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(jī)理及ITU-R雨衰預(yù)測模型。然后重點(diǎn)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(bǔ)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(yuǎn)程視頻會議、遠(yuǎn)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(diǎn)-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(yán)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(dá)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(bǔ)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(jī)理與ITU-R預(yù)測模型

2.1 雨衰產(chǎn)生的機(jī)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(diǎn)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(qiáng)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(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(jìn)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?、窄帶寬?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(qiáng)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(diǎn)是可以較精確地進(jìn)行功率補(bǔ)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(jī)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(bǔ)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(bǔ)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(qiáng)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(fèi)，而在暴雨天氣的情況下又無法得到完全的補(bǔ)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(yán)重衰減，而Ka頻段的工作頻段是30/20GHz，故將來在進(jìn)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(diǎn)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(xiàn)

[1]鄭進(jìn)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(bǔ)償[J].信息技術(shù).2004（6）：22-24.