Ka頻段衛(wèi)星動(dòng)中通鏈路雨衰預(yù)測(cè)與對(duì)策分析

劉 杉，江衛(wèi)民，文鄭杰，宋忠海，周 偉，張建勛,2

(1.中國(guó)人民解放軍96751部隊(duì)，遼寧 大連 116000;2.火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

0 引言

雨衰是指電磁波進(jìn)入雨層后引起的衰減，主要包括雨粒散射和吸收導(dǎo)致的衰減[1]。Ka頻段上行信號(hào)頻率一般在30 GHz左右，這個(gè)頻段的信號(hào)波長(zhǎng)和雨滴直徑相近[2]。因此，Ka頻段下降雨時(shí)電磁波產(chǎn)生的衰減更大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生通信中斷[3-4]。衛(wèi)星動(dòng)中通常安裝于運(yùn)動(dòng)載體上，其通信鏈路受周圍環(huán)境(特別是降雨)的影響更為顯著[5]。

為了保證通信質(zhì)量，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)往往會(huì)按照最嚴(yán)重降雨損耗為系統(tǒng)預(yù)留一定的備用余量，使整個(gè)鏈路能補(bǔ)償雨天最壞情況下的降雨衰減。但降雨是一個(gè)隨機(jī)事件，由降雨而帶來(lái)的信號(hào)衰減也隨地域的不同和降雨量的多少而不同。若一年中很少時(shí)間里才能用到這些備用余量，就可能會(huì)造成資源浪費(fèi)[6-7]。與之相反，若在信道鏈路狀態(tài)太差的時(shí)候又得不到補(bǔ)償，則可能造成信號(hào)受損甚至中斷。鑒于此，合理設(shè)計(jì)衛(wèi)星動(dòng)中通鏈路通信系統(tǒng)，就必須較為準(zhǔn)確地估算降雨的衰減值。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于ITU-R降雨衰減預(yù)測(cè)模型，根據(jù)雨量的大小不同，對(duì)Ka頻段衛(wèi)星通信鏈路的影響進(jìn)行分析，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別從改變調(diào)制方式、傳輸速率、上行功率控制等方面給出了解決對(duì)策。

1 降雨衰減原理分析

目前，在已有的降雨衰減估算方法中，基本思路主要是按照不同的時(shí)間概率，估算最大雨衰量的統(tǒng)計(jì)值，差別只在于雨區(qū)、降雨強(qiáng)度和降雨高度等的取值不同。本文主要基于經(jīng)典模型ITU-R P.618-11來(lái)研究降雨衰減的預(yù)測(cè)問(wèn)題[8]。

眾所周知，Ka頻段下衛(wèi)星通信鏈路的降雨衰減受到該城市的經(jīng)緯度、降雨強(qiáng)度、極化方式、工作仰角、衛(wèi)星經(jīng)度、工作頻率等很多因素的影響[9-10]。鑒于此，首先確定所研究城市的地理位置，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T得到超過(guò)降雨衰減的時(shí)間百分比p=0.01%(1 min累計(jì)時(shí)間)時(shí)的降雨率[1]，定義為R001(mm/h)。然后，基于ITU-R P.618-11降雨衰減預(yù)報(bào)模型和該城市的相關(guān)地理參數(shù)[11]，便可以計(jì)算出p=0.01%時(shí)間概率降雨衰減值A(chǔ)001：

式中，γR為衰減率(dB/K)；Le為電波穿過(guò)的有效路徑長(zhǎng)度；R001為超過(guò)降雨衰減的時(shí)間百分比p=0.01%(1 min累計(jì)時(shí)間)時(shí)的降雨率(mm/h)。此外，需要注意的是，系數(shù)k，α是關(guān)于頻率、仰角和極化傾角的函數(shù)，可利用所關(guān)注頻率的回歸系數(shù)kH、kV、αH、αV計(jì)算得到，具體如下：

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos2τ]/2，

(2)

α=[kHαH+kVαV+

(kHαH-kVαV)cos2θcos2τ]/2k，

(3)

式中，θ為路徑仰角(°)；τ為線性極化傳輸相對(duì)于水平面的極化傾角(°)。對(duì)于圓極化，則有τ=45°。

另外，對(duì)于其他超過(guò)降雨衰減的時(shí)間百分比的p(0.001%～5%)值，其衰減預(yù)報(bào)Ap可通過(guò)下式計(jì)算得到：

lnAp=lnA001-[0.655+0.033lnp-

0.045lnA001-β(1-p)sinθ]lnp，

(4)

式中，

(5)

這樣，便得到了任意p取值下衰減預(yù)報(bào)Ap的求解方法。

2 雨衰預(yù)測(cè)分析

為了進(jìn)一步定量探究降雨衰減對(duì)動(dòng)中通鏈路通信產(chǎn)生的影響，本文以西安地面為例開展分析，具體衛(wèi)星參數(shù)為：衛(wèi)星選擇亞太7號(hào)，其軌道位于105°E，工作頻率為30 GHz(動(dòng)中通作為發(fā)射端)/20 GHz(動(dòng)中通作為接收端)，有效地球半徑為8 500 km，圓極化，τ=45°。此外，西安地區(qū)地面站的地理參數(shù)如下：超過(guò)降雨衰減的時(shí)間百分比p=0.01%時(shí)的降雨率為R001=22 mm/h，緯度為34.27°N，經(jīng)度為108.9°E，海拔為0.872 km，仰角為50.01°[12]。

根據(jù)ITU-R雨衰預(yù)測(cè)模型，在20 GHz(動(dòng)中通作為接收端)、30 GHz(動(dòng)中通作為發(fā)射端)頻率下仿真該地區(qū)的降雨時(shí)間百分概率p和所對(duì)應(yīng)的雨衰值A(chǔ)p的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 西安地區(qū)降雨損耗曲線Fig.1 Rain loss curve in Xi’an

由圖1可以看出，對(duì)于同一個(gè)地面站，降雨衰減隨著工作頻率的增大而增大，在降雨百分概率p=0.01%的條件下，20 GHz(動(dòng)中通作為接收端)下最大損耗達(dá)8 dB，30 GHz(動(dòng)中通作為發(fā)射端)下最大損耗達(dá)17 dB。

進(jìn)一步，根據(jù)ITU-R雨衰預(yù)測(cè)模型，便可得到在20，30 GHz頻率下西安地區(qū)不同降雨類型產(chǎn)生的衰減值，表1給出了動(dòng)中通分別在20 GHz(作為接收端)和30 GHz(作為發(fā)射端)時(shí)，不同降雨類型下的衰減值。

表1 不同降雨類型下的衰減值

由表1可以看出，在不同的降雨類型下，其雨衰值差異較大。例如，在20 GHz的工作頻率下，細(xì)雨所產(chǎn)生的降雨衰減只有0.065 dB，而大雨時(shí)所產(chǎn)生的衰減則可以達(dá)到7.15 dB。

3 降低雨衰影響策略

如前所述，電磁波進(jìn)入雨層會(huì)發(fā)生衰減，即雨衰。給衛(wèi)星通信鏈路上的電波信號(hào)產(chǎn)生不良影響，特別Ka頻段下降雨對(duì)電磁波產(chǎn)生的衰減更大，導(dǎo)致通信質(zhì)量的大幅度下降，甚至通信中斷[12]。因此，必須采取有效的措施來(lái)避免或者降低雨衰的影響。針對(duì)雨衰的基本原理與特性，本文主對(duì)以下4種策略進(jìn)行討論與分析。

3.1 改變調(diào)制方式

改變調(diào)制方式，可以使衛(wèi)星在不同傳輸信道條件下能夠充分利用帶寬、降低信息傳輸速率并減小用戶接收機(jī)誤碼率。使信道條件較差的用戶在較低的傳輸速率下正常通信，充分利用信道資源，提高系統(tǒng)的整體吞吐量。表2給出了動(dòng)中通分別作為發(fā)射端和接收端時(shí)，不同調(diào)制方式下對(duì)鏈路余量產(chǎn)生的影響。

表2 不同調(diào)制方式對(duì)余量的影響

由表2可以看出，動(dòng)中通作為發(fā)射端時(shí)，改變調(diào)制的方式對(duì)鏈路余量的影響并不大，且晴天的情況下鏈路余量仍為負(fù)值，顯然改變調(diào)制方式無(wú)法解決通信中斷問(wèn)題。相比之下，動(dòng)中通作為接收端時(shí)，BPSK明顯優(yōu)于其他2種方式，說(shuō)明了改變調(diào)制方式可以提高鏈路余量。

進(jìn)一步，本文給出了不同降雨量下，動(dòng)中通作為接收端，改變調(diào)制方式對(duì)鏈路余量的影響，如圖2所示。

圖2 不同調(diào)制方式下降雨量對(duì)鏈路余量影響Fig.2 Influence of rainfall on link margin under different modulation methods

由圖2可以看出，當(dāng)動(dòng)中通作為接收端時(shí)，將8PSK變?yōu)镼PSK，鏈路余量可提高約1.2 dB，將QPSK變?yōu)锽PSK，其鏈路余量可提高1.6 dB。在小雨、中雨的情況下，采用低階的調(diào)制方式可以有效地解決雨衰導(dǎo)致鏈路余量不足而產(chǎn)生的衰減問(wèn)題。但是隨著雨量的繼續(xù)增大，在大雨甚至雨量更大的情況下(雨量大于12 mm/h)，即使改變調(diào)制方式，鏈路余量均為負(fù)值。這說(shuō)明了僅僅通過(guò)改變調(diào)制方式無(wú)法完全解決雨衰帶來(lái)的影響。

3.2 改變編碼方式

采用糾錯(cuò)編碼的目的主要是通過(guò)降低系統(tǒng)的門限要求來(lái)減輕降雨的影響，在一定程度上可以轉(zhuǎn)變傳輸誤碼率，通過(guò)降低編碼率可以有效提高編碼增益，這種方法在雨衰較大的情況下較為有效。

例如，編碼率為1/2的卷積碼，通過(guò)維特比譯碼可以將編碼增益調(diào)整為5 dB。但是，編碼率的降低不是無(wú)限的，存在一個(gè)限度，如果超出該限度，再繼續(xù)降低編碼率也很難獲得更多的改善，即編碼增益的提高將不再明顯。

此外，需要注意的是，動(dòng)中通分別作為發(fā)射端和接收端時(shí)，這種方法的效果也存在明顯的差異。圖3、圖4顯示了不同雨量下動(dòng)中通分別作為發(fā)射端和接收端，分別改變前向糾錯(cuò)碼(FEC)和門限值Eb/N0對(duì)鏈路余量的影響。

圖3 不同雨量下動(dòng)中通作為發(fā)射端編碼方式對(duì)余量的影響Fig.3 The impact of moving-in-transmission as the encoding method of the transmitter on the margin under different rainfall

圖4 不同雨量下動(dòng)中通作為接收端編碼方式對(duì)余量的影響Fig.4 The influence of the dynamic link as the receiving end encoding method on the margin under different rainfall

由圖3可以看出，當(dāng)動(dòng)中通作為發(fā)射端時(shí)，降低編碼率僅能有效解決小雨或中雨的雨衰帶來(lái)的通信中斷問(wèn)題，但是若雨量繼續(xù)增大，其改善效果并不明顯。另一方面，由圖4可以看出，當(dāng)動(dòng)中通作為接收端時(shí)，將前向糾錯(cuò)編碼由7/8降低至1/2，其鏈路余量可增加約4 dB，即使在大雨情況下也可以有效地解決因余量不足而產(chǎn)生的中斷問(wèn)題。

3.3 降低傳輸信息速率

降低傳輸信息速率在一定程度上可以很好地降低雨衰的影響。在晴天時(shí)可以使用高速率來(lái)傳輸大部分業(yè)務(wù)，當(dāng)受降雨衰減影響并超過(guò)一定門限時(shí)，則可采用低速率來(lái)傳輸業(yè)務(wù)。因此，降低傳輸信息速率的方法只能應(yīng)用于每條鏈路可同時(shí)工作于高速率和低速率的通信系統(tǒng)。

與前面類似，動(dòng)中通分別作為發(fā)射端和接收端時(shí)，此種方法的效果也存在明顯差異。為進(jìn)一步對(duì)比說(shuō)明，圖5、圖6給出了不同雨量下動(dòng)中通分別作為發(fā)射端和接收端時(shí)，改變系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑺俾蕦?duì)鏈路余量的影響。

圖5 不同雨量下動(dòng)中通作為發(fā)射端信息速率對(duì)余量的影響Fig.5 The influence of the information rate of the transmitter as the information rate on the margin under different rainfall conditions

圖6 不同雨量下動(dòng)中通作為接收端信息速率對(duì)余量的影響Fig.6 The influence of the information rate of the receiver as the information rate on the margin under different rainfall

通過(guò)圖5和圖6的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在降雨量較大的情況下，如大雨進(jìn)行視頻傳輸(即高速率通信)，鏈路顯然無(wú)法進(jìn)行通信，若轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)通信，降低信息傳輸速率，則可以較好地解決降雨衰減而造成的通信中斷問(wèn)題。

3.4 增大地球站功放

衛(wèi)星動(dòng)中通通信系統(tǒng)是功率受限系統(tǒng)， 在一個(gè)因余量不足而產(chǎn)生中斷的系統(tǒng)中，其衛(wèi)星功率占用率往往低于衛(wèi)星帶寬占用率[13]，此時(shí)，可通過(guò)選擇更高功率的動(dòng)中通功放，予以解決。

圖7展示了不同功放對(duì)鏈路余量的影響，可以看出，當(dāng)動(dòng)中通作為接收端時(shí)，余量相對(duì)較為充足，然而功放在30 W就已經(jīng)趨于飽和了，進(jìn)一步增大功放對(duì)鏈路影響并不大。當(dāng)動(dòng)中通作為發(fā)射端時(shí)，功放一直都處于未飽和狀態(tài)，然而功放超過(guò)40 W時(shí)鏈路余量才為正值，功放的大小決定了價(jià)格，故成本較高。

圖7 不同功放對(duì)鏈路余量的影響Fig.7 The influence of different power amplifiers on link margin

進(jìn)一步，本文分析了不同雨量下動(dòng)中通分別作為發(fā)射端和接收端，改變功放對(duì)鏈路余量的影響，如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，動(dòng)中通作為發(fā)射端時(shí)，需要提供較大功率的功放，才能保證鏈路暢通，且改變功率對(duì)其鏈路影響不大。與之相反，當(dāng)動(dòng)中通作為接收端時(shí)，所需功放瓦數(shù)較小，但也存在易飽和的缺陷，這可以在一定程度內(nèi)緩解因鏈路余量不足而導(dǎo)致通信中斷的問(wèn)題。

圖8 不同雨量下動(dòng)中通作為接收端功放對(duì)余量的影響Fig.8 The impact of moving midway as a receiver power amplifier on margin under different rainfall

圖9 不同雨量下動(dòng)中通作為發(fā)射端功放對(duì)余量的影響Fig.9 The impact of moving mid-channel as the transmitting end power amplifier on margin under different rainfall

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星通信鏈路降雨衰減特性，基于ITU-R模型研究了Ka頻段鏈路雨衰預(yù)測(cè)問(wèn)題，進(jìn)而得到了不同降雨量對(duì)鏈路性能帶來(lái)的影響。然后，綜合考慮了通信要求、鏈路余量，針對(duì)因降雨衰減造成鏈路余量不足引起的通信中斷給出了4種相應(yīng)的解決辦法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠?yàn)樾l(wèi)星動(dòng)中通在不同降雨環(huán)境下的鏈路設(shè)計(jì)及鏈路通信提供有效技術(shù)支撐，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。