Ka频段卫星通信典型地区雨衰分析与补偿方法探讨

王书杰

【摘要】 本文首先介绍了Ka频段卫星通信雨衰产生机理及ITU-R雨衰预测模型。然后重点介绍了103°E在轨Ka卫星在我国各雨域地区（典型城市）的雨衰情况。最后联系以往Ku频段工程实施经验，总结出常用的三种Ka频段卫星通信抗雨衰补偿方法：分集技术中的业务速率分集技术、功率控制技术中的上行链路开环功率控制技术和自适应编码技术中的自适应纠错编码技术。

【关键词】 Ka频段 卫星通信 雨衰

一、引言

随着卫星通信的发展以及终端用户业务需求量的不断增大，如：千兆比特级宽带数字传输、高清晰度数字电视（HDTV）、高清晰度远程视频会议、远程医疗及个人卫星通信等，现有的C（6/4GHz）、X（8/7GHz）、Ku（14/12GHz） 頻段的卫星通信系统已不能满足宽带、高速、小口径终端等应用的需求，因此，拥有较高频段带宽的Ka波段（30/20GHz），越来越受到重视并已开始逐步投入使用。然而，在实际的使用过程中，Ka频段卫星通信虽优势明显但也存在一大缺点-雨衰，其已成为影响该频段正常通信的主要因素，工程设计时必须给予因地而异的考虑。随着通信频率的升高，雨衰将严重的损坏卫星链路的性能，如在C频段雨衰的影响并不明显，但在Ka频段，短时间内（数分钟）雨衰可达到20dB。因此，如何精确的计算降雨引起的信号衰减值和如何采取高效的雨衰补偿对策缓解降雨造成的影响，显得非常重要。

二、雨衰产生机理与ITU-R预测模型

2.1 雨衰产生的机理

依据无线电波传播的理论分析得出，雨衰对信号的直接影响是造成信号的功率降低，主要有以下三种情况：

首先，雨滴等水汽凝成物将会吸收入射电波的一部分能量，并转换为热能消耗掉，同时雨滴等水汽凝成物还是二次辐射源，把部分入射电波的能量散射到周围空间。

其次，降雨还会增加天线的噪声温度，进而造成地球站接收系统噪声温度的增加，直接影响到接收系统的G/T值，进一步降低了下行信号载噪比。

此外，雨滴在降落时会受到空气的阻尼作用，产生形状的变化，由原来的球形变成椭球形。当某种极化电波通过此椭球形的雨滴时，如果极化面与主轴方向成一定夹角，电场在主轴方向分量就受到影响，产生电波的去极化。

2.2 ITU-R雨衰模型

目前，国外已有较多的方法用于计算卫星通信链路的降雨衰减情况。考虑简便、实用，并结合我国实际情况，认为ITU-R雨衰模型的总体性能最佳[1]。

ITU-R模型的计算步骤具体如下：

三、各区域Ka 波段降雨衰减值的研究

3.1 相关降雨数据

我国地域广阔，降雨气候差异显著，具体有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带、北温带和高原气候区，这导致了降雨衰减值的分布存在明显的区域性。本文选取具有代表性的8个我国城市（每个区域选1个），覆盖了经度93°E至126°E、纬度20°N至43°N的区域。根据各地区的降雨数据，获得选取的8个城市的海拔高度、纬度、经度还有时间0.01%的降雨率R0.01[2]，如表2所示。表2 8个典型站点的地理位置和降雨率

3.2 Ka 波段降雨衰减值的计算

Ka频段降雨衰减与降雨强度、链路极化和地球站工作仰角等密切相关，降雨衰减随降雨量增大呈指数增长。采用ITU-R 预测模型，对静止轨道位置在103°E，上、下行频率分别为30GHz 和20GHz 的Ka频段卫星通信进行降雨衰减数值计算，结果如表3所示。

四、抗雨衰技术研究

Ka频段卫星通信在抗雨衰时除了必要的功率储备以外，还必须研究各种抗雨衰技术，来补偿降雨引起的衰减，本文根据以往Ku频段卫星通信工程实际的实施经验，采用类比法，选择分集技术中的业务速率分集技术、功率控制技术中的上行链路开环功率控制技术和自适应编码技术中的自适应纠错编码技术进行了探讨研究[3]。

4.1业务速率分集技术

所谓业务速率分集就是利用先进的数字压缩技术，在保证许可的业务质量前提下，通过压缩信源速率来降低门限要求，同时使用高速率来传输业务，当受降雨衰减影响并超过一定门限时，则采用低速率来传输业务，其代价是牺牲一定的业务质量和要求每条链路既可以工作于高速率也可工作于较低速率。例如，无降雨时传输高速率、大带宽的16Mb/s图像信号，降雨时则传输低速率、窄带宽的2Mb/s图像，甚至64kb/s语音，从而减轻或抵消降雨的影响。其原理如图2所示。

4.2 上行链路开环功率控制技术

上行链路开环功率控制是根据所获得卫星通信上行链路的降雨衰减值来相应地调整地球站的发射电平，以抵消降雨对电波信号产生的衰耗，使卫星转发器接收到地球站发射的信号电平与晴天时基本相同，减小了上行衰减对整个链路工作的影响。其原理如图3所示。

开环功率控制算法关键的部分，是上行链路衰减量的估算，首先，实时地估算出晴天信标参考值，即未受闪烁、雨衰和噪声影响的信标强度。然后，由于闪烁与雨衰分量功率谱不重叠，用滤波方法把实时信标的闪烁分量分离出来，再用雨衰和信标的合成分量减去晴天信标参考值就得到了慢变化的雨衰分量，最后，闪烁和雨衰分量各自经过频率转换后，相加得到30GHz上行信号总的衰减量。用信标作为参考信号的上行功率控制，其优点是可以较精确地进行功率补偿，但这种方法对信标的要求较高，如果信标不稳定、信标接收机有误差或者低噪声变频器LNB受温度影响发生变化，都可能产生较大误差。

4.3 自适应纠错编码技术

在实际的使用过程中，上行链路可以通过调整地球站发射功率来补偿雨衰的影响，而下行链路就要考虑到卫星是功率受限系统，仅仅使用增大功率的方法来补偿是不可取的，而且在不同的气候区域链路的雨衰有很大差异，即使在同一气候区域，随着环境气候及降雨的变化，雨衰强度的差别也非常大。例如，晴天时衰减大约为1-2dB，而暴雨天气时，信号的衰减最大值超过25dB。如果以固定的系统富余量去抵消雨衰的影响，那么晴天时就会造成功率资源的巨大浪费，而在暴雨天气的情况下又无法得到完全的补偿，使系统性能恶化，甚至造成通信中断，这就需要一种能够自适应的抵抗雨衰的技术对策。这种技术对策能根据天气条件和环境的变化而变化，使得接收信号电平维持在正常的水平，且又尽可能减少对系统其它性能的影响，本文主要介绍其中的一种—自适应纠错编码技术。

自适应纠错编码抗雨衰系统方案如图4所示。

接收站的信道质量检测部分通过监测下行链路信号的误码率或接收电平来判断接收站雨衰的大小，将检测结果一方面发送给发送端地球站，用以控制发送端地球站的可变速率编码器，确定采用哪种纠错编码方式；另一方面控制本站的可变速率译码器使之与发送端站对应。原理是：在满足链路传输质量的同时，尽量提高有效信息的传输容量。如当地球站B下雨时，其信道质量检测部分检测到下行链路信号受到雨衰影响，用检测结果控制码率选择部分改变本站的可变码率译码器的码率；同时将衰减信息通过反向卫星信道传送给发送端地球站A，改变A站的可变码率编码器的码率，以满足对编码增益的需要，实现自适应纠错编码。

五、结束语

Ka频段卫星通信的发展是卫星通信发展的重要方向和趋势，目前国外已基本处于商用阶段，国内由于建设相对起步较晚，还需要加大技术研究力度。研究与实践表明通信系统频率高于10GHz时，降雨会引起信号的严重衰减，而Ka频段的工作频段是30/20GHz，故将来在进行Ka频段卫星通信系统的设计和建设时，务必要重点考虑雨衰情况，通过借鉴国外成熟的抗雨衰技术，综合利用业务速率分集、上行链路开环功率控制、自适应纠错编码等技术，更大程度的改善Ka频段卫星通信可用度较低的现象，滿足我国社会高速率、大容量的宽带卫星通信需求。

参 考 文 献

[1]郑进宝.我国Ka频段卫星通信雨衰分析及抗雨衰技术[D].国防科学技术大学.2007。

[2]王成元，徐慨.卫星链路降雨衰减的测量及频率换算[J].无线通信技术.2010（2）.P37-39

[3]柳长源，杨龙.降雨衰减对移动卫星系统通信的影响及补偿[J].信息技术.2004（6）：22-24.