一种Ka频段海上卫星通信抗雨衰编码方案

高化猛，李 智

(1装备指挥技术学院继续教育系，北京 102206;2装备指挥技术学院重点实验室，北京 101416)

一种Ka频段海上卫星通信抗雨衰编码方案

高化猛1，李 智2

(1装备指挥技术学院继续教育系，北京 102206;2装备指挥技术学院重点实验室，北京 101416)

分析卫星通信雨衰现象的产生机制和对Ka频段卫星通信的影响，提出采用CCSDS标准卷积码作为抗雨衰编码方案。研究CCSDS(15，1/6)卷积码编译码性能:使用C语言编译环境，仿真CCSDS(15，1/6)编码系统，得出编码效率;使用二进制相移键控调制、加性高斯白噪声信道、维特比译码，仿真CCSDS(15，1/6)译码系统，得出译码性能和编码增益。仿真计算表明，CCSDS(15，1/6)具有编码速度快，译码性能好，编码增益高的特点，是一种好的海上卫星通信抗雨衰编码方案。

卫星通信;雨衰;标准卷积码;编码;译码;仿真

0 引言

卫星通信在海上通信中占有重要地位。随着用户和业务量的增多，低频段(L频段、S频段、C频段)卫星通信已非常拥挤，高频段(Ku频段、Ka频段)卫星通信越来越引起重视。Ka频段(20/30 GHz)可提供更大的传输带宽;另外，由于Ka频段频率高，可采用更高增益的点波束卫星天线，波束宽度更窄。窄波束可以节省星上功率，减少卫星间的相互干扰，增加轨道内可容纳的卫星数量［1－2］。

降雨是海上常见的气象现象，降雨对Ka频段卫星通信存在严重影响，即雨衰现象。信道编码技术可以有效对抗雨衰，提高卫星通信质量。

1 雨衰现象

1.1 雨衰的产生

电磁波穿过降雨区域时，雨滴可以吸收电磁波，也可以使电磁波产生散射，使电磁波能量变小。降雪和晶状体的冰对电磁波的衰减同样不能忽略。

雨衰的大小与雨滴半径和信号波长的比值有着密切的关系，而雨滴的半径则与降雨强度有关。当信号波长接近1个典型雨滴的直径，即大约1.5 mm时，电磁波的衰减将会达到最大。在C频段，下行频率为4 GHz，波长为75 mm，C频段下行波长是雨滴直径的50倍，因此信号通过时衰减相对较小;在Ku频段，下行频率为12 GHz，波长为25 mm，虽然波长比雨滴的直径大出很多，但雨衰已非常严重;到了Ka频段，下行频率达到20 GHz，波长为15 mm，在V频段，下行频率为40 GHz，波长仅仅为7.5 mm。在Ka和V这2个频段，波长与雨滴的直径相对比较接近，衰减将变得非常大［3］。

1.2 降雨噪声

降雨对电磁波吸收衰减也会对地球站产生热噪声影响，这种降雨噪声折合到接收天线输入端就等效为天线热噪声，对接收信号的载噪比有很大的影响，这种影响与衰减量的大小和天线结构有关。

根据经验，每衰减0.1 dB，噪声温度增加约6.7 K。一般情况下，天线的仰角越高，降雨噪声的影响越小。这是因为电磁波穿过降雨路径较短，衰减量就小一些。降雨噪声可以用下面的公式来计算:

式中:R为雨衰值，dB;W为馈源到低噪声下变频器(LNB)间的波导损耗，dB;Train为雨的温度，K。

由计算公式可以看出，在没有雨衰时，噪声温度不增加;在没有波导损耗时，噪声温度只和降雨衰减量有关。由于噪声温度的增加直接影响到接收系统的品质因数G/T值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，对信号可用度的影响甚至比降雨衰减更明显，在链路计算时必须考虑其影响。

1.3 去极化现象

降雨不仅会使电波衰减，还会产生去极化作用，所以降雨对电波的吸收和散射特性也与入射波的极化波面有关。由于空气阻力使雨滴变成略微扁平的形状，在雨滴的2个轴向引起的衰减称为微分衰减，相位移称为微分相移。这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大。这种降雨引起的去极化现象，对线极化和圆极化都有影响。常使用交叉极化鉴别度来表示极化纯度。一般情况下，当天线仰角大于15°时，交叉极化鉴别度在超过年平均时间的0.1%时，可望达到27 dB，0.01%时为20 dB，0.001%时为15 dB。对于正交极化复用的卫星系统，降雨引起的去极化作用会使极化隔离度降低，产生极化误差，导致干扰增加。

1.4 雨衰对信道特性的影响

大气层对卫星通信的影响是个不可忽略的因素。当工作在Ka频段时，大气层中的雨、水蒸气、云雾、氧气和闪烁都会引起信号衰落。当上述1个或多个因素起作用时，均会引起信号幅度、相位、极化和下行波束入射角的变化，从而导致信号传输质量的下降和误码率上升。在这些因素中，雨衰所引起的Ka频段信号衰落占主导地位。

信道模型是系统分析和综合的基础。信道模型可反映出所使用频段电磁场的传播特点，并便于工程实际的应用。下面从工程应用角度出发，以静止卫星为例，分析雨衰对Ka频段卫星通信信道特性的影响。

目前，美国、欧洲、日本已对Olympus卫星、Italsat卫星和ACTS卫星做了大量传播特性测量试验，积累了大量数据。研究表明，Ka频段静止卫星的信号包络和相位的概率分布均可近似看作是高斯分布，它们的概率密度函数分别为:式中:p(r)为信号包络的概率密度函数;p(φ)为信号相位的概率密度函数;m1和m2分别为信号包络和相位的均值;σ1和σ2分别为信号包络和相位的均方差［4］。

一系列的仿真计算表明，信号经过Ka频段静止卫星信道时，包络衰落的影响比较严重，相位衰落的影响不明显。因此，在Ka频段卫星通信中，应该采取措施，着重提高信号包络的性能，以解决主要由雨衰导致的信号包络衰落。

2 CCSDS级联码抗雨衰分析

文献［1］和文献［3］中均提到采用信道编码的方式对抗雨衰，但未对具体的编码方案抗雨衰进行定量研究。本文拟采用CCSDS(Consultative Committee for Space Data System)标准卷积码作为抗雨衰信道编码，并对其编译码性能进行分析研究。

2.1 编码方案

图1是CCSDS标准中提供的(15，1/6)标准卷积码编码原理图。

图1 (15，1/6)标准卷积码编码原理图Fig.1 (15，1/6)convolution codes'encoding principium

2.2 编码效率

根据图1的编码原理，利用标准C语言编程进行仿真运算，编译环境为VC++6.0，在X86微机上运行，硬件配置为P4(R)3.2 GHz、内存512 M。运行结果如图2所示。

图2 (15，1/6)标准卷积码编码效率Fig.2 The encoding efficiency of(15，1/6)

由图2可知，编码速度可达5 M bit/s以上。编码系统完全由硬件实现时，即使主频有所下降，编码速度仍可达到106数量级。

2.3 译码算法

卷积码的各码元之间均有约束关系，如何利用各码元之间的约束关系进行译码，产生了多种译码算法，不同的译码方式产生不同的码元距离特性，具有不同的译码性能［5］。

卷积码译码主要分为代数译码和概率译码2类。代数译码中通常利用大数逻辑译码的自正交码和可正交码来完成。该类码构造容易，码类较多，译码器构造简单，通常在约束长度内(几十位)能有1～2 dB的译码增益。卷积码的概率译码通常能获得最佳或次最佳译码性能，概率译码要求码有较大的自由距离特性，通常由计算机搜索得到。

卷积码代数译码的主要方式是大数逻辑译码。该译码方法是卷积码的第1种实用译码方法。相比于概率译码的维特比译码和序列译码来说，性能差一些，但设备简单，译码速度快。其约束长度可取大一些，并且可利用交织、扩散等技术，适用于突发错误信道，仍具有实用价值。该译码方法主要用于误码率低的系统卷积码和类似系统卷积码的内快检码和部分非系统卷积码。

卷积码的概率译码不仅基于码的代数结构，而且还利用了信道的统计特性，使译码错误概率很小。概率译码主要有维特比译码和序列译码，这2种译码方法均建立在最大似然准则基础上。

维特比译码是在接收码元序列的控制下，在网格图上跟踪编码的过程，寻找最大似然路径。其关键的运算是“加－比－选”，通过对路径量度相加、比较，选择出幸存路径。在不同的信道中其量度的方式不同，在二进制对称信道(BSC)中，汉明距离是最大似然准则的等效量度，求出与接收序列汉明距离最小的路径为其幸存路径［6］。

序列译码是概率译码中另一种常用的方法，它是一种次最佳的译码方法。序列译码复杂性基本上与约束长度无关，因而可适用于约束度很大的卷积码，从而获得很高的编码增益。与维特比译码一样，序列译码也是以路径的汉明距离为量度准则，与其不同的是序列译码是在接收序列的控制下，译码器在树图上寻找编码所走的正确路径，尽早排除所有非最大似然路径。序列译码只延伸一条具有最小汉明距离的路径，不像维特比译码那样在网格图上延伸所有可能路径，因而大大减少了计算量和存储容量［7］。

2.4 译码性能

使用 BPSK调制，卫星通信雨衰信道作为AWGAN信道，采用维特比译码算法，迭代次数为16次，译码效果如图3所示。由图3可知，采用(15，1/6)标准卷积码后，在误码率10－5时，获得了7.11 dB的编码增益。7.11 dB的编码增益优于文献［2］中普通卷积码的4 dB编码增益和文献［3］中编码率1/2卷积码的5 dB编码增益。

图3 (15，1/6)标准卷积码译码效果Fig.3 The decoding performance of(15，1/6)

3 结语

采用Ka频段进行海上卫星通信，由于存在严重的雨衰现象，必须采用信道编码等技术克服雨衰的影响。通过仿真研究发现，CCSDS提出的(15，1/6)标准卷积码具有编码速度快，译码性能好，编码增益高的特点，是海上Ka频段卫星通信抗雨衰的理想编码方案。

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An anti-rain attenuation encoding solution for sea Ka-band satellite communication

GAO Hua-meng1，LI Zhi2
(1.Department of Continuing Education，Academy of Equipment Command ＆ Technology，Beijing 102206，China;2.The Key Lab，Academy of Equipment Command ＆ Technology，Beijing 101416，China)

The mechanism of rain attenuation in satellite communication and it's affection to Ka-band satellite communication are analyzed.CCSDS(15，1/6)standard convolution code is recommended as channel code to anti-rain attenuation the performance of CCSDS(15，1/6)standard convolution code is researched.The encoding efficiency is found by simulating encoding system in C translation environment.The decoding performance and encoding gain are found by simulating decoding system in BPSK modulation，AGWN channel，viterbi decoding algorithm.Simulation research demonstrates that the CCSDS(15，1/6)standard convolution code is a good channel encoding solution for anti-rain attenuation in satellite communication on the sea because of high encoding velocity，high decoding performance and high encoding gain.

satellite communication;rain attenuation;standard convolution code;encoding;decoding;simulation

E917;TN911.22

A

1672－7649(2011)12－0076－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.017

2011－05－03;

2011－06－09

国家高技术发展计划资助项目(2006AA705102)

高化猛(1978－)，男，博士，讲师，主要研究领域为航天测试发射、系统仿真技术。