Ku波段衛(wèi)星通信雨衰分析及對(duì)抗措施探討

高睿劼 陸斌 許松松

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)的合理性越來越受到重視。為了保障用戶在網(wǎng)絡(luò)通信方面的需求，就需要進(jìn)行合理的衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)及構(gòu)建。但是當(dāng)下Ku波段的衛(wèi)星通信傳輸質(zhì)量及系統(tǒng)性能受到雨衰的嚴(yán)重影響。在此基礎(chǔ)上，文章分析了雨衰的產(chǎn)生原理，對(duì)Ku波段衛(wèi)星通信雨衰分析及對(duì)抗措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：Ku波段;衛(wèi)星通信;雨衰分析;降雨噪聲

0? ? 引言

要想促進(jìn)我國衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，為用戶帶來良好的通信服務(wù)，就需要重視外界環(huán)境帶來的影響，避免Ku波段的衛(wèi)星通信受到嚴(yán)重影響。本文對(duì)雨衰的產(chǎn)生機(jī)理和影響、降低雨衰影響的措施等進(jìn)行分析，以幫助相關(guān)領(lǐng)域的研究人員有針對(duì)性地解決雨衰問題[1]。

1? ? 雨衰的機(jī)理以及影響

1.1? 雨衰產(chǎn)生

當(dāng)電波穿過降雨區(qū)域，雨水不僅可以有效吸收一定的電波能量，也會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生散射，吸收及散射會(huì)導(dǎo)致一定的電波衰減，同時(shí)，雨滴傾斜導(dǎo)致的差分相位偏移，會(huì)對(duì)無線電產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，讓電波出現(xiàn)去極化現(xiàn)象，這被稱為雨衰。這種信號(hào)衰減情況基本上呈現(xiàn)出非選擇性能及緩慢時(shí)變的性能，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的劣化，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可用性，也使得雨衰成為衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)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(hào)的波長及雨滴的大小存在一定的關(guān)聯(lián)。一旦信號(hào)波長大于雨滴，就會(huì)導(dǎo)致散射衰減對(duì)信號(hào)的好壞起到?jīng)Q定性的作用。當(dāng)信號(hào)波長小于雨滴時(shí)，導(dǎo)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(shí)，衰減最大。常用電磁波波長一般遠(yuǎn)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(hào)對(duì)雨衰的影響基本可以忽略不計(jì)，而10 GHz以上的電磁波在傳播過程中會(huì)受到雨衰問題的嚴(yán)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(huì)對(duì)電磁波的衰減產(chǎn)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(yán)重。中雨以上的降水程度，會(huì)使電磁波在Ku頻段的雨衰影響尤為嚴(yán)重。在不同經(jīng)緯度的條件下，經(jīng)緯度對(duì)區(qū)域氣候特點(diǎn)以及降雨量均存在影響，導(dǎo)致雨衰同樣不同[3]。

1.2? 降雨噪聲

現(xiàn)階段，降雨帶來的影響主要表現(xiàn)在對(duì)電磁波的吸收衰減，以及對(duì)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(tǒng)接收信號(hào)載噪比減小，系統(tǒng)余量減小。另一方面，在對(duì)其影響進(jìn)行深入的研究后發(fā)現(xiàn)，降雨噪聲帶來的影響程度與衰減量大小、天線結(jié)構(gòu)有關(guān)。為此，就需要在日常工作過程中依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的噪聲控制。由于在電磁波的傳播過程中，經(jīng)過降雨路徑較短時(shí)，產(chǎn)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(hào)，就需要降低降雨帶來的信號(hào)衰減效果，并進(jìn)行長期觀測(cè)，根據(jù)所收集的信息進(jìn)行有效的降雨統(tǒng)計(jì)特性分析。在實(shí)際使用過程中，還需要保障抗雨衰措施的有效應(yīng)用。

2.1? 鏈路余量

在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，對(duì)鏈路余量進(jìn)行控制，可適當(dāng)減小雨衰影響，確保信號(hào)傳輸質(zhì)量。在對(duì)鏈路余量進(jìn)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(qū)的降雨量差異。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)衛(wèi)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(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)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(qū)（例如沙漠地區(qū)），只需要保留合理的鏈路余量;在降雨量較多的地區(qū)，則需要調(diào)整設(shè)計(jì)方法，確保在有合理鏈路余量的基礎(chǔ)上應(yīng)用其他技術(shù)方式，避免在晴空時(shí)出現(xiàn)資源浪費(fèi)，也避免在雨水來臨時(shí)出現(xiàn)余量不足的問題。

2.2? 功率控制

對(duì)功率進(jìn)行控制，同樣有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)雨衰影響的控制，對(duì)信號(hào)質(zhì)量的提升具有重要作用。在構(gòu)建Ku波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)過程中，可以在地球站上進(jìn)行上行鏈路自適應(yīng)功率控制。上行鏈路功率控制分為開環(huán)上行功率控制和閉環(huán)上行功率控制，均可達(dá)到控制功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雨衰的功率補(bǔ)償。

地面站通過監(jiān)測(cè)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，估算雨衰大小后，對(duì)地球站的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整。通過這種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鏈路方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的有效控制，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收到的信號(hào)與晴空時(shí)一致，有利于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伴隨著衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，已經(jīng)可以在運(yùn)行過程中通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行自適應(yīng)功率控制，對(duì)雨衰進(jìn)行補(bǔ)償。

另外，也可以通過以網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)功率控制系統(tǒng)，有效降低雨衰的影響。通過網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備采集各個(gè)地球站的接收信號(hào)電平，估算雨衰大小后，通過網(wǎng)管信道通知地球站進(jìn)行發(fā)射功率調(diào)整，可以進(jìn)一步提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3? 編碼控制

在雨衰較大時(shí)，可以使用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，有效解決衛(wèi)星通信過程中的誤碼率問題。在降低編碼率之后，可以實(shí)現(xiàn)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(xù)降低，則會(huì)導(dǎo)致效益降低。因此，把握好對(duì)編碼率的控制程度較為重要。

2.4? 空間分集技術(shù)

現(xiàn)階段，在多雨及衛(wèi)星仰角較低的區(qū)域，Ku波段的信號(hào)特征導(dǎo)致在降雨過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的衰減問題，對(duì)此，可以采用空間分集技術(shù)加以解決。空間分集技術(shù)（Spatial Diversity Technology）是結(jié)合了發(fā)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(xiàng)技術(shù)，有利于提高信噪比，改善性能。在應(yīng)用空間分集技術(shù)的過程中，主要利用降雨的空間不均勻性設(shè)置不同地點(diǎn)的地球站，充分分集、接收所發(fā)出的信號(hào)，以充分保障衛(wèi)星鏈路的質(zhì)量。

2.5? 極化方式的選擇與天線的選擇

不同的雨滴形狀會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)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(jù)理論分析，對(duì)Ku波段衛(wèi)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(huì)增加。因此就需要基于實(shí)際情況，進(jìn)行有選擇的使用。

3? ? 結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)衛(wèi)星通信的質(zhì)量提出了更高的要求。為了保障在實(shí)際通信過程中能夠有效地減少雨衰對(duì)通信質(zhì)量的影響，應(yīng)通過多種手段展開分析，明確雨衰的影響因素，進(jìn)而采用對(duì)應(yīng)的措施，有效控制雨衰的干擾性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]翟華，張千.GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信L和S頻段資源態(tài)勢(shì)分析[J].移動(dòng)通信，2020（7）：42-48.

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

[3]胡曉東，佘勝團(tuán)，王明照，等.采用倍頻器+PLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)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）