Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中雨衰影響及對抗措施

薛冬岑

【摘要】 ? ?降雨會對Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸造成嚴(yán)重的干擾，其中降雨衰減是影響其傳輸質(zhì)量及系統(tǒng)性能的一大重要參數(shù)。論述Ku波段衛(wèi)星通信中降雨衰減產(chǎn)生的原理和影響，通過降雨量的大小進行雨衰估算。闡明能夠有效降低Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸中降雨衰減造成的不利影響及對抗措施。

【關(guān)鍵詞】 ? ?降雨衰減 ? ?衛(wèi)星通信 ? ?雨衰估算 ? ?對抗措施

Abstract：Rainfall caused serious interference to the Ku-band satellite communication system. While the rain attenuation is one of the important parameters affecting the transmission quality and system performance. The principle and influence of rainfall attenuation in ku-band satellite communication are discussed. And the rain attenuation is estimated by the amount of rainfall. The anti-rain attenuation measures to reduce the negative effects of rain attenuation on ku-band satellite communication are expounded.

Key Words：Rain Attenuation;Satellite Communication;Rain Attenuation Estimated Value;Anti-rain Attenuation Measures

引言：

衛(wèi)星通信無論是在國內(nèi)還是在國際上都已家喻戶曉，當(dāng)今發(fā)展迅猛，由于其通信容量逐步增大，尤其是應(yīng)急指揮通信領(lǐng)域的很多業(yè)務(wù)早已從過往的C波段過渡到了Ku波段。Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)不僅比C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶寬容量大、抗干擾性更強、地球站天線口徑小且方便安裝建設(shè)，大大節(jié)省了建站成本。應(yīng)急指揮通信需要實時不間斷才是整個工作過程的關(guān)鍵，但是衛(wèi)星通信受到天氣等自然條件的影響較大，尤其是降雨造成的衰減，Ku波段的降雨衰減相對于C波段更大。在衛(wèi)星通信中Ku波段常用頻段14.25/12.75GHz，頻率高波長短且與雨滴的直徑近似，因此在Ku波段衛(wèi)星通信中降雨衰減格外明顯，故迫切需要根據(jù)雨量的大小來進行雨衰估算，為了滿足衛(wèi)星通信站之間順利工作和建站設(shè)計提供必要的參數(shù)信息。通過對雨衰的產(chǎn)生，對系統(tǒng)的影響以及雨衰估算的結(jié)果，采取相適應(yīng)的對抗措施，減少降雨產(chǎn)生的不利影響。

一、降雨衰減的產(chǎn)生和影響

1.1 雨衰的產(chǎn)生

降雨是一種常見的自然現(xiàn)象，在對流層中近地高度約20Km左右為降雨區(qū)，電磁波是衛(wèi)星通信傳播的重要介質(zhì)，但是電信號即電磁波在傳輸過程中若遇到降水區(qū)域時則會受到其影響。電磁波在穿過降雨區(qū)域時，雨滴不但能夠吸取部分的電磁波能量，甚至對電磁波產(chǎn)生了散射，若降雨量大，散射還會造成大面積的電磁波干擾，甚至?xí)﹄姶挪óa(chǎn)生去極化現(xiàn)象。在二者共同的影響下，稱之為降雨衰減。

應(yīng)急指揮通信在衛(wèi)星通信中常采用Ku頻段，相較于C波段其波長更小只有十幾毫米，又由于降雨的隨機非選擇性，雨滴直徑的大小通常只有幾毫米左右，與Ku波段發(fā)射的電磁波波長相差無幾，因此Ku波段衛(wèi)星通信受到降雨衰減的影響要比C波段衛(wèi)星通信嚴(yán)重的多。降雨衰減會隨著降雨量的逐步增高而趨之明顯，過大的降雨衰減勢必會導(dǎo)致實時通信的斷線。在Ku波段衛(wèi)星應(yīng)用和地球站建設(shè)規(guī)劃中就很有必要考慮降雨衰減的估算，采取相適應(yīng)的對抗措施來降低對通信的干擾。電磁波穿過雨區(qū)時降雨衰減的強弱與雨滴的直徑及波長息息相關(guān)，當(dāng)雨滴的波長小于電磁波的波長時，此時的衰減主要是雨滴對電磁波產(chǎn)生的散射造成的;當(dāng)雨滴的直徑大于電磁波的波長時，此時的衰減主要是雨滴對電磁波吸取部分能量產(chǎn)生的損耗決定的。無論是上述何種情況，都是在電磁波行進方向上造成的衰減;雨滴直徑越近似于電磁波波長，則所產(chǎn)生的降雨衰減就越大，通常情況下雨滴直徑是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波波長的，因此，對于C波段衛(wèi)星通信來說，頻率相對較低，波長長，則降雨衰減近似于無。

根據(jù)國際無線電咨詢委員會（CCIR）（現(xiàn)國際電信聯(lián)盟無線電部門（ITU-R））繪制的降雨衰減量與工作頻率、降雨量的關(guān)系曲線如圖1中：實線表示降雨量從小雨到暴雨對電磁波產(chǎn)生的衰減;虛線表示云、霧引起的衰減。由圖1觀察得知，對于C波段（6/4GHz）衛(wèi)星通信來說只有遇到大到暴雨時才會產(chǎn)生少量的降雨衰減，即使是暴雨造成的最大降雨衰減也小于1dB/Km;對于Ku波段（14.25/12.75GHz）不僅頻率高，波長短甚至與雨滴直徑近似，受到降雨衰減影響更嚴(yán)重。

以圖1中的中雨（降雨量4mm/h）為例來觀察Ku波段的降雨衰減量，假設(shè)電磁波穿過降雨區(qū)域的有效路徑為15Km時，則上行鏈路衰減量為3dB左右，下行鏈路衰減量為1.5dB左右;若遇到暴雨（降雨量100mm/h）時，降雨高度通常集中在2Km以內(nèi)，則上行鏈路衰減量為16dB左右，下行鏈路衰減量為14dB左右?？梢娊涤炅恐饾u增大，Ku波段降雨衰減量迅速升高，故可見降雨衰減量同降雨量的大小成正比關(guān)系。

1.2 降雨噪聲

降雨不光對電磁波產(chǎn)生吸收損耗和散射，同時還會對整個通信系統(tǒng)產(chǎn)生熱噪聲，由于降雨會產(chǎn)生噪聲，其會對地球站接收端產(chǎn)生干擾，這種干擾折合到天線接收端就會等同為天線的熱噪聲，故也稱為降雨噪聲，對地球站接收端的載噪比會造成較大的影響，產(chǎn)生的影響也跟天線結(jié)構(gòu)和降雨衰減量的大小息息相關(guān)。據(jù)衛(wèi)星通信現(xiàn)有的工程應(yīng)用經(jīng)驗得出，產(chǎn)生0.1dB衰減，噪聲溫度會升高6.7K。通常來說，降雨噪聲造成的影響與地球站天線的俯仰成反比，因為降雨時，即使雨量增大，雨滴呈扁平狀，其縱軸長度小于橫軸長度，地球站仰角越高就意味著電磁波在穿過雨滴時所經(jīng)過其縱軸的路徑越短，所以降雨衰減量就越小。降雨噪聲可用公式（1）來計算：

式中：E為天線的有效全向輻射功率（dB）;A為降雨衰減值（dB）;W為天線的饋源到LNB之間的波導(dǎo)損耗（dB）;Train為雨的溫度（K）。

式中可見噪聲溫度高低視降雨衰減值的降低而減小，如果不存在降雨衰減現(xiàn)象，噪聲溫度就不會增加。如果不存在波導(dǎo)損耗，噪聲溫度就主要是由降雨衰減產(chǎn)生的。噪聲溫度的大小主要影響天線接收端的載噪比，即G/T值，噪聲溫度越高，而信號的質(zhì)量越低，地球站的可用性就降到了最低，因此，地球站建站規(guī)劃時以及鏈路計算中這些參數(shù)是必須重視的。

1.3 降雨去極化現(xiàn)象

衛(wèi)星通信中的應(yīng)急指揮通信通常應(yīng)用雙極化系統(tǒng)即采用正交極化達(dá)到頻率復(fù)用的目的，以此來提高系統(tǒng)的可用度和頻帶的利用率。降雨不僅會對Ku波段的電磁波造成吸收損耗和散射，還會引起交叉極化干擾即去極化，同時，入射波的極化波面也與之相關(guān)。因為隨著降雨量的增強，雨滴是呈扁平狀，在雨滴的縱軸和橫軸兩個方向上產(chǎn)生的交叉極化干擾稱為微分衰減（圖2），產(chǎn)生的相位偏移稱為微分相移。去極化對于單極化系統(tǒng)的影響幾乎可以忽略不計，但若采用雙極化系統(tǒng)，因其會產(chǎn)生正交極化復(fù)用并導(dǎo)致極化隔離度大大降低，致使正交極化信號相互干擾。通常使用交叉極化鑒別度（用分貝（dB）表示）來衡量極化，其定義為在給定的信道上會產(chǎn)生主極化分量和交叉極化分量，二者取其比值。例如在給定的信道上主極化分量為垂直極化，則信號在該信道產(chǎn)生的交叉極化分量為水平極化，二者之比即為交叉極化鑒別度，其值越高，純度越高，表示產(chǎn)生的交叉極化分量就越少。

在實際應(yīng)用中，接收天線不可能完全沒有交叉極化分量的產(chǎn)生，但對于C波段（6/4GHz）衛(wèi)星通信來說去極化現(xiàn)象影響甚微，主要會對Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)其工作頻率在10GHz以上產(chǎn)生干擾。

1.4 雨衰估算

降雨量的大小隨著地區(qū)和季節(jié)不同差別會很大，自然界中的降雨量在統(tǒng)計上也是不可預(yù)測的，所以測量降雨對實時通信產(chǎn)生的干擾要在不同的降雨情況下估算。降雨的不同情況用降雨率（mm/h，即每小時降雨量）來表示，指某地區(qū)雨水積蓄的速度。

某一地區(qū)的降雨情況一般描述為：降雨率超過的時間比例為P%（P通常取值為：0.001、0.01、0.1、1）。降雨衰減的估算需要收集大量的必要參數(shù)，此次估算以北京降雨情況為例，雖然沒有當(dāng)?shù)亟涤甑膶崪y數(shù)據(jù)，但可根據(jù)國際無線電咨詢委員會（CCIR）（現(xiàn)國際電信聯(lián)盟無線電部門（ITU-R））規(guī)劃的雨區(qū)分布和降雨率情況得知，北京被列在平均降雨率為42mm/h（時間百分比為0.01%）的K地區(qū)，也就是說北京地區(qū)降雨率超過42mm/h的時間比率為0.01%，相當(dāng)于每年有0.85小時的降雨率超過了此值。

以亞洲9號衛(wèi)星（122.1°E）Ku轉(zhuǎn)發(fā)器為例，設(shè)地球站為北京市區(qū)某站，地球站高度h0=0.049（Km），緯度We=39.9°，天線仰角EI=51°，經(jīng)計算大致得到其降雨區(qū)的有效高度hr=3.7（Km），電磁波穿過雨區(qū)傳播的斜路徑長度，斜路徑在水平方向上的投影LG=4.7cos51°=2.96（Km），根據(jù)以上數(shù)值查ITU-R給出的衰減因子表格可得，故電磁波經(jīng)過降雨區(qū)域的有效路徑長度L=4.7×0.88=4.14（Km）。綜合上述各參數(shù)計算結(jié)果得到北京每年降雨量超過42mm/h所產(chǎn)生的總的降雨衰減量A=1.49×4.14=6.17（dB）。因此，降雨衰減對于Ku波段衛(wèi)星通信會造成很嚴(yán)重的影響，甚至令地球站發(fā)射和接收功率降至正常通信要求的門限之下。又由于降雨衰減也與地球站天線的俯仰角有一定關(guān)系，例如天線仰角EI=19°，其他參數(shù)不變的情況下得到的降雨衰減量為11.21dB，故地球站天線仰角越大，電磁波穿過雨區(qū)的距離越短，降雨衰減量越小，否則越大。但是各個地區(qū)地球站天線対星的俯仰角通常是不會變化的，所以不同地區(qū)降雨衰減也是不同的。

二、針對降雨衰減的對抗措施

Ku波段衛(wèi)星通信中的應(yīng)急指揮通信考慮到對抗降雨衰減的策略時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)某地量化的確切數(shù)據(jù)來確定待測算區(qū)域比如北京地區(qū)的降雨衰減量，它要求進行長期的觀測量和長期的連續(xù)降雨實際測量數(shù)據(jù)，歸結(jié)該地區(qū)精確的降雨統(tǒng)計特性，得出該地區(qū)在不同條件下降雨衰減量的實際情況，在此基礎(chǔ)上針對降雨衰減的對抗措施如下：

2.1 通信鏈路的備余量

衛(wèi)星通信鏈路中常用的傳統(tǒng)方法就是備份余量。例如在C波段衛(wèi)星通信鏈路中備份預(yù)留3-7dB余量，Ku波段衛(wèi)星通信鏈路中備份預(yù)留6-10dB余量。在缺水或降雨稀少區(qū)域，如沙漠中降水極少，如有備份余量足，則以支撐系統(tǒng)的可用需求，但在降雨多發(fā)區(qū)，特別是夏季多暴雨時期，降雨衰減可達(dá)10dB以上，這種情況下備份余量可能完全不夠用，就要考慮其他方法了。

綜上所述，晴天時鏈路備份余量可能產(chǎn)生浪費，暴雨天時，也會出現(xiàn)不能滿足系統(tǒng)需求的情況。

2.2 極化方式和天線口徑的選擇

降雨的隨機性也造成了雨滴的形狀大小不一，不同大小的雨滴對信號造成的衰減也不一。隨著降雨的增大，雨滴不僅呈現(xiàn)扁平狀，且在水平直徑也變大。對于線極化而言，因雨滴水平直徑大于縱向直徑，水平極化方式的衰減大于垂直極化方式，也就是說在工作頻率12GHz以上的衛(wèi)星通信中，就抗雨衰性能而言，垂直極化方式優(yōu)于水平極化方式。

根據(jù)公式可知，其中接收天線增益G與接收天面口徑D呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，故大天面口徑越大，接收天線的增益會隨之提高。在降雨多發(fā)和地球站天線俯仰角低的地區(qū)，使用大口徑天線，其接收天線增益越高，系統(tǒng)覆蓋的范圍就越大。

但是應(yīng)急指揮通信中多采用的車載衛(wèi)星天線受到其局限性，無法采用較大口徑天線，一方面攜帶不便，另一方面加大了成本。

2.3 前向糾錯技術(shù)及降速率技術(shù)

在大到暴雨時，降雨衰減量逐步增大，通常利用前向糾錯（FEC）即一種編碼方式，降低信息傳輸時的誤碼率。通過壓縮編碼速率換取更高的編碼增益，例如采用編碼速率為FEC 3/4的卷積碼，例如常用維比特譯碼，系統(tǒng)的解調(diào)門限為7dB，若再適當(dāng)減小編碼速率，采用FEC 1/2的卷積碼，此時系統(tǒng)的解調(diào)門限降為5dB。雖然其編碼增益提高了，但是犧牲一定的編碼速率換取來的，編碼速率減小到一定限度，即使繼續(xù)減小，換取的編碼增益也微乎其微。

當(dāng)下自適應(yīng)速率降低技術(shù)（ARP）抗雨衰影響相對優(yōu)越，通信信道在受到雨衰影響時降低數(shù)據(jù)速率來提高信道的容量，產(chǎn)生的增益與其成正比，例如數(shù)據(jù)速率減少至1/4時，增益為5dB。綜上所述，以上兩種技術(shù)，可以彌補不同降雨條件下產(chǎn)生的雨衰影響，但降雨量越大，系統(tǒng)有效的可用容量將減小，對于應(yīng)急通信中的音視頻傳輸過程會造成數(shù)據(jù)阻塞和卡頓等現(xiàn)象。

2.4 自動功率控制

自動功率控制是通過改變系統(tǒng)的功率來實現(xiàn)對衛(wèi)星通信鏈路受到降雨衰減的有效補償。對于設(shè)計較為復(fù)雜且建設(shè)集成繁瑣的地球站，可以采用上行鏈路自適應(yīng)功率控制（AUPC）和整個系統(tǒng)的自動功率控制（APC）。

在應(yīng)急指揮通信中，降雨衰減對上行鏈路造成的影響大，對其鏈路的要求更嚴(yán)苛，在上行鏈路中都會配置功率控制器，對降雨衰減進行自動補償，其工作原理是：遇到降雨時，地球站接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳回的信號時，會同步的測算出鏈路的降雨衰減量，通過上行自動功率控制調(diào)整地球站的發(fā)射衰減從而控制功率的大小，達(dá)到動態(tài)補償降雨衰減的目的，讓信號功率保持在飽和或最大功率狀態(tài)。但若變?yōu)榍缣鞎r，自動功率控制可能仍然保持在雨天時的衰減功率，從而造成功率嚴(yán)重超發(fā)。

但對于衛(wèi)星通信的整個系統(tǒng)的自動功率控制（APC）而言，下行鏈也存在降雨衰減，因此也可以配置功率控制器，采用同時控制上下行鏈路功率即來對抗降雨衰減，這種動態(tài)控制就是以網(wǎng)管系統(tǒng)為基準(zhǔn)的。該系統(tǒng)能夠全天候不間斷的監(jiān)測出全網(wǎng)上星地球站的收發(fā)功率值，通過與晴好天氣正常使用時的收發(fā)功率值進行比較，實時調(diào)整地球站的衰減從而控制功率大小。

比如網(wǎng)管系統(tǒng)軟件中的衛(wèi)星調(diào)制器模式選擇自動功率控制參數(shù)配置（TPC on UFC on），這意味著自動功率控制功能已開啟。綜上，自動功率控制可以在陰、雨等甚至惡劣天氣下穩(wěn)定地球站的通信性能。

三、結(jié)束語

應(yīng)急指揮通信是戰(zhàn)時通信，地質(zhì)災(zāi)害和緊急救援的重要措施，衛(wèi)星通信是應(yīng)急指揮通信的重要手段，因其不受距離、時間以及地點等外界因素的制約而廣泛應(yīng)用。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠以及實時通信是其重要指標(biāo)，衛(wèi)星通信會受到云、雨、霧，雪等自然因素的影響，通過以北京地區(qū)受到的降雨衰減為例，詳細(xì)地解讀了各公式含義以及相應(yīng)地計算步驟，并根據(jù)北京地區(qū)量化的降雨量統(tǒng)計特性得出了降雨衰減的估算值。同時闡述了一些常用的對抗法及措施來降低雨衰造成的影響，提高了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。衛(wèi)星通信的新技術(shù)還有待發(fā)展，相信經(jīng)過日益的研發(fā)一定會有新的征程。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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