Ka波段卫星通信雨衰信道模型改进与仿真

周文婵，梅进杰

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

Ka波段卫星通信雨衰信道模型改进与仿真

周文婵，梅进杰

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

由于Ka波段卫星数传信道存在的降雨衰减问题，针对国际电信联盟(ITU)模型的缺点给出一种改进方式，相对ITU模型计算简便、估计精确。以典型地面站为代表，仿真分析了影响雨衰的主要因素以及不同频段的雨衰情况，具有实际意义。

Ka波段卫星；雨衰；平均降雨量

0 引 言

在传统的宽带卫星通信系统中，卫星大多工作在S波段(2～4 GHz)、C波段(4～8 GHz)和Ku波段(12～18 GHz)，主要针对的是卫星固定业务以及卫星直播业务[1]，但由于传统卫星通信频段目前已经十分拥挤，并且人们对通信质量的要求也越来越高，传统的卫星通信频段已经无法满足市场的需求，现今已采用的Ka波段(20～40 GHz)宽带卫星有效缓解了由于波段狭窄带来的拥挤问题，并具有传输能力强、潜在干扰小等优点。国际上红外预警卫星现阶段采用的就是Ka波段和X波段协同的模式，满足了相应的军事需求。

采用Ka波段传输数据解决了高速数据传输的问题，但是较高的通信频率同传统通信相较而言存在衰减大的问题，尤其是降雨衰减对其影响尤为突出。这是由于降雨衰减量的大小取决于雨滴半径和传输信号波长，当信号波长和雨滴半径越接近时，雨衰的影响就会越大。

传统的传输模式大多数采用较低的频率，如S或者C波段波长分别是75～150 mm和37.5～75 mm。而雨滴的半径大约在0.25～6 mm，同S、C波段波长相比差距较大，这样在传统波段传输中雨衰的影响相对较小，即便选用了较高频段的Ku波段(12～18 GHz)，其波长为16.7～25 mm，相对来说雨衰对其影响仍不算很大[2]。但是在Ka频段数据传输中，Ka波段的频率为27～40 GHz，其波长仅为7.5～11.1 mm，已经相当接近雨滴半径，雨衰对Ka波段的信号传输影响很大，有的甚至可以达到30～40 dB，不能再象传统的传输方式那样对其忽略。因此，本文针对Ka波段卫星通信的特点进行了降雨衰减分析，并对其信道模型进行建模仿真。

1 雨衰模型建立

1.1 模型建立背景

在实际环境中，由于降雨量的随机性和不确定性导致了传输信道中信号衰减的随机性，因此需要对地区的降雨量进行合理模拟估计。经过翻阅大量文献可以发现，卫星链路雨衰模型的建立有很多种方式，其中一部分是采用准确的估算模型，建立其状态变化马尔科夫链，通过效能评估直接计算出影响因素的权重[3]。还有一部分是建立通信信道统计模型，利用高斯分布计算其概率密度函数[4-5]。此类方法的缺点是繁杂冗长，计算量大。

本文用单点降雨量计算长期雨衰数据，这种方式是以概率超过0.01%的平均降雨量R0.01(mm/h)(积分时间为1 min)来衡量地区降雨量的多少，对大量的实测数据进行统计回归，推算公式以此来衡量其在不同地区的长期平均降雨衰减。

1.2 平均雨衰预测模型

1.2.1 国际电信联盟(ITU)模型

对大量实测数据进行统计回归，雨衰率可以表示为传输路径上单位距离的衰减量γR(dB/km)：

γR=k(R0.01)α

(1)

式中：R0.01为概率超过0.01%的年平均降雨量(mm/h)；k、α均为f()的函数；可以表示为：

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos2τ]/2

(2)

α=[kHαH+kVαV+(kHαH-kVαV)cos2θcos2τ]/2k

(3)

这里，f取1～1 000 GHz，τ可以取0°、45°和90°(分别表示水平极化、圆极化和垂直极化方式)，计算中取圆极化方式，相对水平位置极化斜角τ=45°。

将计算出的水平极化系数、垂直极化系数代入式(1)中，就可以计算出相应衰减量γR。那么，假定信号的传播路径是L(km)，传输过程中的降雨均匀分布，总雨衰量就可以通过积分算出：

(4)

但实际中，在整个传输路径上的降雨量并非是均匀的，ITU模型在一个给定点，在0～55 GHz以内频率范围对倾斜路径上的长期雨衰统计进行评估。图1所示为地-空路径上给定衰减预测过程输入参数的示意图。其中hs为地球站在平均海平面以上的高度(km)，θ为仰角(°)，hR为降雨高度(km)，LS为倾斜路径长度(km)，LG为倾斜路径的水平投影(km)。

高于平均海平面的年均降雨高度hR可以表示为:

(5)

这里，地球纬度φ的正负表示该地区南北半球的位置(正为北半球，负为南半球)。倾斜路径长度LS为：

(6)

式中：若hR-hs≤0，则表示雨衰在任何时间百分比上都为0。

那么，倾斜路径的水平投影LG为：

LG=LScosθ

(7)

特定衰减γR(dB/km)为：

γR=k(R0.01)α

(8)

将式(2)和式(3)代入式(8)中，可以得出0.01%时间内的水平换算函数r0.01和0.01%时间内的垂直调整系数v0.01：

(9)

(10)

(11)

(12)

若地球站纬度|φ|<36°，χ=36-|φ|；否则，χ=0。

有效路径长度为:

LE=LRv0.01

(13)

将式(8)和式(13)相乘得到预计衰减超过年均0.01%时间的值：

A0.01=γRLE

(14)

计算预计衰减超过年均其他百分比(p取0.001%5%)情形，由预计衰减超过年均0.01%时间决定:若p≥1%或|φ|≥36°，β=0;若p<1%或|φ|<36°及θ≥25°，β=0.005 (|φ|-36)。否则：

β=-0.005(|φ|-36)+1.8-4.25sinθ

(15)

那么，其他时间概率(p取0.001%至1%)的衰减值(dB)为：

(16)

1.2.2 ITU模型的改进

ITU模型考虑在水平和垂直2个方向上的不均匀性，分别计算了水平和垂直方向上的系数，该方式不仅过程十分繁杂，而且在计算降雨路径时，当r0.01≥1或是v0.01≤1时，LR不再随路径多段因子变化，LR=Ls，这样导致计算的有效降雨路径比真实有效降雨路径要小，从而使得最终的衰减量偏小。因此，结合目前的实测数据，并综合考虑2个方向上的不均匀性，直接计算路径因子，不再分别计算水平和垂直方向的路径缩短因子，计算如下：

(17)

通过计算路径因子，将式(17)代入直接计算出0.01%的降雨衰减量：

A0.01=γRLsr0.01

(18)

那么改进后的外推公式可以表示为：

AP=

(19)

2 平均雨衰预测模型仿真

为了满足通信数据的需求，我国国内分布着大量地面站(其中包括测控站和数据通信站等)，主要包括65个重要地面站，这里选取4个典型位置处的地面站作分析，分别是位于新疆的喀什、北京、东北的佳木斯和广州。

记典型站经纬度为(φi,ψi)(i=1,2,3)，卫星定点经度φ0=145°，站点仰角计算[6]为：

(20)

那么，3个站点的仰角θi及站点地0.01%概率的年均单点降雨量R0.01见表1,不同频率下参数kH、kV、αH、αV的取值见表2。

表1 站点仰角值及0.01%概率年均单点降雨量

表2 不同频率下参数kH、kV、αH、αV的取值

2.1 模型性能比较

在ITU模型和改进模型下，分别在北京站下行链路传输(20 GHz)中进行仿真并与实测数据对比，见图2。

很显然，在图2中就可以看出，改进后的模型相对于ITU模型更接近于实测数据。该模型不仅计算简便，且模型估计准确，更有利于接下来的仿真。

2.2 基于改进模型的站点仿真

在改进模型下分别对喀什、北京、佳木斯、广州4个站点进行下行链路(20 GHz)时的仿真，可以得到其他降雨时间概率p(取值从10-5至10-2)与降雨衰减AP(dB)的曲线，见图3。

从图3可以看出，不论什么地区，降雨衰减量AP的大小都是随降雨时间概率p增大而减小的。但是对于不同地区来说，在相同的降雨时间概率条件下，降雨强度越大，其衰减就越厉害。在降雨时间概率都为10-4时，降雨量最小的喀什站仅有7 dB左右，其次是佳木斯站有17.2 dB，北京有23.7 dB，降雨量最大的广州将近40 dB。这几个站点的经纬度、仰角虽有不同，但决定雨衰程度的是降雨量的大小。我国重要的65个站点中，像广州等降雨量充沛的地区显然降雨衰减量会大大增加，严重影响了Ka波段卫星链路数据传输，甚至可能会直接导致通信中断。

此外，由于Ka波段卫星的工作频率范围在20～40 GHz，范围浮动较大，同一卫星在上下行链路使用的频率范围也不相同。以佳木斯站为例，其工作频率在上行30 GHz、下行20 GHz条件下，采用圆极化的方式，对该站降雨衰减量随频率变化进行仿真，结果如图4所示。

很显然，在其他降雨时间百分率一定的条件下，站点的降雨衰减量随传输信号频率的增加而增加，并且增加趋势明显。如图4所示，Ku波段信号(10～15 GHz)在该站的传输过程中最大的衰减量仅在10 dB左右，而同等条件下Ka波段信号(20～30 GHz)却有近30 dB的衰减，因此Ka波段信号数传中不能忽略雨衰对其影响。即使是在Ka波段的传输条件，在相同降雨时间概率条件下，该站点上行链路的降雨衰减比下行链路的降雨衰减要大得多。在降雨时间概率为10-4时，该站上行链路降雨衰减达到了29.8 dB，几乎比下行链路降雨衰减量增加了1倍。

3 结束语

本文以概率超过0.01%的平均降雨量R0.01来衡量地区降雨量的多少，通过改进ITU模型解决了ITU模型路径因子适用范围受限的问题，并达到运算简便、估算精确的目的。利用改进模型分析几个典型站点的实际情况，对其进行仿真。仿真结果表明雨衰的主要影响因素是工作频率和该地降雨量的多少，因此Ka波段的抗雨衰技术是目前研究的热点。下一步将结合现有的站点分集抗雨衰技术进行效能评估，并对原有方法进行改进，简化计算。

[1] 王中果.低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究[J].航天器工程，2013,22(1):72-73.

[2] 翟政安.Ka频段卫星通信链路雨衰对策[J].中国空间科学技术,2010,6(3):55-62.

[3] 郭业才.一种综合气象因素的Ka波段卫星信道模型建模方法：201310089516.3[P],2013-07-03.

[4] LI W Z.Ka-band mobile satellite channel model:with rain attenuation and other weather impairments in equatorial zone[C]//IEEE Vehicular Technology，2000:2468-2472.

[5] LI W Z.Ka-band land mobile satellite channel model incorporating weather effects[J].IEEE Communications Letters,2001(6):194-196.

[6] 林淑鲜.Ka波段宽带卫星通信系统信道估计技术研究[D].成都：电子科技大学,2013.

ImprovementandSimulationofRainAttenuationChannelModelforKa-bandSatelliteCommunication

ZHOU Wen-chan,MEI Jin-jie

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

Because of the rain attenuation in Ka-band satellite data transmission channel,this paper gives an improved mode aiming at the shortcomings of international telecommunication union (ITU) model.relative to ITU model,the mode calculation is simple and the estimation is accurate.The typical ground station is taken as representation,then the main factors affecting rain attenuation and the rain attenuation in different frequency bands are simulated and analyzed in this paper,which has practical significance.

Ka-band satellite;rain attenuation;average rainfall

TN927

：A

：CN32-1413(2017)04-0028-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.008

2017-03-22