對Ku波段衛(wèi)星應用組網中雨衰影響的研究和處置

趙國順 劉志巍 金琪 王曉 梁功權 韓晶

本文論述了衛(wèi)星通信中雨衰現象和對抗雨衰的研究與處置效果。通過雨衰大小的估測和計算闡述雨衰影響，參照衛(wèi)星通信系統(tǒng)在河南地區(qū)的實際應用情況，說明了通過前向糾錯編碼技術和功率自動控制等對抗雨衰的措施和方法可有效控制減小雨衰。

【關鍵詞】衛(wèi)星通信 雨衰測算 控制措施

1 引言

隨著衛(wèi)星通信應用行業(yè)的日漸推廣，衛(wèi)星通信在各個領域尤其在應急指揮行業(yè)正迅速發(fā)展，實時不間斷通信是整個系統(tǒng)的關鍵，衛(wèi)星通信受天氣等自然條件影響的客觀現實就顯得不容忽視。作為近年我國應用較多的一個波段，Ku波段（12GHz-18GHz）的波長和雨滴的線度接近，雨衰問題就顯得格外突出，因此對Ku波段衛(wèi)星通信中雨衰大小進行估測計算很有必要，這種估測計算可以給衛(wèi)星上行通信站和各地面衛(wèi)星接收系統(tǒng)的工程應用設計提供必要的參照信息。

2 雨衰影響的計算分析

2.1 雨衰現象和影響

雨衰，即降雨衰減，是指電磁波在空間傳播時由于降雨的影響造成的雨滴吸收和散射而產生的衰減。當電波穿過降雨的區(qū)域時，由于雨衰鏈路丟包率增大，而對于強降雨情況，其誤比特率有時會非常大。雨衰的大小和雨滴半徑與波長的比值有著密切的關系，實測結果表明雨滴的半徑約在0.025cm～0.3cm之間，而Ku波段內電波的波長在2.5cm左右，由于兩者數值較為接近，故雨衰對電波產生的吸收衰減較大。

2.2 降雨噪聲

雨衰對電波產生的吸收衰減也會對地球站產生熱噪聲影響，這種降雨噪聲折合到天線接收系統(tǒng)等效為天線熱噪聲，極大的影響接收信號的載噪比。降雨噪聲可以用公式（1）來計算：

（1）

其中：R為雨衰值（dB）；W為饋源到LNB間的波導損耗（dB）；Train為雨的溫度（K）。由公式（1）可以分析出：當雨衰為0時，噪聲溫度不會增加；波導損耗為0時，噪聲溫度只和降雨衰減量有關。噪聲溫度的增加會直接影響到接收信號的載噪比，對信號可用度的影響甚至比降雨衰減更明顯，因此在鏈路計算時必須考慮其影響。

2.3 雨衰大小的計算和分析

雨滴的物理模型、降雨量、電波的極化方向、工作波長、接收地點的位置及海拔高度等是影響雨衰大小的相關因素，而雨滴的模型和降雨量又因地而異，故而雨衰大小的估測較為復雜，但仍可通過以下公式進行計算作為參考。

每年0.01%時間內可超過的降雨衰減量A0.01可由公式（2）求出：

A0.01=gRLsr0.01（dB） （2）

其中，Ls為穿過雨區(qū)電波傳播的斜路徑長度（km），r0.01為縮小因子，它們分別由公式（3）（4）（5）（6）給出：

Ls=（hr-hs）/sinθ（km） （3）

式中，hr為雨區(qū)的有效高度（km），它與接收地點的緯度δ有關，hs為接收地點的海拔高度（km），θ為接收天線仰角。

0<δ<36°時，hr=3+0.028δ；

δ≥36°時，hr=4-0.075（δ-36） （4）

（5）

式中，L0=35exp（-0.015R0.01） （6）

每年p%時間內可超過的衰減量Ap則可由公式（7）求出：

（7）

其中，0.001

以亞洲4號衛(wèi)星（122°E）Ku轉發(fā)器為例，鄭州地區(qū)年平均0.01%時間的降雨量為49mm/h，年平均0.1%時間的降雨量為12mm/h，計算可得到在鄭州地區(qū)使用亞洲4號衛(wèi)星Ku波段的可用度和雨衰的對照情況，見表1。

針對Ku波段短時間內暴雨的衰減量會造成通信線路暫時中斷的情況，在Ku波段衛(wèi)星應用設計中有必要采用對抗措施在一定程度上解決雨衰的問題。為了保證高達99.9%的使用率（與0.01%的中斷率等價），在Ku波段中整個系統(tǒng)的G/T值要留有較大的余量。

3 對抗雨衰的方法和措施

常用對抗雨衰的措施有在通信鏈路中備份余量、前向糾錯技術、降低速率技術、發(fā)射功率自動控制技術、天線口徑和極化方式的選擇、多站址分集技術等。

考慮Ku波段抗雨衰策略時，首先應準確得到某一特定區(qū)域如河南地區(qū)的降雨量，它要求進行長期的觀察測量，得到長期連續(xù)的降雨實測數據（如連續(xù)多年的分鐘降雨率），獲取該區(qū)域在一定時間內精確的降雨特性，并通過實測數據，計算該區(qū)域的降雨衰減，通過迭代、補充完善降雨統(tǒng)計特性，以獲取該區(qū)域在各種條件下降雨衰減的真實情況，在此基礎上針對性地采取抗雨衰策略，現結合筆者在河南地區(qū)應用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的情況進行分析。

3.1 前向糾錯技術

采用前向糾錯編碼技術（FEC）來減小傳輸的誤碼率，是對抗雨衰簡單易行的一個方法。FEC是利用數據進行傳輸冗長信息的方法，當傳輸中出現錯誤時，將允許接收器再建數據，它通過對比特流進行前向糾錯編碼來糾正接收數據比特流中的差錯。在DVB-S標準中，前向糾錯FEC值，通過運用糾錯技術適當控制編碼率，可在一定程度上改善編碼增益。我們在“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中即采用了前向糾錯編碼技術，前向糾錯FEC設置為3/4，它表示在該速率的總數中，占速率3/4的比特流為有效速率，1/4的比特流為糾錯碼，此時其編碼增益可增加大致3dB。

3.2 自適應速率降低技術

自適應速率降低技術來克服雨衰產生的影響也是十分有效的方法，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和速率減少成正比，當速率減少時對端接收增益會隨之提升。在發(fā)射功率等其他條件不變時，發(fā)射速率減少為一半時對端接收增益Eb/N0可增大3dB，即若發(fā)射速率為1024bps時，對端Eb/N0為6dB；發(fā)射速率改為512bps時，對端Eb/N0大致增為9dB。當然此時應結合衛(wèi)星應用網絡，對所傳音視頻等速率帶寬和格式進行相應減小和改變，否則會由于帶寬不足而引起鏈路堵塞。

3.3 選擇使用低噪聲高增益LNB

對于衛(wèi)星接收站來說，提高可用度的方法是采用更低噪聲的LNB，其直接關系著天線接收增益。在Ku頻段接收系統(tǒng)，一般可選擇噪聲系數在0.6dB～0.7dB的低噪聲LNB，其增益可達到60dB以上。

如果受車載系統(tǒng)車頂面積和行車等某些因素的制約，不適合運用增大接收天線的口徑等手段改善增益，可首先考慮使用低噪聲高增益的優(yōu)質LNB。我們在建設車載“動中通”指揮系統(tǒng)和其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)中均采用了低噪聲LNB，參數見表2，車載“動中通”天線口徑僅為0.8米，事實證明低噪聲LNB可使天線接收增益顯著增大，有效彌補天線口徑小的不足，在一定程度上增加了鏈路余量，在系統(tǒng)設計尤其是車載運用時可結合成本因素考慮選擇。

4 結束語

系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和可靠性一直是衛(wèi)星通信的重點和難點，衛(wèi)星通信會受云層遮擋、雨雪天氣、太陽活動等自然條件影響也是一個客觀事實。因此，在系統(tǒng)設計時需要充分考慮雨衰現象，依據各地區(qū)實際情況，對雨衰大小進行測算分析，采用有效對抗雨衰的措施減小降雨造成的不利影響，增強衛(wèi)星通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻

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[2]楊運年.降雨對Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響及其對抗措施[J].通訊世界，1998（10）：32-3.

作者簡介

趙國順（1983- ），男，工程師，畢業(yè)于中南大學信息科學與工程學院電子信息工程專業(yè)。研究方向為衛(wèi)星通信應用。

作者單位

中國電子科技集團公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047