一種Ka頻段海上衛(wèi)星通信抗雨衰編碼方案

高化猛，李 智

(1裝備指揮技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育系，北京 102206;2裝備指揮技術(shù)學(xué)院重點實驗室，北京 101416)

一種Ka頻段海上衛(wèi)星通信抗雨衰編碼方案

高化猛1，李 智2

(1裝備指揮技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育系，北京 102206;2裝備指揮技術(shù)學(xué)院重點實驗室，北京 101416)

分析衛(wèi)星通信雨衰現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制和對Ka頻段衛(wèi)星通信的影響，提出采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)卷積碼作為抗雨衰編碼方案。研究CCSDS(15，1/6)卷積碼編譯碼性能:使用C語言編譯環(huán)境，仿真CCSDS(15，1/6)編碼系統(tǒng)，得出編碼效率;使用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制、加性高斯白噪聲信道、維特比譯碼，仿真CCSDS(15，1/6)譯碼系統(tǒng)，得出譯碼性能和編碼增益。仿真計算表明，CCSDS(15，1/6)具有編碼速度快，譯碼性能好，編碼增益高的特點，是一種好的海上衛(wèi)星通信抗雨衰編碼方案。

衛(wèi)星通信;雨衰;標(biāo)準(zhǔn)卷積碼;編碼;譯碼;仿真

0 引言

衛(wèi)星通信在海上通信中占有重要地位。隨著用戶和業(yè)務(wù)量的增多，低頻段(L頻段、S頻段、C頻段)衛(wèi)星通信已非常擁擠，高頻段(Ku頻段、Ka頻段)衛(wèi)星通信越來越引起重視。Ka頻段(20/30 GHz)可提供更大的傳輸帶寬;另外，由于Ka頻段頻率高，可采用更高增益的點波束衛(wèi)星天線，波束寬度更窄。窄波束可以節(jié)省星上功率，減少衛(wèi)星間的相互干擾，增加軌道內(nèi)可容納的衛(wèi)星數(shù)量［1－2］。

降雨是海上常見的氣象現(xiàn)象，降雨對Ka頻段衛(wèi)星通信存在嚴(yán)重影響，即雨衰現(xiàn)象。信道編碼技術(shù)可以有效對抗雨衰，提高衛(wèi)星通信質(zhì)量。

1 雨衰現(xiàn)象

1.1 雨衰的產(chǎn)生

電磁波穿過降雨區(qū)域時，雨滴可以吸收電磁波，也可以使電磁波產(chǎn)生散射，使電磁波能量變小。降雪和晶狀體的冰對電磁波的衰減同樣不能忽略。

雨衰的大小與雨滴半徑和信號波長的比值有著密切的關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)信號波長接近1個典型雨滴的直徑，即大約1.5 mm時，電磁波的衰減將會達(dá)到最大。在C頻段，下行頻率為4 GHz，波長為75 mm，C頻段下行波長是雨滴直徑的50倍，因此信號通過時衰減相對較小;在Ku頻段，下行頻率為12 GHz，波長為25 mm，雖然波長比雨滴的直徑大出很多，但雨衰已非常嚴(yán)重;到了Ka頻段，下行頻率達(dá)到20 GHz，波長為15 mm，在V頻段，下行頻率為40 GHz，波長僅僅為7.5 mm。在Ka和V這2個頻段，波長與雨滴的直徑相對比較接近，衰減將變得非常大［3］。

1.2 降雨噪聲

降雨對電磁波吸收衰減也會對地球站產(chǎn)生熱噪聲影響，這種降雨噪聲折合到接收天線輸入端就等效為天線熱噪聲，對接收信號的載噪比有很大的影響，這種影響與衰減量的大小和天線結(jié)構(gòu)有關(guān)。

根據(jù)經(jīng)驗，每衰減0.1 dB，噪聲溫度增加約6.7 K。一般情況下，天線的仰角越高，降雨噪聲的影響越小。這是因為電磁波穿過降雨路徑較短，衰減量就小一些。降雨噪聲可以用下面的公式來計算:

式中:R為雨衰值，dB;W為饋源到低噪聲下變頻器(LNB)間的波導(dǎo)損耗，dB;Train為雨的溫度，K。

由計算公式可以看出，在沒有雨衰時，噪聲溫度不增加;在沒有波導(dǎo)損耗時，噪聲溫度只和降雨衰減量有關(guān)。由于噪聲溫度的增加直接影響到接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)G/T值，也就是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，在鏈路計算時必須考慮其影響。

1.3 去極化現(xiàn)象

降雨不僅會使電波衰減，還會產(chǎn)生去極化作用，所以降雨對電波的吸收和散射特性也與入射波的極化波面有關(guān)。由于空氣阻力使雨滴變成略微扁平的形狀，在雨滴的2個軸向引起的衰減稱為微分衰減，相位移稱為微分相移。這種現(xiàn)象對單極化傳輸系統(tǒng)影響并不大，但對于正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng)，會造成極化隔離度降低，導(dǎo)致正交極化的信號互相干擾加大。這種降雨引起的去極化現(xiàn)象，對線極化和圓極化都有影響。常使用交叉極化鑒別度來表示極化純度。一般情況下，當(dāng)天線仰角大于15°時，交叉極化鑒別度在超過年平均時間的0.1%時，可望達(dá)到27 dB，0.01%時為20 dB，0.001%時為15 dB。對于正交極化復(fù)用的衛(wèi)星系統(tǒng)，降雨引起的去極化作用會使極化隔離度降低，產(chǎn)生極化誤差，導(dǎo)致干擾增加。

1.4 雨衰對信道特性的影響

大氣層對衛(wèi)星通信的影響是個不可忽略的因素。當(dāng)工作在Ka頻段時，大氣層中的雨、水蒸氣、云霧、氧氣和閃爍都會引起信號衰落。當(dāng)上述1個或多個因素起作用時，均會引起信號幅度、相位、極化和下行波束入射角的變化，從而導(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量的下降和誤碼率上升。在這些因素中，雨衰所引起的Ka頻段信號衰落占主導(dǎo)地位。

信道模型是系統(tǒng)分析和綜合的基礎(chǔ)。信道模型可反映出所使用頻段電磁場的傳播特點，并便于工程實際的應(yīng)用。下面從工程應(yīng)用角度出發(fā)，以靜止衛(wèi)星為例，分析雨衰對Ka頻段衛(wèi)星通信信道特性的影響。

目前，美國、歐洲、日本已對Olympus衛(wèi)星、Italsat衛(wèi)星和ACTS衛(wèi)星做了大量傳播特性測量試驗，積累了大量數(shù)據(jù)。研究表明，Ka頻段靜止衛(wèi)星的信號包絡(luò)和相位的概率分布均可近似看作是高斯分布，它們的概率密度函數(shù)分別為:式中:p(r)為信號包絡(luò)的概率密度函數(shù);p(φ)為信號相位的概率密度函數(shù);m1和m2分別為信號包絡(luò)和相位的均值;σ1和σ2分別為信號包絡(luò)和相位的均方差［4］。

一系列的仿真計算表明，信號經(jīng)過Ka頻段靜止衛(wèi)星信道時，包絡(luò)衰落的影響比較嚴(yán)重，相位衰落的影響不明顯。因此，在Ka頻段衛(wèi)星通信中，應(yīng)該采取措施，著重提高信號包絡(luò)的性能，以解決主要由雨衰導(dǎo)致的信號包絡(luò)衰落。

2 CCSDS級聯(lián)碼抗雨衰分析

文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［3］中均提到采用信道編碼的方式對抗雨衰，但未對具體的編碼方案抗雨衰進(jìn)行定量研究。本文擬采用CCSDS(Consultative Committee for Space Data System)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼作為抗雨衰信道編碼，并對其編譯碼性能進(jìn)行分析研究。

2.1 編碼方案

圖1是CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中提供的(15，1/6)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼編碼原理圖。

圖1 (15，1/6)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼編碼原理圖Fig.1 (15，1/6)convolution codes'encoding principium

2.2 編碼效率

根據(jù)圖1的編碼原理，利用標(biāo)準(zhǔn)C語言編程進(jìn)行仿真運算，編譯環(huán)境為VC++6.0，在X86微機(jī)上運行，硬件配置為P4(R)3.2 GHz、內(nèi)存512 M。運行結(jié)果如圖2所示。

圖2 (15，1/6)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼編碼效率Fig.2 The encoding efficiency of(15，1/6)

由圖2可知，編碼速度可達(dá)5 M bit/s以上。編碼系統(tǒng)完全由硬件實現(xiàn)時，即使主頻有所下降，編碼速度仍可達(dá)到106數(shù)量級。

2.3 譯碼算法

卷積碼的各碼元之間均有約束關(guān)系，如何利用各碼元之間的約束關(guān)系進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生了多種譯碼算法，不同的譯碼方式產(chǎn)生不同的碼元距離特性，具有不同的譯碼性能［5］。

卷積碼譯碼主要分為代數(shù)譯碼和概率譯碼2類。代數(shù)譯碼中通常利用大數(shù)邏輯譯碼的自正交碼和可正交碼來完成。該類碼構(gòu)造容易，碼類較多，譯碼器構(gòu)造簡單，通常在約束長度內(nèi)(幾十位)能有1～2 dB的譯碼增益。卷積碼的概率譯碼通常能獲得最佳或次最佳譯碼性能，概率譯碼要求碼有較大的自由距離特性，通常由計算機(jī)搜索得到。

卷積碼代數(shù)譯碼的主要方式是大數(shù)邏輯譯碼。該譯碼方法是卷積碼的第1種實用譯碼方法。相比于概率譯碼的維特比譯碼和序列譯碼來說，性能差一些，但設(shè)備簡單，譯碼速度快。其約束長度可取大一些，并且可利用交織、擴(kuò)散等技術(shù)，適用于突發(fā)錯誤信道，仍具有實用價值。該譯碼方法主要用于誤碼率低的系統(tǒng)卷積碼和類似系統(tǒng)卷積碼的內(nèi)快檢碼和部分非系統(tǒng)卷積碼。

卷積碼的概率譯碼不僅基于碼的代數(shù)結(jié)構(gòu)，而且還利用了信道的統(tǒng)計特性，使譯碼錯誤概率很小。概率譯碼主要有維特比譯碼和序列譯碼，這2種譯碼方法均建立在最大似然準(zhǔn)則基礎(chǔ)上。

維特比譯碼是在接收碼元序列的控制下，在網(wǎng)格圖上跟蹤編碼的過程，尋找最大似然路徑。其關(guān)鍵的運算是“加－比－選”，通過對路徑量度相加、比較，選擇出幸存路徑。在不同的信道中其量度的方式不同，在二進(jìn)制對稱信道(BSC)中，漢明距離是最大似然準(zhǔn)則的等效量度，求出與接收序列漢明距離最小的路徑為其幸存路徑［6］。

序列譯碼是概率譯碼中另一種常用的方法，它是一種次最佳的譯碼方法。序列譯碼復(fù)雜性基本上與約束長度無關(guān)，因而可適用于約束度很大的卷積碼，從而獲得很高的編碼增益。與維特比譯碼一樣，序列譯碼也是以路徑的漢明距離為量度準(zhǔn)則，與其不同的是序列譯碼是在接收序列的控制下，譯碼器在樹圖上尋找編碼所走的正確路徑，盡早排除所有非最大似然路徑。序列譯碼只延伸一條具有最小漢明距離的路徑，不像維特比譯碼那樣在網(wǎng)格圖上延伸所有可能路徑，因而大大減少了計算量和存儲容量［7］。

2.4 譯碼性能

使用 BPSK調(diào)制，衛(wèi)星通信雨衰信道作為AWGAN信道，采用維特比譯碼算法，迭代次數(shù)為16次，譯碼效果如圖3所示。由圖3可知，采用(15，1/6)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼后，在誤碼率10－5時，獲得了7.11 dB的編碼增益。7.11 dB的編碼增益優(yōu)于文獻(xiàn)［2］中普通卷積碼的4 dB編碼增益和文獻(xiàn)［3］中編碼率1/2卷積碼的5 dB編碼增益。

圖3 (15，1/6)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼譯碼效果Fig.3 The decoding performance of(15，1/6)

3 結(jié)語

采用Ka頻段進(jìn)行海上衛(wèi)星通信，由于存在嚴(yán)重的雨衰現(xiàn)象，必須采用信道編碼等技術(shù)克服雨衰的影響。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，CCSDS提出的(15，1/6)標(biāo)準(zhǔn)卷積碼具有編碼速度快，譯碼性能好，編碼增益高的特點，是海上Ka頻段衛(wèi)星通信抗雨衰的理想編碼方案。

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An anti-rain attenuation encoding solution for sea Ka-band satellite communication

GAO Hua-meng1，LI Zhi2
(1.Department of Continuing Education，Academy of Equipment Command ＆ Technology，Beijing 102206，China;2.The Key Lab，Academy of Equipment Command ＆ Technology，Beijing 101416，China)

The mechanism of rain attenuation in satellite communication and it's affection to Ka-band satellite communication are analyzed.CCSDS(15，1/6)standard convolution code is recommended as channel code to anti-rain attenuation the performance of CCSDS(15，1/6)standard convolution code is researched.The encoding efficiency is found by simulating encoding system in C translation environment.The decoding performance and encoding gain are found by simulating decoding system in BPSK modulation，AGWN channel，viterbi decoding algorithm.Simulation research demonstrates that the CCSDS(15，1/6)standard convolution code is a good channel encoding solution for anti-rain attenuation in satellite communication on the sea because of high encoding velocity，high decoding performance and high encoding gain.

satellite communication;rain attenuation;standard convolution code;encoding;decoding;simulation

E917;TN911.22

A

1672－7649(2011)12－0076－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.017

2011－05－03;

2011－06－09

國家高技術(shù)發(fā)展計劃資助項目(2006AA705102)

高化猛(1978－)，男，博士，講師，主要研究領(lǐng)域為航天測試發(fā)射、系統(tǒng)仿真技術(shù)。