Ka頻段衛星動中通鏈路雨衰預測與對策分析

劉 杉，江衛民，文鄭杰，宋忠海，周 偉，張建勛,2

(1.中國人民解放軍96751部隊，遼寧 大連 116000;2.火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

0 引言

雨衰是指電磁波進入雨層后引起的衰減，主要包括雨粒散射和吸收導致的衰減[1]。Ka頻段上行信號頻率一般在30 GHz左右，這個頻段的信號波長和雨滴直徑相近[2]。因此，Ka頻段下降雨時電磁波產生的衰減更大，嚴重時甚至會產生通信中斷[3-4]。衛星動中通常安裝于運動載體上，其通信鏈路受周圍環境(特別是降雨)的影響更為顯著[5]。

為了保證通信質量，傳統的衛星通信系統往往會按照最嚴重降雨損耗為系統預留一定的備用余量，使整個鏈路能補償雨天最壞情況下的降雨衰減。但降雨是一個隨機事件，由降雨而帶來的信號衰減也隨地域的不同和降雨量的多少而不同。若一年中很少時間里才能用到這些備用余量，就可能會造成資源浪費[6-7]。與之相反，若在信道鏈路狀態太差的時候又得不到補償，則可能造成信號受損甚至中斷。鑒于此，合理設計衛星動中通鏈路通信系統，就必須較為準確地估算降雨的衰減值。

針對以上問題，本文基于ITU-R降雨衰減預測模型，根據雨量的大小不同，對Ka頻段衛星通信鏈路的影響進行分析，基于實測數據，分別從改變調制方式、傳輸速率、上行功率控制等方面給出了解決對策。

1 降雨衰減原理分析

目前，在已有的降雨衰減估算方法中，基本思路主要是按照不同的時間概率，估算最大雨衰量的統計值，差別只在于雨區、降雨強度和降雨高度等的取值不同。本文主要基于經典模型ITU-R P.618-11來研究降雨衰減的預測問題[8]。

眾所周知，Ka頻段下衛星通信鏈路的降雨衰減受到該城市的經緯度、降雨強度、極化方式、工作仰角、衛星經度、工作頻率等很多因素的影響[9-10]。鑒于此，首先確定所研究城市的地理位置，根據當地氣象部門得到超過降雨衰減的時間百分比p=0.01%(1 min累計時間)時的降雨率[1]，定義為R001(mm/h)。然后，基于ITU-R P.618-11降雨衰減預報模型和該城市的相關地理參數[11]，便可以計算出p=0.01%時間概率降雨衰減值A001：

式中，γR為衰減率(dB/K)；Le為電波穿過的有效路徑長度；R001為超過降雨衰減的時間百分比p=0.01%(1 min累計時間)時的降雨率(mm/h)。此外，需要注意的是，系數k，α是關于頻率、仰角和極化傾角的函數，可利用所關注頻率的回歸系數kH、kV、αH、αV計算得到，具體如下：

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos2τ]/2，

(2)

α=[kHαH+kVαV+

(kHαH-kVαV)cos2θcos2τ]/2k，

(3)

式中，θ為路徑仰角(°)；τ為線性極化傳輸相對于水平面的極化傾角(°)。對于圓極化，則有τ=45°。

另外，對于其他超過降雨衰減的時間百分比的p(0.001%～5%)值，其衰減預報Ap可通過下式計算得到：

lnAp=lnA001-[0.655+0.033lnp-

0.045lnA001-β(1-p)sinθ]lnp，

(4)

式中，

(5)

這樣，便得到了任意p取值下衰減預報Ap的求解方法。

2 雨衰預測分析

為了進一步定量探究降雨衰減對動中通鏈路通信產生的影響，本文以西安地面為例開展分析，具體衛星參數為：衛星選擇亞太7號，其軌道位于105°E，工作頻率為30 GHz(動中通作為發射端)/20 GHz(動中通作為接收端)，有效地球半徑為8 500 km，圓極化，τ=45°。此外，西安地區地面站的地理參數如下：超過降雨衰減的時間百分比p=0.01%時的降雨率為R001=22 mm/h，緯度為34.27°N，經度為108.9°E，海拔為0.872 km，仰角為50.01°[12]。

根據ITU-R雨衰預測模型，在20 GHz(動中通作為接收端)、30 GHz(動中通作為發射端)頻率下仿真該地區的降雨時間百分概率p和所對應的雨衰值Ap的關系曲線如圖1所示。

圖1 西安地區降雨損耗曲線Fig.1 Rain loss curve in Xi’an

由圖1可以看出，對于同一個地面站，降雨衰減隨著工作頻率的增大而增大，在降雨百分概率p=0.01%的條件下，20 GHz(動中通作為接收端)下最大損耗達8 dB，30 GHz(動中通作為發射端)下最大損耗達17 dB。

進一步，根據ITU-R雨衰預測模型，便可得到在20，30 GHz頻率下西安地區不同降雨類型產生的衰減值，表1給出了動中通分別在20 GHz(作為接收端)和30 GHz(作為發射端)時，不同降雨類型下的衰減值。

表1 不同降雨類型下的衰減值

由表1可以看出，在不同的降雨類型下，其雨衰值差異較大。例如，在20 GHz的工作頻率下，細雨所產生的降雨衰減只有0.065 dB，而大雨時所產生的衰減則可以達到7.15 dB。

3 降低雨衰影響策略

如前所述，電磁波進入雨層會發生衰減，即雨衰。給衛星通信鏈路上的電波信號產生不良影響，特別Ka頻段下降雨對電磁波產生的衰減更大，導致通信質量的大幅度下降，甚至通信中斷[12]。因此，必須采取有效的措施來避免或者降低雨衰的影響。針對雨衰的基本原理與特性，本文主對以下4種策略進行討論與分析。

3.1 改變調制方式

改變調制方式，可以使衛星在不同傳輸信道條件下能夠充分利用帶寬、降低信息傳輸速率并減小用戶接收機誤碼率。使信道條件較差的用戶在較低的傳輸速率下正常通信，充分利用信道資源，提高系統的整體吞吐量。表2給出了動中通分別作為發射端和接收端時，不同調制方式下對鏈路余量產生的影響。

表2 不同調制方式對余量的影響

由表2可以看出，動中通作為發射端時，改變調制的方式對鏈路余量的影響并不大，且晴天的情況下鏈路余量仍為負值，顯然改變調制方式無法解決通信中斷問題。相比之下，動中通作為接收端時，BPSK明顯優于其他2種方式，說明了改變調制方式可以提高鏈路余量。

進一步，本文給出了不同降雨量下，動中通作為接收端，改變調制方式對鏈路余量的影響，如圖2所示。

圖2 不同調制方式下降雨量對鏈路余量影響Fig.2 Influence of rainfall on link margin under different modulation methods

由圖2可以看出，當動中通作為接收端時，將8PSK變為QPSK，鏈路余量可提高約1.2 dB，將QPSK變為BPSK，其鏈路余量可提高1.6 dB。在小雨、中雨的情況下，采用低階的調制方式可以有效地解決雨衰導致鏈路余量不足而產生的衰減問題。但是隨著雨量的繼續增大，在大雨甚至雨量更大的情況下(雨量大于12 mm/h)，即使改變調制方式，鏈路余量均為負值。這說明了僅僅通過改變調制方式無法完全解決雨衰帶來的影響。

3.2 改變編碼方式

采用糾錯編碼的目的主要是通過降低系統的門限要求來減輕降雨的影響，在一定程度上可以轉變傳輸誤碼率，通過降低編碼率可以有效提高編碼增益，這種方法在雨衰較大的情況下較為有效。

例如，編碼率為1/2的卷積碼，通過維特比譯碼可以將編碼增益調整為5 dB。但是，編碼率的降低不是無限的，存在一個限度，如果超出該限度，再繼續降低編碼率也很難獲得更多的改善，即編碼增益的提高將不再明顯。

此外，需要注意的是，動中通分別作為發射端和接收端時，這種方法的效果也存在明顯的差異。圖3、圖4顯示了不同雨量下動中通分別作為發射端和接收端，分別改變前向糾錯碼(FEC)和門限值Eb/N0對鏈路余量的影響。

圖3 不同雨量下動中通作為發射端編碼方式對余量的影響Fig.3 The impact of moving-in-transmission as the encoding method of the transmitter on the margin under different rainfall

圖4 不同雨量下動中通作為接收端編碼方式對余量的影響Fig.4 The influence of the dynamic link as the receiving end encoding method on the margin under different rainfall

由圖3可以看出，當動中通作為發射端時，降低編碼率僅能有效解決小雨或中雨的雨衰帶來的通信中斷問題，但是若雨量繼續增大，其改善效果并不明顯。另一方面，由圖4可以看出，當動中通作為接收端時，將前向糾錯編碼由7/8降低至1/2，其鏈路余量可增加約4 dB，即使在大雨情況下也可以有效地解決因余量不足而產生的中斷問題。

3.3 降低傳輸信息速率

降低傳輸信息速率在一定程度上可以很好地降低雨衰的影響。在晴天時可以使用高速率來傳輸大部分業務，當受降雨衰減影響并超過一定門限時，則可采用低速率來傳輸業務。因此，降低傳輸信息速率的方法只能應用于每條鏈路可同時工作于高速率和低速率的通信系統。

與前面類似，動中通分別作為發射端和接收端時，此種方法的效果也存在明顯差異。為進一步對比說明，圖5、圖6給出了不同雨量下動中通分別作為發射端和接收端時，改變系統傳輸的信息速率對鏈路余量的影響。

圖5 不同雨量下動中通作為發射端信息速率對余量的影響Fig.5 The influence of the information rate of the transmitter as the information rate on the margin under different rainfall conditions

圖6 不同雨量下動中通作為接收端信息速率對余量的影響Fig.6 The influence of the information rate of the receiver as the information rate on the margin under different rainfall

通過圖5和圖6的對比可以發現，在降雨量較大的情況下，如大雨進行視頻傳輸(即高速率通信)，鏈路顯然無法進行通信，若轉化為數據通信，降低信息傳輸速率，則可以較好地解決降雨衰減而造成的通信中斷問題。

3.4 增大地球站功放

衛星動中通通信系統是功率受限系統， 在一個因余量不足而產生中斷的系統中，其衛星功率占用率往往低于衛星帶寬占用率[13]，此時，可通過選擇更高功率的動中通功放，予以解決。

圖7展示了不同功放對鏈路余量的影響，可以看出，當動中通作為接收端時，余量相對較為充足，然而功放在30 W就已經趨于飽和了，進一步增大功放對鏈路影響并不大。當動中通作為發射端時，功放一直都處于未飽和狀態，然而功放超過40 W時鏈路余量才為正值，功放的大小決定了價格，故成本較高。

圖7 不同功放對鏈路余量的影響Fig.7 The influence of different power amplifiers on link margin

進一步，本文分析了不同雨量下動中通分別作為發射端和接收端，改變功放對鏈路余量的影響，如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，動中通作為發射端時，需要提供較大功率的功放，才能保證鏈路暢通，且改變功率對其鏈路影響不大。與之相反，當動中通作為接收端時，所需功放瓦數較小，但也存在易飽和的缺陷，這可以在一定程度內緩解因鏈路余量不足而導致通信中斷的問題。

圖8 不同雨量下動中通作為接收端功放對余量的影響Fig.8 The impact of moving midway as a receiver power amplifier on margin under different rainfall

圖9 不同雨量下動中通作為發射端功放對余量的影響Fig.9 The impact of moving mid-channel as the transmitting end power amplifier on margin under different rainfall

4 結束語

針對衛星通信鏈路降雨衰減特性，基于ITU-R模型研究了Ka頻段鏈路雨衰預測問題，進而得到了不同降雨量對鏈路性能帶來的影響。然后，綜合考慮了通信要求、鏈路余量，針對因降雨衰減造成鏈路余量不足引起的通信中斷給出了4種相應的解決辦法。實驗結果具有較強的實用性，能夠為衛星動中通在不同降雨環境下的鏈路設計及鏈路通信提供有效技術支撐，具有較強的參考價值。