如何降低Ku波段衛(wèi)星通信雨衰影響

王磊

摘 要：衛(wèi)星通訊是目前人類最先進的通訊方式之一，其中Ku波段衛(wèi)星通訊使用較為廣泛，其信號的傳輸質量會直接影響到信息的傳遞效果，在實際應用中，Ku波段傳輸的信號會受到各類因素的干擾，而影響衛(wèi)星通訊以及系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素便是雨衰。文章主要通過對雨衰對衛(wèi)星通訊信號影響的機理進行了分析，并詳細的介紹了雨衰對信道的影響，同時提出了相關措施，以降低雨衰對于衛(wèi)星通訊的不利影響。

關鍵詞：衛(wèi)星通信；雨衰；影響

1 雨衰概述

1.1 產生

降雨是一種自然現(xiàn)象，電波是現(xiàn)代通訊最重要的介質，但是電波在傳播過程中遇到降雨則會受到其影響。在電波傳播區(qū)域若發(fā)生降雨，那么雨滴會吸收部分電波能量，而且降雨作用也會導致電波散射現(xiàn)象。雙重影響下，便會造成電波的衰減。另外電波散射作用還會造成無線電干擾問題，若降雨影響嚴重，還會導致電波在傳播過程中還會出現(xiàn)去極化效應，這些便是雨衰。

在雨衰作用下電波信號會出現(xiàn)緩慢的時變衰減以及非選擇性衰減，因而降低了信號的質量，從而降低了系統(tǒng)的可用性。所以，在系統(tǒng)運行時雨衰問題是必須考慮在內的。雨滴直徑大小會直接影響雨衰強度，如過相對比雨滴直徑，信號波長相對較大，那么雨衰作用中散射衰減影響較大。而若雨滴的直徑相對較大時，雨衰的作用主要由吸收損耗決定。但是無論兩種作用機理的哪種起主要作用，電波都會在其傳播方向上呈現(xiàn)出衰減趨勢。并且，信號波長同雨滴直徑數值相近，那么雨衰影響就會越明顯，信號能量衰減便會越大。中短波信號傳播時，雨衰對于C波段信號影響幾乎可以不計在內。雨衰對于10GHz以上的波段影響較為明顯，因而必須將雨衰作用效果考慮到鏈路計算中，并且頻率越高，則雨衰影響便會越大。即相比較小雨對電磁波的影響，暴雨以及大雨的影響要更大。從國際無線電咨詢委員會（CCIR）（現(xiàn)為國際電聯(lián)（ITU））提供的雨衰與頻率和降雨大小的關系圖中可以很清楚地看出Ku波段信號受雨衰的影響較大。在國際無線電咨詢委員會（CCIR）（現(xiàn)為國際電聯(lián)（ITU））提供的雨衰與頻率和降雨大小的關系圖中降雨對電波的衰耗為實線，而云、霧引起的衰減為虛線。Ku波段頻率較高[（12-18）GHz]，波長與雨滴的大小可比擬，受雨衰的影響比較嚴重?？煽闯觯贙u波段，中雨（雨量為4mm/h）以上的降雨引起的衰耗相當嚴重。若電波穿過雨區(qū)路徑長度為10km時，對于Ku波段上行線路，衰耗為2dB左右，下行線路的衰耗為1dB左右；在暴雨（雨量為100mm/h）情況下，每公里的損耗強度較大，暴雨雨區(qū)高度一般小于2km，但暴雨引起的衰耗將超過10dB以上。隨著降雨強度的加大，在Ku波段降雨衰減系數也急劇增加，雨衰的衰減量與降雨強度幾乎成正比。而對于C波段[（4-6）GHz]來說，雨衰的影響就不是很明顯，中雨區(qū)上行線路的衰耗為1dB左右，下行衰耗僅為0.4dB左右，即使是暴雨區(qū)上行線路總衰耗值也僅為1dB左右。

1.2 降雨噪聲影響

降雨不單單會對電磁波造成影響，同時還會產生熱噪聲。由于降雨噪聲會對接收天線的信號接入端造成影響，從而等效為天線熱噪聲，主要的影響表現(xiàn)為信號載噪比的大小。天線的結構以及衰減量有著直接的聯(lián)系。

依照實際的系統(tǒng)運行經驗可以分析出，當衰減增加0.1dB，那么噪聲溫度便會相應增加57K。降雨噪聲會隨著天線仰角的增大而逐漸的縮小，即電磁波從降雨區(qū)穿過的路徑越短那么降雨所導致的信號衰減現(xiàn)象就會越小。而噪聲溫度增幅會隨著雨衰的降低而減小，若不存在雨衰，那么噪聲溫度便不會變化。若波導損耗不會對信號造成影響，那么噪聲溫度便主要由降雨衰減產生。噪聲溫度高低會直接影響到信號接收系統(tǒng)的G/T值，即信號載噪比會受到噪聲溫度的變化影響，噪聲溫度越高，信號質量越低，可用性越小，所以鏈路計算中必須將該條件考慮在內。

1.3 去極化現(xiàn)象

電波在傳播過程會出現(xiàn)衰減，而降雨除了加速衰減外還會致使去極化現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此從這一角度分析，入射波極化波面也會由雨衰作用造成影響。雨滴在降落過程中會受到空氣阻力作用，因而形狀上呈現(xiàn)出略微扁平的形狀，雨滴兩個軸向上的衰減被稱作微分衰減，而其相位移則是微分相移。其對于單極化系統(tǒng)的影響并不大，但是會極大的影響雙極化系統(tǒng)個傳輸質量，降低極化的隔離度，從而加大信號間的相互干擾。在圓極化以及線極化中，這種降雨引發(fā)的去極化現(xiàn)象影響極大。而在對極化純度的鑒別中，常常會使用交叉極化進行鑒別。一般情況下，當天線仰角大于15°時，交叉極化鑒別度在超過年平均時間的0.1%時，可以達到27dB，0.01%時為20dB，0.001%時為15dB。暴雨區(qū)Ku波段的微分衰減可達2dB左右（雨區(qū)高度按2km計算）。對于正交極化復用的衛(wèi)星系統(tǒng)，降雨引起的去極化作用會使極化隔離度降低，產生極化誤差，導致干擾增加。

2 應對措施

如何有效降低雨衰現(xiàn)象對Ku頻段電波的影響，首要任務便是針對某一區(qū)域雨衰進行確定。這需要長時間精確的觀測，從而獲取實際精確的連續(xù)數據，例如某一特定區(qū)域中連續(xù)幾年特定時間內的降雨率等。以此計算出該特定區(qū)域的降雨特性，并根基實際的測量數據，通過特定的計算公式，計算出該區(qū)域特有的雨衰量。在此基礎上將該區(qū)域中的降雨特性掌握清晰，并保證計算出的雨衰量精確完整，通過基礎想的測量數據，計算出雨衰，并使用迭代對降雨統(tǒng)計進行完善，從而掌握實際的區(qū)域雨衰狀況?；诖?，可以通過以下措施解決雨衰對于信號傳播的干擾。

2.1 編碼及降速率技術

向前糾錯技術在一定程度上可以轉變傳輸誤碼率，在雨衰較大的情況下通過這種方式可以降低雨衰影響，即常用的FEC技術。通過降低編碼率可以有效提高編碼增益，這種方式在雨衰較大的情況下最為有效，例如編碼率=1/2卷積碼，那么通過維特比譯碼可以將編碼增益調整為5dB。但是對編碼率的降低需要在一定限度內，如果超出該限度，即便是再次降低編碼率也很難獲得更大的改善，即編碼增益的提高將不再明顯；并且超限度降低編碼率還會減少系統(tǒng)容量。另外，在雨衰影響的降低中可以通過自適應速率降低技術有效的予以克服，即ARP技術，通過對新到數據速率進行減少的方式，對信道容量有效擴容，增益比同速率減少成正比。欲將增益調整為5dB則需要將速率降低至原來的1/3。通過使用ARP技術以及FEC技術，針對實際雨衰情況進行調整補償。但是作用會隨著深度的不斷加深而降低。

2.2 空間分集技術

考慮到Ku波段特點，若信號穿越區(qū)域降雨過多或者衛(wèi)星仰角較低，那么受到雨衰作用影響，需要通過空間分集技術才能夠消除雨衰的不良影響。該技術的作用在與降雨空間具有不均勻的分布特性。另外，信號的分集接收主要依靠地球上一定距離的兩個地球站進行，這同地面蜂窩移動通訊空間分集技術相類似，也可以通過地球站的切換進行單鏈路通訊，利用雨衰較小的地球站進行通訊。而分集改善質量主要通過兩個指標進行，即分集增益以及分集改善因子，兩站距離越大，分集改善效果越好。但是兩站間距離范圍也有一定的限度，超出范圍后改善程度的提升會有所降低?？臻g分集會帶來好處，但是與此同時也要付出代價。成本投入會大大增加，由于該技術需要復雜的網絡技術作為支撐，因此網絡投資成本會隨之增加?？臻g分集技術不僅適用于兩站址，還可以應用在多站址，但是需要付出相應的成本。

2.3 鏈路備余量

該方式在鏈路設計中常會用到，例如在C頻段通訊鏈路中，會留下3dB的余量，而Ku頻段通訊鏈路余量通常會留有6dB。若電波通訊地區(qū)降雨相對較少，例如沙漠地區(qū)，通過鏈路余量便可以改善雨衰現(xiàn)象；而降雨頻率相對較高的區(qū)域，通過鏈路備余量的方式完全無法予以改善，因此應當在此基礎上結合其他方式。但是該技術占用衛(wèi)星資源相對較多，天氣晴朗時會導致資源浪費，而下雨時又有可能不夠用。

2.4 功率控制技術

對于Ku波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以通過設置AUPC即上行鏈路自適應功率控制系統(tǒng)，通過在地球站上進行該系統(tǒng)的設置或者進一步通過聯(lián)網技術利用自動控制系統(tǒng)（APC）進行全網管理或者通過DPC系統(tǒng)進行動態(tài)功率控制，以此有效降低雨衰的不良影響。

2.4.1 上行鏈路自適應功率控制（AUPC）

若采用的方式為傳統(tǒng)功率余量的方式進行系統(tǒng)設計，那么對系統(tǒng)通訊容量將會造成嚴重影響，所以想要提高系統(tǒng)通訊容量則要使用AUPC技術，從而保證鏈路的運行更加的可靠。其技術原理主要為：利用各地球站對鏈路降雨衰耗進行計算，同時監(jiān)控信號強度，繼而通過AUPC技術對地球站發(fā)射功率進行調整，從而對鏈路雨衰進行動態(tài)的補償，保證信號工作電平穩(wěn)定適宜，在此基礎上衛(wèi)星接收到來自地球的信號電平基本同晴空一致。若是衛(wèi)星系統(tǒng)更加先進，那么衛(wèi)星轉發(fā)器也可以進行適當的功率自動化調整，從而克服雨衰對Ku波段的影響。

通過地球站將下行線路雨衰值測量出來，利用接收衛(wèi)星通訊信號的變化量，以此調節(jié)衰耗設備，保證雨衰值得到有效的補償。這種開環(huán)上行功率控制技術的原理相對較為漸變，使用設備相對簡單，并且投入成本較低，但是缺陷亦很明顯，即精度值較低。

閉環(huán)上行功率控制是地球站將接收來的衛(wèi)星信標信號，與通過衛(wèi)星轉發(fā)器環(huán)回信號或某一特定信道的通信業(yè)務信號的C/N（或S/N）值進行比較，然后去控制地球站的上行功率。這樣一來，上行信號的雨衰值和上行功率控制的控制量有較高的準確度。因此在閉環(huán)上行功率控制中必須將控制信道與通信信道分開，所用設備較多，費用較高。

2.4.2 自動功率控制（APC）

針對上行功率控制最為有效的便是APC技術，但是在下行線路中也需要將雨衰問題考慮在內。為了使得這一問題得到解決，APC技術，即自動功率控制系統(tǒng)應時而生，這種建立在衛(wèi)星通訊網管系統(tǒng)之上的技術能夠有效提升衛(wèi)星通訊系統(tǒng)信息傳遞的可靠性以及穩(wěn)定性，并有效降低了衛(wèi)星通訊的成本，因而得到了廣泛的使用。

2.5 極化方式的選擇以及天線的選擇

電波信號的衰減程度會受到雨滴形狀的影響，雨滴直徑會在雨滴的下落過程中發(fā)生形狀的變化，雨滴體積越大，直徑便會越大，這時，雨滴對于電波的影響也便越大，衰減值以及垂直極化現(xiàn)象變化會隨之增加。在實際的應用接收天線的口徑會直接影響接收天線增益，所以對接收天線進行擴徑可以有效提高天線的增益。增益會隨著口徑的增加而增加，系統(tǒng)的覆蓋面便會越廣。當然，成本也會隨著口徑的增加而不斷的增加。

2.6 采用低噪聲高增益的優(yōu)質高頻頭（LNB）

現(xiàn)用于接收Ku頻段衛(wèi)星信號的LNB，一般噪聲系數為0.8dB，噪聲系數在0.6dB便是十分低的噪聲，如使用噪聲系數為0.7dB的，其增益可達到60dB。如果受某些因素的制約，而不想或無法去增大接收天線的口徑，可首先考慮使用低噪聲高增益的優(yōu)質LNB，而且這要比增大天線口徑的成本低。

2.7 雙頻組合通信技術

低頻波段受雨衰影響相對較小，若雨衰超出了規(guī)定范圍，那么系統(tǒng)在檢測過程中便會自動將通訊電波的頻率切換到低頻通訊波段，從而保證通訊質量。

參考文獻

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