民航Ku卫星通信系统雨衰的补偿措施

+ 张峰俊 东北空管局

一、雨衰的产生

当无线电波穿过降雨的区域时，雨不仅会吸收无线电波的能量，而且还会对它产生散射。这种吸收和散射共同形成无线电波的衰减，散射还能导致大范围无线电干扰，并对无线电波有去极化效应，我们称这些衰减和干扰为雨衰。

雨衰的大小与雨滴直径、与波长的比值有着密切的关系。当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用；当信号的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用；无论是吸收还是散射作用，其效果都使电磁波在传播过程中遭受衰减。当电磁波的波长和雨滴直径越接近时，雨衰越大。

一般情况下（比如中短波）电磁波的波长远大于雨滴直径，故衰减很小，因此C频段信号（4-6GHz）受雨衰的影响也可以忽略。但对于10GHz以上的电磁波（Ku频段信号的频率为12-18GHz），雨衰的影响就非常明显了。频率越高，雨衰的影响越大，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大很多。

二、民航Ku卫星通信系统雨衰的补偿措施

雨衰的补偿通常可以采用提高设备硬件指标及性能的方法，比如上行链路雨衰靠增加上行功率来补偿，下行链路雨衰通过增大天线口径来补偿。对于民航Ku卫星通信系统而言，它采用了以下几种措施来补偿电磁波的雨衰。

1.链路的衰减余量

链路的衰减余量是传统通信链路设计中常用的方法。如C频段卫星通信链路通常留3dB余量，Ku频段卫星通信链路通常留6dB余量。民航Ku卫星通信系统在发射方向上一共有Modem板的发射中频、外接衰减器的数量和ODU的发射增益3个衰减量调整点，在接收方向上有外接衰减器的数量和ODU的发射增益2个衰减量调整点。这样就能够充分保证整个Ku卫星通信系统有足够的链路衰减余量。

2.上行链路功率控制（ULPC）

上行链路功率控制是利用本站发出的信号或卫星的信标信号，通过一定算法推算出上行链路的降雨衰减值，从而相应的增加地球站的发射功率，抵消上行链路的降雨衰减，使得雨天到达卫星接收机的信号电平信噪比基本保持和晴天的一样。

上行功率控制的方法一般都是调整中频信号的电平，从而改变高功放的输出功率，使上行功率随着雨衰的大小而改变，达到功率补偿的目的。上行功率控制主要是通过参考信号的选择和补偿算法实现，其中参考信号的选择是为了使卫星的输入功率为可确定的值。利用参考信号可以估算降雨衰减量的大小，参考信号可以是信标也可以是空间的噪声温度。

民航Ku卫星通信系统的上行链路功率控制是利用信标信号作参考的控制信号，来控制上行链路功率控制器中频单元的增益或衰减量，根据信标的大小自动地调节电控衰减器的衰减量，使中频电平随着雨衰量变化，进行适当的功率补偿。

3.采用编码及降速率技术

在雨衰较大时，可以采用前向纠错编码技术（FEC）来减小传输的误码率。通过减小编码率来获得编码增益的提高，如编码率为1/2的卷积码，当采用维特比译码时，其编码增益可达5dB。当然减小编码率也必须有个限度，一方面当编码率减小到一定程度时，若进一步减小编码率，多获得的编码增益将改善很小；另一方面减小编码率会导致系统容量的减小。

此外，还可以通过自适应速率降低技术（ARP）来克服雨衰的影响，通过减少衰减信道的数据速率来增加信道容量，降低速率所带来的增益与降低后的速率成正比，例如速率减少至1/4时，增益为5dB。

使用纠错编码和降速率技术，可以补偿不同程度的雨衰；但随着深度的增加，有效可用容量减少。这里，民航Ku卫星网采用的是维特比编码和FEC1/2纠错方式。

4.极化方式的选择和天线的选择

不同雨滴形状对信号的衰减也不相同。随着雨滴体积的增大，雨滴在水平方向的直径也逐渐增大。此时，相比于对垂直极化波的衰减，雨滴对水平极化波的衰减更大，这也意味着在10GHz以上的频率中，垂直极化波比水平极化波的抗雨衰性能要好。

根据公式G=10lgη(πD/λ)2可知，接收天线的增益与接收天线的口径有着直接的关系，因此适当加大接收天线的口径，可以较明显地提高天线增益。口径越大，其增益越高，系统覆盖范围越大。民航Ku卫星通信网采用的是上行水平极化、下行垂直极化的极化方式，一类站天线尺寸为4.5米，足以保证天线的接收增益。

5.采用低噪声高增益的优质低噪声放大器

现用于接收Ku频段卫星信号低噪声放大器，一般噪声系数为0.8dB，噪声系数在0.6dB便是十分低的噪声，如使用噪声系数为0.7dB，其增益可达到60dB。如果受某些因素的制约，而不想或无法去增大接收天线的口径，可首先考虑使用低噪声高增益的优质低噪声放大器，而且这要比增大天线口径的成本低。民航Ku卫星通信网一类站的低噪声放大器采用的是AnaSat公司生产的LNC，其噪声系数为0.7dB。

三、小结

与C频段卫星通信系统相比，Ku频段卫星通信系统具有天线尺寸小、波束窄、抗地面干扰好等优点，但是由于雨衰使得Ku频段卫星传输信号的衰减很大。民航Ku卫星通信系统在设计上采用优质的低噪声放大器、4.5米的天线、充分的链路衰减余量以及上行链路功率控制等技术，使得Ku频段雨衰大的问题在一定程度上得到了补偿。