民航Ku衛星通信系統雨衰的補償措施

+ 張峰俊 東北空管局

一、雨衰的產生

當無線電波穿過降雨的區域時，雨不僅會吸收無線電波的能量，而且還會對它產生散射。這種吸收和散射共同形成無線電波的衰減，散射還能導致大范圍無線電干擾，并對無線電波有去極化效應，我們稱這些衰減和干擾為雨衰。

雨衰的大小與雨滴直徑、與波長的比值有著密切的關系。當信號的波長比雨滴大時，散射衰減起決定作用；當信號的波長比雨滴小時，吸收損耗起決定作用；無論是吸收還是散射作用，其效果都使電磁波在傳播過程中遭受衰減。當電磁波的波長和雨滴直徑越接近時，雨衰越大。

一般情況下（比如中短波）電磁波的波長遠大于雨滴直徑，故衰減很小，因此C頻段信號（4-6GHz）受雨衰的影響也可以忽略。但對于10GHz以上的電磁波（Ku頻段信號的頻率為12-18GHz），雨衰的影響就非常明顯了。頻率越高，雨衰的影響越大，大雨和暴雨對電磁波的衰減要比小雨大很多。

二、民航Ku衛星通信系統雨衰的補償措施

雨衰的補償通常可以采用提高設備硬件指標及性能的方法，比如上行鏈路雨衰靠增加上行功率來補償，下行鏈路雨衰通過增大天線口徑來補償。對于民航Ku衛星通信系統而言，它采用了以下幾種措施來補償電磁波的雨衰。

1.鏈路的衰減余量

鏈路的衰減余量是傳統通信鏈路設計中常用的方法。如C頻段衛星通信鏈路通常留3dB余量，Ku頻段衛星通信鏈路通常留6dB余量。民航Ku衛星通信系統在發射方向上一共有Modem板的發射中頻、外接衰減器的數量和ODU的發射增益3個衰減量調整點，在接收方向上有外接衰減器的數量和ODU的發射增益2個衰減量調整點。這樣就能夠充分保證整個Ku衛星通信系統有足夠的鏈路衰減余量。

2.上行鏈路功率控制（ULPC）

上行鏈路功率控制是利用本站發出的信號或衛星的信標信號，通過一定算法推算出上行鏈路的降雨衰減值，從而相應的增加地球站的發射功率，抵消上行鏈路的降雨衰減，使得雨天到達衛星接收機的信號電平信噪比基本保持和晴天的一樣。

上行功率控制的方法一般都是調整中頻信號的電平，從而改變高功放的輸出功率，使上行功率隨著雨衰的大小而改變，達到功率補償的目的。上行功率控制主要是通過參考信號的選擇和補償算法實現，其中參考信號的選擇是為了使衛星的輸入功率為可確定的值。利用參考信號可以估算降雨衰減量的大小，參考信號可以是信標也可以是空間的噪聲溫度。

民航Ku衛星通信系統的上行鏈路功率控制是利用信標信號作參考的控制信號，來控制上行鏈路功率控制器中頻單元的增益或衰減量，根據信標的大小自動地調節電控衰減器的衰減量，使中頻電平隨著雨衰量變化，進行適當的功率補償。

3.采用編碼及降速率技術

在雨衰較大時，可以采用前向糾錯編碼技術（FEC）來減小傳輸的誤碼率。通過減小編碼率來獲得編碼增益的提高，如編碼率為1/2的卷積碼，當采用維特比譯碼時，其編碼增益可達5dB。當然減小編碼率也必須有個限度，一方面當編碼率減小到一定程度時，若進一步減小編碼率，多獲得的編碼增益將改善很小；另一方面減小編碼率會導致系統容量的減小。

此外，還可以通過自適應速率降低技術（ARP）來克服雨衰的影響，通過減少衰減信道的數據速率來增加信道容量，降低速率所帶來的增益與降低后的速率成正比，例如速率減少至1/4時，增益為5dB。

使用糾錯編碼和降速率技術，可以補償不同程度的雨衰；但隨著深度的增加，有效可用容量減少。這里，民航Ku衛星網采用的是維特比編碼和FEC1/2糾錯方式。

4.極化方式的選擇和天線的選擇

不同雨滴形狀對信號的衰減也不相同。隨著雨滴體積的增大，雨滴在水平方向的直徑也逐漸增大。此時，相比于對垂直極化波的衰減，雨滴對水平極化波的衰減更大，這也意味著在10GHz以上的頻率中，垂直極化波比水平極化波的抗雨衰性能要好。

根據公式G=10lgη(πD/λ)2可知，接收天線的增益與接收天線的口徑有著直接的關系，因此適當加大接收天線的口徑，可以較明顯地提高天線增益。口徑越大，其增益越高，系統覆蓋范圍越大。民航Ku衛星通信網采用的是上行水平極化、下行垂直極化的極化方式，一類站天線尺寸為4.5米，足以保證天線的接收增益。

5.采用低噪聲高增益的優質低噪聲放大器

現用于接收Ku頻段衛星信號低噪聲放大器，一般噪聲系數為0.8dB，噪聲系數在0.6dB便是十分低的噪聲，如使用噪聲系數為0.7dB，其增益可達到60dB。如果受某些因素的制約，而不想或無法去增大接收天線的口徑，可首先考慮使用低噪聲高增益的優質低噪聲放大器，而且這要比增大天線口徑的成本低。民航Ku衛星通信網一類站的低噪聲放大器采用的是AnaSat公司生產的LNC，其噪聲系數為0.7dB。

三、小結

與C頻段衛星通信系統相比，Ku頻段衛星通信系統具有天線尺寸小、波束窄、抗地面干擾好等優點，但是由于雨衰使得Ku頻段衛星傳輸信號的衰減很大。民航Ku衛星通信系統在設計上采用優質的低噪聲放大器、4.5米的天線、充分的鏈路衰減余量以及上行鏈路功率控制等技術，使得Ku頻段雨衰大的問題在一定程度上得到了補償。