分集技術在Ka波段抗雨衰中的應用

陳金來

【摘要】 Ka波段衛星通信系統具有頻帶寬、干擾小、終端設備體積小等優點。由于Ka波段衛星通信系統使用的頻率高，其雨衰較大，甚至會導致通信中斷。采用分集技術，能夠較為有效解決雨衰帶來的影響。本文就分集技術在Ka波段抗雨衰中的應用進行論述。

【關鍵詞】 Ka 波段 衛星通信 雨衰 分集技術

一、Ka波段衛星通信

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發或反射無線電信號，在兩個或者多個地球站之間進行的通信。[1]在衛星通信中采用Ka波段即為Ka波段衛星通信。

1.1 Ka波段衛星通信的優點

與C（6/4GHz）、X（8/7GHz）、Ku（14/12GHz）波段相比，在衛星通信中采用Ka（30/20GHz）波段，可用帶寬更寬、通信容量更大，地面終端天線尺寸更小。在相同尺寸天線反射器下，Ka波段的衛星天線增益更高，獲得的EIRP更高。Ka波段對地面通信系統的干擾更小，便于衛星的軌道位置和頻率關系的調節。基于以上原因，Ka波段衛星通信系統在高速衛星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛星新聞采集（SNG）等、直接到家庭（DTH）業務、特別是軍事通信等領域得到廣泛應用。

1.2 Ka波段衛星通信的缺點

對流層的氣象環境會對信號造成的衰減，例如沙塵暴以及云、雨、雪、霧等水凝物產生的衰減效應，其中降雨產生的衰減尤為嚴重[2]，且隨著頻率的增加衰減越來越嚴重，與C、X、Ku波段相比，Ka波段衛星通信系統的雨衰更大，在大于0.1%的時間內對于30GHz的上行頻率雨衰可超過40dB，對于20GHz的下行頻率雨衰也將超過20dB。

二、雨衰

雨衰是電波在傳輸過程中穿過降雨區域時，雨滴對電波產生吸收和散射造成衰減。降雨過程對電波衰減是一個復雜的過程。雨衰大小與雨滴半徑和波長的比值有著密切的關系，當電波的波長可以和雨滴的幾何尺寸相比擬時，將引起雨滴共振，產生最大的衰減。Ka波段，下行頻率達到20GHz，波長約為15mm，其波長與雨滴直徑相對較接近，所以雨衰非常大。

2.1雨衰會引起信號電平衰減，降低接收信號電平

雨衰引起信號電平衰減表現在以下幾個方面，一是雨滴吸收入射電波的部分電能，轉換為熱能消耗掉；二是雨滴作為二次輻射源把部分電波的能量散射到周圍的空間；三是當雨滴的大小與波長構成一定的關系的時候，將產生折射，折射率的變化，將引起電波的吸收。除此之外，對電波的影響還與雨滴的密度，雨區范圍的大小等有密切關系。通常地球站的天線蓋有屏蔽罩，雨點在半球形的罩子上，形成一個固定厚度的水層，這個水層吸收和反射電波，也會引入損耗。

2.2雨衰會增加系統噪聲溫度，降低接收系統的品質因數

天線噪聲溫度是天空噪聲溫度的函數，降雨在效果上增大了地球站的接收系統噪聲溫度。用T0表示雨點溫度，A0表示降雨衰減，那么帶寬B內的有效噪聲功率就是kT0B。通過衰減因子為A0的雨區后，噪聲功率為kT0B/A0。降雨吸收的功率為kT0（1-1/A0），因此，由衰減因子A0引起的噪聲溫度增量為△T=T0（1-1/A0）。如果衰減A0很大，則T近似等于雨點的溫度T0。實際上雨點溫度通常取273K。降雨引起的噪聲溫度增量，將直接附加在地球站的噪聲溫度上，從而降低接收系統的品質因數。

三、分集技術

分集抗衰落的原理是把攜帶相同信息的信號發向若干個互不相關的衰落信道，接收機又能獲得這些攜帶相同信息的不相關的衰落信號的解調信號，并進行選擇或合并，那么將大大減小衰落的影響。分集接收的理論基礎認為信號各樣本所受的干擾情況不同，能夠從這些樣本中挑選出受干擾最小的信號或綜合出高信噪比的信號來。分集技術要求各衰落信號間不相關或相關性很小，實際上兩個不相關信號在任一瞬間均發生衰落的機率是很小的。

3.1位置分集技術

引起嚴重衰減的大暴雨在空間范圍上是有限的，嚴重的降雨導致的衰減在兩個距離較遠的地球站是互不相關的。如果兩個接收站位置相隔越遠，其同時經歷較大降雨的概率就越小，即某一接收站經受較大降雨同時另一地球站也經歷較大降雨的條件概率對應越小。這樣兩個地球站同時中斷的概率就遠小于一個地球站的中斷概率，從而增加了鏈路的可靠性。

在多雨地區或地球站天線仰角很低的地區，降雨衰減非常大，在這種情況下，采用位置分集技術是行之有效的。在相隔一定距離的兩個地點設置地球站，并切換到降雨衰減小的地球站進行通信。實際上降雨一般是區域性事件，較大的降雨量事件往往發生在幾平方公里范圍內的小“降雨區”，而小降雨量事件則覆蓋較大的地域。由于降雨僅僅在大氣層底層發生，所以當地球站之間的距離比降雨區覆蓋地域大時，則兩地球站與衛星之間的路徑衰減統計獨立。使其統計獨立的最小距離是降雨區大小及衛星仰角的函數，典型的數值為10km。位置分集技術正是利用了這一特性，將一條通信鏈路分配給兩個地球站，利用地面鏈路的分集處理器，對兩個終端進行擇優。如果其中有一個地球站的衰減超過了功率儲備，那么至少還有另一個地球站可以使用，這樣使得鏈路可用度得到了保障。位置分集技術示意圖如圖1所示。

位置分集技術需要在一條鏈路上分配兩個地球站，還需要額外的地面鏈路設備，將導致通信系統投資較高。在降雨衰減不是很嚴重的地方或對系統可用度要求不是特別高場合，不宜采用位置分集技術。

3.2頻率分集技術

雨衰隨著頻率的增加而增大。頻率分集技術使用高頻段來傳輸大部分業務，當鏈路受雨衰影響并超過一定門限時則采用低頻段來傳輸。正常情況下系統都使用高頻段，當有降雨事件且使該頻段的儲備余量不足以克服雨衰減時，則自動切換到較低頻段。因此，頻率分集技術只能應用于每條鏈路既可以工作于高頻段也可工作于較低頻段的通信系統[3]。頻率分集技術如圖2所示。

3.3速率分集技術

傳輸速率越高對鏈路質量要求也就越高。速率分集技術使用高速率來傳輸大部分業務，當鏈路受雨衰影響并超過一定門限時則采用低速率來傳輸。通信系統每條鏈路既可以工作于高速率也可工作于較低速率時，就可以采用速率分集技術減小雨衰的影響。速率分集技術示意圖如圖3所示：

四、小結

Ka波段衛星通信系統雖然具有頻帶寬、干擾小、終端設備體積小等優點，但其雨衰比較大，通信中斷時有發生。采用分集接收技術可以提高接收端的瞬時信噪比和平均信噪比，一般可提高20dB到30dB。分集技術投資相對較低廉，但可以大幅度的改進衛星通信鏈路性能。

參 考 文 獻

[1]姚軍，李白萍.數字微波與衛星通信[M].第一版.北京：北京郵電大學出版社，2014年，P2。

[2]熊浩.無線電傳播[M].第一版.北京：電子工業出版社，2000年，P487-531。

[3]柳長源，楊龍，盧迪.降雨衰減對移動衛星系統通信的影響及補償[J].信息技術，2004，28（6）：19-20，40.