如何降低Ku波段卫星通信雨衰影响

王磊

摘 要：卫星通讯是目前人类最先进的通讯方式之一，其中Ku波段卫星通讯使用较为广泛，其信号的传输质量会直接影响到信息的传递效果，在实际应用中，Ku波段传输的信号会受到各类因素的干扰，而影响卫星通讯以及系统稳定的主要因素便是雨衰。文章主要通过对雨衰对卫星通讯信号影响的机理进行了分析，并详细的介绍了雨衰对信道的影响，同时提出了相关措施，以降低雨衰对于卫星通讯的不利影响。

关键词：卫星通信；雨衰；影响

1 雨衰概述

1.1 产生

降雨是一种自然现象，电波是现代通讯最重要的介质，但是电波在传播过程中遇到降雨则会受到其影响。在电波传播区域若发生降雨，那么雨滴会吸收部分电波能量，而且降雨作用也会导致电波散射现象。双重影响下，便会造成电波的衰减。另外电波散射作用还会造成无线电干扰问题，若降雨影响严重，还会导致电波在传播过程中还会出现去极化效应，这些便是雨衰。

在雨衰作用下电波信号会出现缓慢的时变衰减以及非选择性衰减，因而降低了信号的质量，从而降低了系统的可用性。所以，在系统运行时雨衰问题是必须考虑在内的。雨滴直径大小会直接影响雨衰强度，如过相对比雨滴直径，信号波长相对较大，那么雨衰作用中散射衰减影响较大。而若雨滴的直径相对较大时，雨衰的作用主要由吸收损耗决定。但是无论两种作用机理的哪种起主要作用，电波都会在其传播方向上呈现出衰减趋势。并且，信号波长同雨滴直径数值相近，那么雨衰影响就会越明显，信号能量衰减便会越大。中短波信号传播时，雨衰对于C波段信号影响几乎可以不计在内。雨衰对于10GHz以上的波段影响较为明显，因而必须将雨衰作用效果考虑到链路计算中，并且频率越高，则雨衰影响便会越大。即相比较小雨对电磁波的影响，暴雨以及大雨的影响要更大。从国际无线电咨询委员会（CCIR）（现为国际电联（ITU））提供的雨衰与频率和降雨大小的关系图中可以很清楚地看出Ku波段信号受雨衰的影响较大。在国际无线电咨询委员会（CCIR）（现为国际电联（ITU））提供的雨衰与频率和降雨大小的关系图中降雨对电波的衰耗为实线，而云、雾引起的衰减为虚线。Ku波段频率较高[（12-18）GHz]，波长与雨滴的大小可比拟，受雨衰的影响比较严重。可看出，在Ku波段，中雨（雨量为4mm/h）以上的降雨引起的衰耗相当严重。若电波穿过雨区路径长度为10km时，对于Ku波段上行线路，衰耗为2dB左右，下行线路的衰耗为1dB左右；在暴雨（雨量为100mm/h）情况下，每公里的损耗强度较大，暴雨雨区高度一般小于2km，但暴雨引起的衰耗将超过10dB以上。随着降雨强度的加大，在Ku波段降雨衰减系数也急剧增加，雨衰的衰减量与降雨强度几乎成正比。而对于C波段[（4-6）GHz]来说，雨衰的影响就不是很明显，中雨区上行线路的衰耗为1dB左右，下行衰耗仅为0.4dB左右，即使是暴雨区上行线路总衰耗值也仅为1dB左右。

1.2 降雨噪声影响

降雨不单单会对电磁波造成影响，同时还会产生热噪声。由于降雨噪声会对接收天线的信号接入端造成影响，从而等效为天线热噪声，主要的影响表现为信号载噪比的大小。天线的结构以及衰减量有着直接的联系。

依照实际的系统运行经验可以分析出，当衰减增加0.1dB，那么噪声温度便会相应增加57K。降雨噪声会随着天线仰角的增大而逐渐的缩小，即电磁波从降雨区穿过的路径越短那么降雨所导致的信号衰减现象就会越小。而噪声温度增幅会随着雨衰的降低而减小，若不存在雨衰，那么噪声温度便不会变化。若波导损耗不会对信号造成影响，那么噪声温度便主要由降雨衰减产生。噪声温度高低会直接影响到信号接收系统的G/T值，即信号载噪比会受到噪声温度的变化影响，噪声温度越高，信号质量越低，可用性越小，所以链路计算中必须将该条件考虑在内。

1.3 去极化现象

电波在传播过程会出现衰减，而降雨除了加速衰减外还会致使去极化现象的出现，因此从这一角度分析，入射波极化波面也会由雨衰作用造成影响。雨滴在降落过程中会受到空气阻力作用，因而形状上呈现出略微扁平的形状，雨滴两个轴向上的衰减被称作微分衰减，而其相位移则是微分相移。其对于单极化系统的影响并不大，但是会极大的影响双极化系统个传输质量，降低极化的隔离度，从而加大信号间的相互干扰。在圆极化以及线极化中，这种降雨引发的去极化现象影响极大。而在对极化纯度的鉴别中，常常会使用交叉极化进行鉴别。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，可以达到27dB，0.01%时为20dB，0.001%时为15dB。暴雨区Ku波段的微分衰减可达2dB左右（雨区高度按2km计算）。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。

2 应对措施

如何有效降低雨衰现象对Ku频段电波的影响，首要任务便是针对某一区域雨衰进行确定。这需要长时间精确的观测，从而获取实际精确的连续数据，例如某一特定区域中连续几年特定时间内的降雨率等。以此计算出该特定区域的降雨特性，并根基实际的测量数据，通过特定的计算公式，计算出该区域特有的雨衰量。在此基础上将该区域中的降雨特性掌握清晰，并保证计算出的雨衰量精确完整，通过基础想的测量数据，计算出雨衰，并使用迭代对降雨统计进行完善，从而掌握实际的区域雨衰状况。基于此，可以通过以下措施解决雨衰对于信号传播的干扰。

2.1 编码及降速率技术

向前纠错技术在一定程度上可以转变传输误码率，在雨衰较大的情况下通过这种方式可以降低雨衰影响，即常用的FEC技术。通过降低编码率可以有效提高编码增益，这种方式在雨衰较大的情况下最为有效，例如编码率=1/2卷积码，那么通过维特比译码可以将编码增益调整为5dB。但是对编码率的降低需要在一定限度内，如果超出该限度，即便是再次降低编码率也很难获得更大的改善，即编码增益的提高将不再明显；并且超限度降低编码率还会减少系统容量。另外，在雨衰影响的降低中可以通过自适应速率降低技术有效的予以克服，即ARP技术，通过对新到数据速率进行减少的方式，对信道容量有效扩容，增益比同速率减少成正比。欲将增益调整为5dB则需要将速率降低至原來的1/3。通过使用ARP技术以及FEC技术，针对实际雨衰情况进行调整补偿。但是作用会随着深度的不断加深而降低。

2.2 空间分集技术

考虑到Ku波段特点，若信号穿越区域降雨过多或者卫星仰角较低，那么受到雨衰作用影响，需要通过空间分集技术才能够消除雨衰的不良影响。该技术的作用在与降雨空间具有不均匀的分布特性。另外，信号的分集接收主要依靠地球上一定距离的两个地球站进行，这同地面蜂窝移动通讯空间分集技术相类似，也可以通过地球站的切换进行单链路通讯，利用雨衰较小的地球站进行通讯。而分集改善质量主要通过两个指标进行，即分集增益以及分集改善因子，两站距离越大，分集改善效果越好。但是两站间距离范围也有一定的限度，超出范围后改善程度的提升会有所降低。空间分集会带来好处，但是与此同时也要付出代价。成本投入会大大增加，由于该技术需要复杂的网络技术作为支撑，因此网络投资成本会随之增加。空间分集技术不仅适用于两站址，还可以应用在多站址，但是需要付出相应的成本。

2.3 链路备余量

该方式在链路设计中常会用到，例如在C频段通讯链路中，会留下3dB的余量，而Ku频段通讯链路余量通常会留有6dB。若电波通讯地区降雨相对较少，例如沙漠地区，通过链路余量便可以改善雨衰现象；而降雨频率相对较高的区域，通过链路备余量的方式完全无法予以改善，因此应当在此基础上结合其他方式。但是该技术占用卫星资源相对较多，天气晴朗时会导致资源浪费，而下雨时又有可能不够用。

2.4 功率控制技术

对于Ku波段的卫星通信系统，可以通过设置AUPC即上行链路自适应功率控制系统，通过在地球站上进行该系统的设置或者进一步通过联网技术利用自动控制系统（APC）进行全网管理或者通过DPC系统进行动态功率控制，以此有效降低雨衰的不良影响。

2.4.1 上行链路自适应功率控制（AUPC）

若采用的方式为传统功率余量的方式进行系统设计，那么对系统通讯容量将会造成严重影响，所以想要提高系统通讯容量则要使用AUPC技术，从而保证链路的运行更加的可靠。其技术原理主要为：利用各地球站对链路降雨衰耗进行计算，同时监控信号强度，继而通过AUPC技术对地球站发射功率进行调整，从而对链路雨衰进行动态的补偿，保证信号工作电平稳定适宜，在此基础上卫星接收到来自地球的信号电平基本同晴空一致。若是卫星系统更加先进，那么卫星转发器也可以进行适当的功率自动化调整，从而克服雨衰对Ku波段的影响。

通过地球站将下行线路雨衰值测量出来，利用接收卫星通讯信号的变化量，以此调节衰耗设备，保证雨衰值得到有效的补偿。这种开环上行功率控制技术的原理相对较为渐变，使用设备相对简单，并且投入成本较低，但是缺陷亦很明显，即精度值较低。

闭环上行功率控制是地球站将接收来的卫星信标信号，与通过卫星转发器环回信号或某一特定信道的通信业务信号的C/N（或S/N）值进行比较，然后去控制地球站的上行功率。这样一来，上行信号的雨衰值和上行功率控制的控制量有较高的准确度。因此在闭环上行功率控制中必须将控制信道与通信信道分开，所用设备较多，费用较高。

2.4.2 自动功率控制（APC）

针对上行功率控制最为有效的便是APC技术，但是在下行线路中也需要将雨衰问题考虑在内。为了使得这一问题得到解决，APC技术，即自动功率控制系统应时而生，这种建立在卫星通讯网管系统之上的技术能够有效提升卫星通讯系统信息传递的可靠性以及稳定性，并有效降低了卫星通讯的成本，因而得到了广泛的使用。

2.5 极化方式的选择以及天线的选择

电波信号的衰减程度会受到雨滴形状的影响，雨滴直径会在雨滴的下落过程中发生形状的变化，雨滴体积越大，直径便会越大，这时，雨滴对于电波的影响也便越大，衰减值以及垂直极化现象变化会随之增加。在实际的应用接收天线的口径会直接影响接收天线增益，所以对接收天线进行扩径可以有效提高天线的增益。增益会随着口径的增加而增加，系统的覆盖面便会越广。当然，成本也会随着口径的增加而不断的增加。

2.6 采用低噪声高增益的优质高频头（LNB）

现用于接收Ku频段卫星信号的LNB，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的，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LNB，而且这要比增大天线口径的成本低。

2.7 双频组合通信技术

低频波段受雨衰影响相对较小，若雨衰超出了规定范围，那么系统在检测过程中便会自动将通讯电波的频率切换到低频通讯波段，从而保证通讯质量。

参考文献

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