一种改进的Ka频段雨衰减预测模型*

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

随着多媒体和Internet业务需求的增长，宽带卫星通信已经成为实现全球无缝隙个人通信和Internet空中高速通道必不可少的手段。由于Ka频段的带宽理论上可达3.5 GHz，且具有通信容量大、波束宽度窄、功率密度高、隐蔽性强、终端尺寸小、轨道平面内可容纳的卫星多以及抗干扰能力强等优点，是理想的宽带卫星通信频段。

但是，随着频率的升高，卫星通信信道质量在下降，其中雨衰是影响Ka频段卫星通信链路质量的最重要因素。部分地区的雨衰动态范围可以达到20 dB以上，雨衰会严重降低通信链路的可用度，大大增加系统的中断率。但是，由于降雨是一个随机事件，由降雨而带来的信号衰减也就随地域的不同和降雨量的多少而不同。为了更好地预测我国各地降雨衰减对Ka频段卫星通信的影响，对Ka频段的DAH雨衰减预测模型提出了一种改进方案，并进行了仿真分析。

2 DAH预测模型

DAH模型是Asoka Dissanyake，Jeremy Allnutt和Fatim Haidara等人在对利用INTELSAT系统、欧空局的Olympus卫星、NASA的先进通信技术卫星(ACTS)等电波传播所做的试验而来的数据进行进一步统计分析后，于1997年最新提出的一种预测模型，主要适用于4～35 GHz的频率范围，0.001%～10%的概率范围[1]。

当电波信号通过雨区后,由于降雨引起的衰减量可用下式表示：

(1)

式中，A为雨衰减量，λ为雨衰减率，L为降雨的有效路径。

降雨衰减的预测模型就是通过计算雨衰减率和降雨的有效路径来估测雨衰减量的大小。

2.1 雨衰减率

计算雨衰减率所需要的参数[2]：降雨率R(mm/h)；传播路径的仰角(天线仰角)θ；极化角ξ(ξ=0°、45°、90°分别代表水平极化、圆极化和垂直极化)；地面站纬度φ；卫星所定点经度φ1；地面站经度φ2；地球的有效半径Re(8 500 km)；卫星离地面的高度he；衰减率的回归系数αh、αv、γh、γv。

雨衰减率的计算公式为

λ=αRγ(dB/km)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

2.2 DAH雨衰减预测模型的计算

所用到的参数[3～8]：φ、θ、ξ、Re同前；hs为地面站的海拔高度(km)；R0.01为当地平均0.01%时间概率点降雨率(mm/h)；f为频率(GHz)。

计算步骤如下：

(1)计算结冰层的高度hr(km)：

(6)

(2)计算结冰层以下倾斜路径Ls(km)：

(7)

(3)计算倾斜路径的水平投影LG(km)：

LG=Lscosθ

(8)

(4)查表获得当地平均0.01%时间概率点降雨率R0.01(mm/h)；

(5)计算衰减率λ(dB/km)：

λ=αR0.01γ

(9)

(6)计算0.01%时间水平路径调整因子rh0.01：

(10)

(7)计算穿越降雨路径Lr(km)：

(11)

(8)计算0.01%时间垂直路径调整因子rv0.01：

(12)

(9)计算0.01%时间概率雨衰减A0.01(dB)：

A0.01=λLrrv0.01

(13)

图1 雨衰减计算示意图Fig.1 Sketch map of rain attenuation

3 DAH模型算法的改进

虽然DAH模型考虑到了降雨的水平和垂直方向的非均匀性，但是在计算降雨路径时，当水平调整因子rh0.01>1时，其通过的降雨路径Lr等于结冰层以下路径Ls，不再随水平调整因子的变化而变化,从而导致当频率增加时，其预测的有效降雨路径比实际有效路径偏小，雨衰减量偏低。而当rh0.01<1，其缩短了垂直降雨路径的高度，在对降雨路径进行垂直调整时，同样导致预测的有效降雨路径比实际有效路径偏小。由于降雨路径Lr的计算偏差，也导致垂直调整因子的计算偏差，偏差的叠加在最终的计算中影响了该模型的有效性。

从上述分析可知，DAH模型雨衰量的预测误差随频率的增加而增加。为了克服该模型的缺陷，引入水平有效降雨路径和垂直有效降雨路径，从而在计算总有效降雨路径时，避免了频率变化带来的额外影响。具体方法如下：

水平有效路径Lge(km)：

Lge=Lgrh0.01

(14)

垂直调整因子rv0.01：

(15)

垂直有效高度he(km)：

he=(hr-hs)rv0.01

(16)

有效降雨路径Le(km)：

(17)

雨衰减A0.01(dB)：

A0.01(dB)=λLe

(18)

4 ITU-R频率比例关系理论模型

由于我国并没有在全国范围内开展地星之间雨衰减的测量工作，因而缺乏实地的实际数据，暂不能结合本国气候及地形等条件来检测改进模型的有效性。但通过2000年ITU-R给出的上、下行信号降雨条件下的衰减比值表达[7,9]，可对改进前后的模型进行检验和分析。其表达式如下：

(19)

5 仿真分析

为检测改进后模型的有效性，以西安(经度108.93°，纬度34.30°，海拔高度0.396 9 km)和北京(经度116.47°，纬度39.80°，海拔高度0.031 2 km)地区为参考点，在不同极化方式下对其进行计算机仿真比较，仿真图形如图2～5所示。

图2 北京水平极化仿真比较曲线Fig.2 Simulation of level polarization in Beijing

图3 西安水平极化仿真比较曲线Fig.3 Simulation of level polarization in Xi′an

图4 西安垂直极化仿真比较曲线Fig.4 Simulation of vertical polarization in Xi′an

图5 西安圆极化仿真比较曲线Fig.5 Simulation of circularity polarization in Xi′an

从仿真图中可以看到，DAH模型在低频段能和ITU-R频率比例关系理论模型有较好的逼近，但在高频段却出现了偏差，且偏差随频率的增大而增大，在30 GHz时，最大偏差达到1.4 dB。且无论在何种极化方式下，DAH模型曲线都在ITU-R频率比例关系理论模型曲线的下方，相比而言，其预测的雨衰量偏低。而改进后的模型曲线在任意极化方式下都能很好地逼近ITU-R理论模型曲线，从而克服了频率变化的影响。由于DAH模型的偏差随频率的增加而变得突出，改进后的模型同DAH模型相比，在高频段所预测的雨衰量偏大，在30 GHz的最大差距可达5 dB左右。

6 结束语

利用改进后的模型预测雨衰减量，能够减少高频率的影响，降低高频段的预测误差。计算机仿真证明，改进后的模型克服了DAH模型的缺陷，在理论上更适合我国的气候和地形，为我国进一步研究Ka频段卫星通信奠定了理论基础。

参考文献：

[1] 王保印.我国Ka波段卫星通信系统降雨衰减特性及补偿方法的研究[D].长春:吉林大学,2004.

WANG Bao-yin. The study of the character of rain attenuation and countermeasure methods of the Ka-band satellite communication system in China[D].Changchun：Jilin University,2004.(in Chinese)

[2] 崔君霞,施浒立,田炳丽.降雨对于CAPS微小卫星终端通信的影响[J].通信技术,2009,42(6):8-10.

CUI Jun-xia,SHI Hu-li,TIAN Bing-li.Rainfall Effects on CAPS Micro Mobile Satellite Terminal Communications System[J].Communications Technology, 2009,42(6):8-10.(in Chinese)

[3] 周艳秋,贾方,李萍.武警卫星通信系统的雨衰估算及分析[J].现代电子技术,2008(13):44-46.

ZHOU Yan-qiu,JIA Fang,LI Ping.Rain Attenuation Estimation and Analysis of the Armed Police Force Satellite Communication[J]. Modern Electronics Technique,2008(13):44-46.(in Chinese)

[4] 王宇飞,陈卓然.Ka波段卫星通信系统降雨衰减的计算[J].电脑编程技巧与维护,2009(8):70-72.

WANG Yu-fei, CHEN Zhuo-ran.The Calculation of Rain Attenuation in Ka-band Satellite Communication Systems[J].Computer Programming Skills & Maintenance,2009(8):70-72.(in Chinese)

[5] 孙宁宁.Ka频段抗衰减对策(FCM)研究[D].西安:空军工程大学,2005.

SUN Ning-ning.A Study on Fade Countermeasure(FCM)for Ka-Band Satellite Communications[D].Xi′an:Air Force Engineering University,2005.(in Chinese)

[6] International Telecommunication Union Recommendation ITU-R P.618-8,Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems[S].

[7] 蔡本晓.Ka频段地空路径衰减与去极化及功率控制算法研究[D].西安:西安电子科技大学,2004.

CAI Ben-xiao. Study of attenuation and depolarization in Ka waves hand along earth space path and power control algorithm[D]. Xi′an:Xidian University,2004.(in Chinese)

[8] Recommendation ITU-R P.837-3,Characteristics of precipitation for propagation modelling[S].

[9] 钟怀东,徐慨,侯柳英.Ka频段卫星通信上行链路自适应功率控制[J].计算机工程,2009,35(10):107-109.

ZHONG Huai-yu,XU Kai,HOU Liu-ying.Uplink Adaptive Power Control in Ka Band Satellite Communication[J].Computer Engineering,2009,35(10):107-109.(in Chinese)