減對整個鏈路工作的影響。其原理如圖3所示。

開環(huán)功率控制算法關(guān)鍵的部分，是上行鏈路衰減量的估算，首先，實時地估算出晴天信標(biāo)參考值，即未受閃爍、雨衰和噪聲影響的信標(biāo)強度。然后，由于閃爍與雨衰分量功率譜不重疊，用濾波方法把實時信標(biāo)的閃爍分量分離出來，再用雨衰和信標(biāo)的合成分量減去晴天信標(biāo)參考值就得到了慢變化的雨衰分量，最后，閃爍和雨衰分量各自經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換后，相加得到30GHz上行信號總的衰減量。用信標(biāo)作為參考信號的上行功率控制，其優(yōu)點是可以較精確地進行功率補償，但這種方法對信標(biāo)的要求較高，如果信標(biāo)不穩(wěn)定、信標(biāo)接收機有誤差或者低噪聲變頻器LNB受溫度影響發(fā)生變化，都可能產(chǎn)生較大誤差。

4.3 自適應(yīng)糾錯編碼技術(shù)

在實際的使用過程中，上行鏈路可以通過調(diào)整地球站發(fā)射功率來補償雨衰的影響，而下行鏈路就要考慮到衛(wèi)星是功率受限系統(tǒng)，僅僅使用增大功率的方法來補償是不可取的，而且在不同的氣候區(qū)域鏈路的雨衰有很大差異，即使在同一氣候區(qū)域，隨著環(huán)境氣候及降雨的變化，雨衰強度的差別也非常大。例如，晴天時衰減大約為1-2dB，而暴雨天氣時，信號的衰減最大值超過25dB。如果以固定的系統(tǒng)富余量去抵消雨衰的影響，那么晴天時就會造成功率資源的巨大浪費，而在暴雨天氣的情況下又無法得到完全的補償，使系統(tǒng)性能惡化，甚至造成通信中斷，這就需要一種能夠自適應(yīng)的抵抗雨衰的技術(shù)對策。這種技術(shù)對策能根據(jù)天氣條件和環(huán)境的變化而變化，使得接收信號電平維持在正常的水平，且又盡可能減少對系統(tǒng)其它性能的影響，本文主要介紹其中的一種—自適應(yīng)糾錯編碼技術(shù)。

自適應(yīng)糾錯編碼抗雨衰系統(tǒng)方案如圖4所示。

接收站的信道質(zhì)量檢測部分通過監(jiān)測下行鏈路信號的誤碼率或接收電平來判斷接收站雨衰的大小，將檢測結(jié)果一方面發(fā)送給發(fā)送端地球站，用以控制發(fā)送端地球站的可變速率編碼器，確定采用哪種糾錯編碼方式；另一方面控制本站的可變速率譯碼器使之與發(fā)送端站對應(yīng)。原理是：在滿足鏈路傳輸質(zhì)量的同時，盡量提高有效信息的傳輸容量。如當(dāng)?shù)厍蛘綛下雨時，其信道質(zhì)量檢測部分檢測到下行鏈路信號受到雨衰影響，用檢測結(jié)果控制碼率選擇部分改變本站的可變碼率譯碼器的碼率；同時將衰減信息通過反向衛(wèi)星信道傳送給發(fā)送端地球站A，改變A站的可變碼率編碼器的碼率，以滿足對編碼增益的需要，實現(xiàn)自適應(yīng)糾錯編碼。

五、結(jié)束語

Ka頻段衛(wèi)星通信的發(fā)展是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要方向和趨勢，目前國外已基本處于商用階段，國內(nèi)由于建設(shè)相對起步較晚，還需要加大技術(shù)研究力度。研究與實踐表明通信系統(tǒng)頻率高于10GHz時，降雨會引起信號的嚴重衰減，而Ka頻段的工作頻段是30/20GHz，故將來在進行Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)時，務(wù)必要重點考慮雨衰情況，通過借鑒國外成熟的抗雨衰技術(shù)，綜合利用業(yè)務(wù)速率分集、上行鏈路開環(huán)功率控制、自適應(yīng)糾錯編碼等技術(shù)，更大程度的改善Ka頻段衛(wèi)星通信可用度較低的現(xiàn)象，滿足我國社會高速率、大容量的寬帶衛(wèi)星通信需求。

參 考 文 獻

[1]鄭進寶.我國Ka頻段衛(wèi)星通信雨衰分析及抗雨衰技術(shù)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2007。

[2]王成元，徐慨.衛(wèi)星鏈路降雨衰減的測量及頻率換算[J].無線通信技術(shù).2010（2）.P37-39

[3]柳長源，楊龍.降雨衰減對移動衛(wèi)星系統(tǒng)通信的影響及補償[J].信息技術(shù).2004（6）：22-24.