分集技术在Ka波段抗雨衰中的应用

陈金来

【摘要】 Ka波段卫星通信系统具有频带宽、干扰小、终端设备体积小等优点。由于Ka波段卫星通信系统使用的频率高，其雨衰较大，甚至会导致通信中断。采用分集技术，能够较为有效解决雨衰带来的影响。本文就分集技术在Ka波段抗雨衰中的应用进行论述。

【关键词】 Ka 波段 卫星通信 雨衰 分集技术

一、Ka波段卫星通信

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或者多个地球站之间进行的通信。[1]在卫星通信中采用Ka波段即为Ka波段卫星通信。

1.1 Ka波段卫星通信的优点

与C（6/4GHz）、X（8/7GHz）、Ku（14/12GHz）波段相比，在卫星通信中采用Ka（30/20GHz）波段，可用带宽更宽、通信容量更大，地面终端天线尺寸更小。在相同尺寸天线反射器下，Ka波段的卫星天线增益更高，获得的EIRP更高。Ka波段对地面通信系统的干扰更小，便于卫星的轨道位置和频率关系的调节。基于以上原因，Ka波段卫星通信系统在高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）等、直接到家庭（DTH）业务、特别是军事通信等领域得到广泛应用。

1.2 Ka波段卫星通信的缺点

对流层的气象环境会对信号造成的衰减，例如沙尘暴以及云、雨、雪、雾等水凝物产生的衰减效应，其中降雨产生的衰减尤为严重[2]，且随着频率的增加衰减越来越严重，与C、X、Ku波段相比，Ka波段卫星通信系统的雨衰更大，在大于0.1%的时间内对于30GHz的上行频率雨衰可超过40dB，对于20GHz的下行频率雨衰也将超过20dB。

二、雨衰

雨衰是电波在传输过程中穿过降雨区域时，雨滴对电波产生吸收和散射造成衰减。降雨过程对电波衰减是一个复杂的过程。雨衰大小与雨滴半径和波长的比值有着密切的关系，当电波的波长可以和雨滴的几何尺寸相比拟时，将引起雨滴共振，产生最大的衰减。Ka波段，下行频率达到20GHz，波长约为15mm，其波长与雨滴直径相对较接近，所以雨衰非常大。

2.1雨衰会引起信号电平衰减，降低接收信号电平

雨衰引起信号电平衰减表现在以下几个方面，一是雨滴吸收入射电波的部分电能，转换为热能消耗掉；二是雨滴作为二次辐射源把部分电波的能量散射到周围的空间；三是当雨滴的大小与波长构成一定的关系的时候，将产生折射，折射率的变化，将引起电波的吸收。除此之外，对电波的影响还与雨滴的密度，雨区范围的大小等有密切关系。通常地球站的天线盖有屏蔽罩，雨点在半球形的罩子上，形成一个固定厚度的水层，这个水层吸收和反射电波，也会引入损耗。

2.2雨衰会增加系统噪声温度，降低接收系统的品质因数

天线噪声温度是天空噪声温度的函数，降雨在效果上增大了地球站的接收系统噪声温度。用T0表示雨点温度，A0表示降雨衰减，那么带宽B内的有效噪声功率就是kT0B。通过衰减因子为A0的雨区后，噪声功率为kT0B/A0。降雨吸收的功率为kT0（1-1/A0），因此，由衰减因子A0引起的噪声温度增量为△T=T0（1-1/A0）。如果衰减A0很大，则T近似等于雨点的温度T0。实际上雨点温度通常取273K。降雨引起的噪声温度增量，将直接附加在地球站的噪声温度上，从而降低接收系统的品质因数。

三、分集技术

分集抗衰落的原理是把携带相同信息的信号发向若干个互不相关的衰落信道，接收机又能获得这些携带相同信息的不相关的衰落信号的解调信号，并进行选择或合并，那么将大大减小衰落的影响。分集接收的理论基础认为信号各样本所受的干扰情况不同，能够从这些样本中挑选出受干扰最小的信号或综合出高信噪比的信号来。分集技术要求各衰落信号间不相关或相关性很小，实际上两个不相关信号在任一瞬间均发生衰落的机率是很小的。

3.1位置分集技术

引起严重衰减的大暴雨在空间范围上是有限的，严重的降雨导致的衰减在两个距离较远的地球站是互不相关的。如果两个接收站位置相隔越远，其同时经历较大降雨的概率就越小，即某一接收站经受较大降雨同时另一地球站也经历较大降雨的条件概率对应越小。这样两个地球站同时中断的概率就远小于一个地球站的中断概率，从而增加了链路的可靠性。

在多雨地区或地球站天线仰角很低的地区，降雨衰减非常大，在这种情况下，采用位置分集技术是行之有效的。在相隔一定距离的两个地点设置地球站，并切换到降雨衰减小的地球站进行通信。实际上降雨一般是区域性事件，较大的降雨量事件往往发生在几平方公里范围内的小“降雨区”，而小降雨量事件则覆盖较大的地域。由于降雨仅仅在大气层底层发生，所以当地球站之间的距离比降雨区覆盖地域大时，则两地球站与卫星之间的路径衰减统计独立。使其统计独立的最小距离是降雨区大小及卫星仰角的函数，典型的数值为10km。位置分集技术正是利用了这一特性，将一条通信链路分配给两个地球站，利用地面链路的分集处理器，对两个终端进行择优。如果其中有一个地球站的衰减超过了功率储备，那么至少还有另一个地球站可以使用，这样使得链路可用度得到了保障。位置分集技术示意图如图1所示。

位置分集技术需要在一条链路上分配两个地球站，还需要额外的地面链路设备，将导致通信系统投资较高。在降雨衰减不是很严重的地方或对系统可用度要求不是特别高场合，不宜采用位置分集技术。

3.2频率分集技术

雨衰随着频率的增加而增大。频率分集技术使用高频段来传输大部分业务，当链路受雨衰影响并超过一定门限时则采用低频段来传输。正常情况下系统都使用高频段，当有降雨事件且使该频段的储备余量不足以克服雨衰减时，则自动切换到较低频段。因此，频率分集技术只能应用于每条链路既可以工作于高频段也可工作于较低频段的通信系统[3]。频率分集技术如图2所示。

3.3速率分集技术

传输速率越高对链路质量要求也就越高。速率分集技术使用高速率来传输大部分业务，当链路受雨衰影响并超过一定门限时则采用低速率来传输。通信系统每条链路既可以工作于高速率也可工作于较低速率时，就可以采用速率分集技术减小雨衰的影响。速率分集技术示意图如图3所示：

四、小结

Ka波段卫星通信系统虽然具有频带宽、干扰小、终端设备体积小等优点，但其雨衰比较大，通信中断时有发生。采用分集接收技术可以提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高20dB到30dB。分集技术投资相对较低廉，但可以大幅度的改进卫星通信链路性能。

参 考 文 献

[1]姚军，李白萍.数字微波与卫星通信[M].第一版.北京：北京邮电大学出版社，2014年，P2。

[2]熊浩.无线电传播[M].第一版.北京：电子工业出版社，2000年，P487-531。

[3]柳长源，杨龙，卢迪.降雨衰减对移动卫星系统通信的影响及补偿[J].信息技术，2004，28（6）：19-20，40.