Ka/EHF频段卫星信道传输特性研究

李 峰,冯晓雯,左 鹏,叶淦华

(1.总参通信部驻714厂军代室,江苏南京210002;2.南京电讯技术研究所,江苏南京210007)

0 引言

美军最新的AEHF系统的工程模型和系统定义已经结束,将完成前2颗卫星的装配和测试,同时开发和部署了地面测控单元。AEHF系统由4颗具有星际链路的卫星组成,覆盖全球南纬65°和北纬65°之间的地区。EHF频段带来的好处是显而易见的,首先是其高频段带来的高带宽和高容量,可以大大减轻现有频谱拥挤现象;其次是EHF的波束窄,可减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落,抗干扰和抗截获能力强;而且EHF频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。

Ka/EHF频段卫星通信面临的一个巨大挑战在于它受气象因素的影响大,降雨、闪烁、大气吸收等因素都会导致Ka/EHF频段地空链路信道质量的恶化,必须采用动态的抗衰减对策。本文详尽讨论了Ka/EHF频段卫星通信信道的电波传播特性,重点分析了降雨对卫星通信性能的影响。

针对Ka/EHF频段卫星通信信道的特性,在此基础上建立了Ka/EHF频段卫星通信信道及系统的仿真模型,并进行了性能评估。本文在进行性能评估时主要采用了2种方法,即分析法与仿真法。

本文首先对Ka/EHF频段的频率漂移问题进行了分析,指出多普勒频移中是终端移动而不是卫星漂移起主要作用。其次对Ka/EHF频段中大气损耗和降雨衰减特性进行了分析,估计了Ka/EHF传输链路上可能达到的衰减量值。最后给出了有关结论。

1 Ka/EHF频段的频率源漂移问题

由于Ka/EHF频段的工作频率较高,相同频率稳定度情况下其载波频差要远大于UHF和C频段。系统频率源频漂主要有卫星频漂和地面终端频漂。表1给出了不同稳定度情况下,卫星通信系统中典型链路的频率漂移值,其单位为Hz。

表1 频率稳定度与频率漂移值的关系

从表1可以看出,由于频率源的漂移而造成的链路频率偏移,对低速数据传输信道是相当不利的,为了克服这一不利因素,必须提高地面频率源的稳定度,而这必然增加设备的体积和功耗。

2 Ka/EHF频段的多普勒频移问题

由于EHF频段系统的工作频率较高,由移动终端所造成的多普勒问题更为严重,多普勒现象主要是由卫星和地面终端间的相对移动造成的,同相对移动速度和地面终端的工作仰角有关,所造成的影响主要有载波频偏和时钟偏差,将会影响到系统频率配置、校频和解调。表2给出了最坏情况下的多普勒频移,其单位为kHz。

表2 最坏情况下的多普勒频移

2.1 卫星移动所造成的多普勒频移

由于太阳幅射压力、太阳和月球的引力等作用,卫星在其定点精度范围内作不规则移动,其移动特性可近似地认为以24 h为周期在各个方向按正弦波规律运动,考虑到在南北和东西方向位置保持精度为±0.1°,各方向上运动距离最大约为150 km,等效最大运动速度为1.414×150×π/12≈55 km/h。在上行(44GHz)和下行(20 GHz)造成的频偏最大约为2.2 kHz和1 kHz。

2.2 终端移动所造成的多普勒频移

在卫星通信系统中,终端的移动速度可从几十公里每小时到数千公里每小时,因此其多勒频移相差非常大。图1给出了终端相对卫星移动的示意图。

图1 卫星多普勒频移示意图

以1 224 km/h(1马赫)的机载终端为例,在零度仰角情况下,上行和下行链路上所造成的最大频偏约为49.9 kHz和22.7kHz。如此大的频偏如不采取措施将严重影响系统的性能,特别是对于低速信道而言,不采取校频措施将使系统很难工作。由于中等速率的车载终端移动速率与卫星漂移速率相当,因此也是导致多普勒频移的主要因素。从上面分析可以看出,机载移动所造成的多普勒频移要远大于卫星移动所造成的多普勒频移,在实际分析中我们可仅考虑由地面终端移动对系统的影响并研究其解决方案。

另外,多频勒效应还会造成数据收发时钟发生偏离,影响到数据解调、位定时同步和跳频图案的同步。对于128 kbit/s的下行数据,以1 224km/h飞行的机载终端上接收到的时钟最大偏差为0.113 bit/s,对应于相对稳定度为1×10-6时钟源所造成的偏差。较长时间的积累就会使得时隙发生偏差、数据时钟滑动、数据缓冲区发生溢出,系统设计中要予以充分考虑。

3 Ka/EHF频段空间传播特性

当卫星通信系统的工作频率小于10 GHz时,通过设置合适的链路备余量,电波传播对系统可用度所造成的影响可以略不计。但当工作频率大于10 GHz时,电波传播对系统造成的影响就要严重的多,这种影响在目前Ku频段和Ka频段系统中已非常明显,对于工作在EHF频段的卫星通信系统将更为严重。

影响电磁波传播的主要自然现象有大气中水分子和氧分子的吸收、雨、云、雾、雪、雨夹雪等。

3.1 大气损耗

晴朗天气下的大气损耗在大于20 GHz范围内主要是由于氧分子和水分子的吸收引起的,二者加在一起的效果如下：在大约22.5 GHz处有一个水分子谐振峰,但其最大损耗不超过0.5 dB,且随着空气中水分含量变化而稍作变化,在此谐振峰处的损耗同降雨损耗相比,可忽略不计。图2给出了空气中水分含量与大气衰减量的关系。

图2 水汽含量与大气衰减的关系

在大约60 GHz处有一个氧分子谐振峰,其最大值在 100～140 dB之间,因此该区域为星地之间通信链路绝对禁止区域,其宽度大约为55～64GHz(假设允许的大气损耗为1 dB)。图3给出了水分子和氧分子吸收效应造成的信号衰减示意图。

图3 水分子与氧分子吸收对信号的衰减情况

云和雾其厚度一般为几千米,星地之间的云和雾所造成的损耗在约在0.1～0.5 dB之间。固态的水分子对电磁波影响较小且其存在的厚度较薄,由雪和雨夹雪造成的影响几乎可以忽略不计。

根据ITU-R给出的世界雨区分布和预测模型计算得到的信号衰减图谱,与实测结果比较,可以看出云、水汽的影响是被低估的,尤其是在20 GHz以上频段和低仰角地区。

根据相关文献统计,对世界大部分地区而言,20 GHz时云汽衰减量为0～3 dB,在高纬度地区由于路径倾斜使衰减量达到5～8 dB;44 GHz时同样情况下衰减量就变成了0～8 dB和12～20 dB;

3.2 降雨损耗

当电波穿过降雨的区域时,雨滴会对电波产生吸收和散射,故而造成衰减。雨衰减的大小和雨滴半径与波长的比值有着密切的关系,而雨滴的半径则与降雨率有关。

降雨衰减对电波产生的影响主要是吸收衰减,大部分表现为热损耗。雨衰减的大小与雨滴的物理模型、电波的极化方向、工作波长,接收地点的位置及海拨高度等诸多因素有关,而雨滴的模型在世界是不大相同的,故雨衰数值的估算是一项十分复杂的工作。

目前,对降雨损耗的研究一般有以下几种方法：

①通过长期的实地测量,例如利用卫星导频对降雨损耗进行研究,但这种方法不可能被广泛采用;

②利用CCIIR对降雨区的划分(ITU将全球分为15个雨区,我国范围内共有C、E、F、K、N 等5个雨区),通过预测模型来获得,但误差较大;

③利用实际的降雨数据,通过选择合适的预测模型获得(常用模型为ITU-R雨衰模型和DAH雨衰模型);

④根据已有的实验数据,通过近似得到。

ITU-R的雨衰预测模型给出的衰减率回归系数如图4所示。

根据上述降雨预测模型及诸多城市的经纬度和降雨率得出了表3的计算结果。从中可以看出在44 GHz时,在降雨率高的地区,其0.01%降雨衰减达到了正常情况下无法补偿的量 值;而 在20GHz时,其0.01%降雨衰减也可达到40dB的量值。

图4 ITU-R雨衰频测模型衰减率的回归系数

表3 44 GHz/20 GHz卫星链路0.01%降雨衰减预测

由于降雨的非均匀性,雨媒质的非均匀性并具有随机性,从而使雨衰减的计算复杂化。雨衰减值除了与频率有关以外还与其他许多因素有关,而且有的因素只能用统计概率来考虑,例如：雨滴尺寸分布、雨滴速度、雨滴温度、云层高度、地面站的纬度与海拔高度及其地形地势等等。由于这些因素的影响,要想找到一个预测精度高、使用简便、应用范围广、物理意义明确、适应于不同频段、不同仰角的理想雨衰减预测模型,显然是十分困难的。总而言之,想要获取我国精确的降雨衰减预测模型是很困难的,更遑论全球适用的模型了。

降雨不仅会衰减电磁波,还会引起噪声温度的增加,影响到接收信号的质量。对于上行链路,因为卫星天线指向地球,由地球导致的卫星接收机噪声温度的增加量远远超过降雨产生的噪声,所以在上行链路设计中,通常只考虑雨衰引起的信号衰减,不考虑由降雨产生的噪声温度增加。对于下行链路,在晴空条件下,大气热噪声是比较小的,可不考虑天空大气热噪声。当降雨发生时,除了会引起信号的衰减外,降雨会增加下行链路的系统噪声温度。

4 结束语

通过对影响Ka/EHF频段卫星通信传输信道的各种因素进行分析,主要分析了频率漂移和链路衰减。链路衰减主要研究了雨衰和云汽损耗,研究了其产生衰减的机理与特性。根据实测气象数据,对Ka/EHF频段采用ITU-R降雨衰减预测模型时的衰减量值进行了计算,为下一步抗衰减措施的提出提供理论依据,同时为工程设计提供具体的参考数据。在未来EHF频段卫星通信系统建设时,必须对该卫星通信系统覆盖范围内的EHF频段传输特性作细致深入的调查,采取针对性的补偿措施,最大限度地提高系统可用度指标。

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