Ku波段衛星通信雨衰分析及對抗措施探討

高睿劼 陸斌 許松松

摘 要：隨著科學技術的發展，衛星通信技術的合理性越來越受到重視。為了保障用戶在網絡通信方面的需求，就需要進行合理的衛星鏈路設計及構建。但是當下Ku波段的衛星通信傳輸質量及系統性能受到雨衰的嚴重影響。在此基礎上，文章分析了雨衰的產生原理，對Ku波段衛星通信雨衰分析及對抗措施進行了詳細的闡述。

關鍵詞：Ku波段;衛星通信;雨衰分析;降雨噪聲

0? ? 引言

要想促進我國衛星通信技術的發展，為用戶帶來良好的通信服務，就需要重視外界環境帶來的影響，避免Ku波段的衛星通信受到嚴重影響。本文對雨衰的產生機理和影響、降低雨衰影響的措施等進行分析，以幫助相關領域的研究人員有針對性地解決雨衰問題[1]。

1? ? 雨衰的機理以及影響

1.1? 雨衰產生

當電波穿過降雨區域，雨水不僅可以有效吸收一定的電波能量，也會對電波產生散射，吸收及散射會導致一定的電波衰減，同時，雨滴傾斜導致的差分相位偏移，會對無線電產生嚴重干擾，讓電波出現去極化現象，這被稱為雨衰。這種信號衰減情況基本上呈現出非選擇性能及緩慢時變的性能，導致信號在傳輸過程中會出現一定程度的劣化，嚴重影響系統的可用性，也使得雨衰成為衛星通信鏈路設計中需要格外注意的影響因素之一[2]。

不同頻率的電磁波受到的雨衰影響差異很大，雨衰與信號的波長及雨滴的大小存在一定的關聯。一旦信號波長大于雨滴，就會導致散射衰減對信號的好壞起到決定性的作用。當信號波長小于雨滴時，導致吸收損耗起主要作用。在吸收或散射作用的影響下，電磁波波長以及雨滴直徑相近時，衰減最大。常用電磁波波長一般遠大于雨滴直徑，隨著頻率的提升，波長逐漸接近雨滴直徑，雨衰影響效果逐漸提升，C波段信號對雨衰的影響基本可以忽略不計，而10 GHz以上的電磁波在傳播過程中會受到雨衰問題的嚴重影響。雨、云、霧所引起的衰耗如圖1所示。

通常，降雨量大小會對電磁波的衰減產生影響。在Ku波段頻率中，電磁波波長與雨滴的大小接近，受到雨衰的影響較為嚴重。中雨以上的降水程度，會使電磁波在Ku頻段的雨衰影響尤為嚴重。在不同經緯度的條件下，經緯度對區域氣候特點以及降雨量均存在影響，導致雨衰同樣不同[3]。

1.2? 降雨噪聲

現階段，降雨帶來的影響主要表現在對電磁波的吸收衰減，以及對地球站帶來一定的熱噪聲影響。在一方面，在降雨量增大的情況下，降雨噪聲增大，系統接收信號載噪比減小，系統余量減小。另一方面，在對其影響進行深入的研究后發現，降雨噪聲帶來的影響程度與衰減量大小、天線結構有關。為此，就需要在日常工作過程中依據實際經驗進行有效的噪聲控制。由于在電磁波的傳播過程中，經過降雨路徑較短時，產生的衰減量較低，因此天線的仰角越高，降雨噪聲的影響越小。

2? ? 降低雨衰影響的措施

為了在Ku波段有效地傳播信號，就需要降低降雨帶來的信號衰減效果，并進行長期觀測，根據所收集的信息進行有效的降雨統計特性分析。在實際使用過程中，還需要保障抗雨衰措施的有效應用。

2.1? 鏈路余量

在信號傳輸的過程中，對鏈路余量進行控制，可適當減小雨衰影響，確保信號傳輸質量。在對鏈路余量進行分析的過程中，需要考慮到資源的利用問題，也需要考慮到我國不同地區的降雨量差異。設計時應根據衛星頻段的不同確定需要保留的鏈路余量。例如，在C頻段的衛星通信鏈路設計過程中，往往需要保留3 DB的余量;而在Ku頻段中，一般需要保留6 DB鏈路余量。在降雨較少的地區（例如沙漠地區），只需要保留合理的鏈路余量;在降雨量較多的地區，則需要調整設計方法，確保在有合理鏈路余量的基礎上應用其他技術方式，避免在晴空時出現資源浪費，也避免在雨水來臨時出現余量不足的問題。

2.2? 功率控制

對功率進行控制，同樣有利于實現對雨衰影響的控制，對信號質量的提升具有重要作用。在構建Ku波段的衛星通信系統過程中，可以在地球站上進行上行鏈路自適應功率控制。上行鏈路功率控制分為開環上行功率控制和閉環上行功率控制，均可達到控制功率的目的，從而實現對雨衰的功率補償。

地面站通過監測衛星信號強度，估算雨衰大小后，對地球站的發射功率進行調整。通過這種動態補償鏈路方式，實現對信號強度的有效控制，使得衛星轉發器接收到的信號與晴空時一致，有利于衛星通信系統的穩定性。伴隨著衛星系統的發展，已經可以在運行過程中通過衛星轉發器進行自適應功率控制，對雨衰進行補償。

另外，也可以通過以網絡管理設備為基礎的動態功率控制系統，有效降低雨衰的影響。通過網絡管理設備采集各個地球站的接收信號電平，估算雨衰大小后，通過網管信道通知地球站進行發射功率調整，可以進一步提升衛星通信系統的穩定性和可靠性。

2.3? 編碼控制

在雨衰較大時，可以使用前向糾錯編碼技術，有效解決衛星通信過程中的誤碼率問題。在降低編碼率之后，可以實現編碼增益的提高。需要注意的是，不能無限度地降低編碼率。編碼率降低到一定程度后如果繼續降低，則會導致效益降低。因此，把握好對編碼率的控制程度較為重要。

2.4? 空間分集技術

現階段，在多雨及衛星仰角較低的區域，Ku波段的信號特征導致在降雨過程中出現較為嚴重的衰減問題，對此，可以采用空間分集技術加以解決。空間分集技術（Spatial Diversity Technology）是結合了發送分集（Multiple-Input Single-Output，MISO）與接收分集（Single-Input Multiple-Output，SIMO）兩大部分的一項技術，有利于提高信噪比，改善性能。在應用空間分集技術的過程中，主要利用降雨的空間不均勻性設置不同地點的地球站，充分分集、接收所發出的信號，以充分保障衛星鏈路的質量。

2.5? 極化方式的選擇與天線的選擇

不同的雨滴形狀會對信號產生不同程度的衰減。雨滴降落過程中，逐漸變成扁平橢圓形，其長短軸引起的電磁波衰減和相移不同。根據理論分析，對Ku波段衛星通信，水平極化波的衰減，比垂直極化波要高。通過提升接收天線口徑的方式，可以有效地提升天線的增益。但是，成本投入也會增加。因此就需要基于實際情況，進行有選擇的使用。

3? ? 結語

綜上所述，隨著科學技術的發展，人們對衛星通信的質量提出了更高的要求。為了保障在實際通信過程中能夠有效地減少雨衰對通信質量的影響，應通過多種手段展開分析，明確雨衰的影響因素，進而采用對應的措施，有效控制雨衰的干擾性。

[參考文獻]

[1]翟華，張千.GSO衛星移動通信L和S頻段資源態勢分析[J].移動通信，2020（7）：42-48.

[2]胡曉東，徐永杰.用于衛星通信的Ka頻段射頻收發前端設計[J].信息通信，2020（7）：25-28.

[3]胡曉東，佘勝團，王明照，等.采用倍頻器+PLL技術實現衛星通信Ku頻段頻率合成的一種方法[J].電子世界，2020（6）：118-119.

（編輯 王雪芬）