對(duì)Ku波段衛(wèi)星應(yīng)用組網(wǎng)中雨衰影響的研究和處置

趙國順 劉志巍 金琪 王曉 梁功權(quán) 韓晶

本文論述了衛(wèi)星通信中雨衰現(xiàn)象和對(duì)抗雨衰的研究與處置效果。通過雨衰大小的估測(cè)和計(jì)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(shí)際應(yīng)用情況，說明了通過前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)和功率自動(dòng)控制等對(duì)抗雨衰的措施和方法可有效控制減小雨衰。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信 雨衰測(cè)算 控制措施

1 引言

隨著衛(wèi)星通信應(yīng)用行業(yè)的日漸推廣，衛(wèi)星通信在各個(gè)領(lǐng)域尤其在應(yīng)急指揮行業(yè)正迅速發(fā)展，實(shí)時(shí)不間斷通信是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，衛(wèi)星通信受天氣等自然條件影響的客觀現(xiàn)實(shí)就顯得不容忽視。作為近年我國應(yīng)用較多的一個(gè)波段，Ku波段（12GHz-18GHz）的波長(zhǎng)和雨滴的線度接近，雨衰問題就顯得格外突出，因此對(duì)Ku波段衛(wèi)星通信中雨衰大小進(jìn)行估測(cè)計(jì)算很有必要，這種估測(cè)計(jì)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(yīng)用設(shè)計(jì)提供必要的參照信息。

2 雨衰影響的計(jì)算分析

2.1 雨衰現(xiàn)象和影響

雨衰，即降雨衰減，是指電磁波在空間傳播時(shí)由于降雨的影響造成的雨滴吸收和散射而產(chǎn)生的衰減。當(dāng)電波穿過降雨的區(qū)域時(shí)，由于雨衰鏈路丟包率增大，而對(duì)于強(qiáng)降雨情況，其誤比特率有時(shí)會(huì)非常大。雨衰的大小和雨滴半徑與波長(zhǎng)的比值有著密切的關(guān)系，實(shí)測(cè)結(jié)果表明雨滴的半徑約在0.025cm～0.3cm之間，而Ku波段內(nèi)電波的波長(zhǎng)在2.5cm左右，由于兩者數(shù)值較為接近，故雨衰對(duì)電波產(chǎn)生的吸收衰減較大。

2.2 降雨噪聲

雨衰對(duì)電波產(chǎn)生的吸收衰減也會(huì)對(duì)地球站產(chǎn)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(hào)的載噪比。降雨噪聲可以用公式（1）來計(jì)算：

（1）

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

2.3 雨衰大小的計(jì)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(zhǎng)、接收地點(diǎn)的位置及海拔高度等是影響雨衰大小的相關(guān)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(cè)較為復(fù)雜，但仍可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算作為參考。

每年0.01%時(shí)間內(nèi)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(zhǎng)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(diǎn)的緯度δ有關(guān)，hs為接收地點(diǎn)的海拔高度（km），θ為接收天線仰角。

0<δ<36°時(shí)，hr=3+0.028δ；

δ≥36°時(shí)，hr=4-0.075（δ-36） （4）

（5）

式中，L0=35exp（-0.015R0.01） （6）

每年p%時(shí)間內(nèi)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(hào)衛(wèi)星（122°E）Ku轉(zhuǎn)發(fā)器為例，鄭州地區(qū)年平均0.01%時(shí)間的降雨量為49mm/h，年平均0.1%時(shí)間的降雨量為12mm/h，計(jì)算可得到在鄭州地區(qū)使用亞洲4號(hào)衛(wèi)星Ku波段的可用度和雨衰的對(duì)照情況，見表1。

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

3 對(duì)抗雨衰的方法和措施

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

考慮Ku波段抗雨衰策略時(shí)，首先應(yīng)準(zhǔn)確得到某一特定區(qū)域如河南地區(qū)的降雨量，它要求進(jìn)行長(zhǎng)期的觀察測(cè)量，得到長(zhǎng)期連續(xù)的降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（如連續(xù)多年的分鐘降雨率），獲取該區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)精確的降雨特性，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算該區(qū)域的降雨衰減，通過迭代、補(bǔ)充完善降雨統(tǒng)計(jì)特性，以獲取該區(qū)域在各種條件下降雨衰減的真實(shí)情況，在此基礎(chǔ)上針對(duì)性地采取抗雨衰策略，現(xiàn)結(jié)合筆者在河南地區(qū)應(yīng)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的情況進(jìn)行分析。

3.1 前向糾錯(cuò)技術(shù)

采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)（FEC）來減小傳輸?shù)恼`碼率，是對(duì)抗雨衰簡(jiǎn)單易行的一個(gè)方法。FEC是利用數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸冗長(zhǎng)信息的方法，當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，將允許接收器再建數(shù)據(jù)，它通過對(duì)比特流進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼來糾正接收數(shù)據(jù)比特流中的差錯(cuò)。在DVB-S標(biāo)準(zhǔn)中，前向糾錯(cuò)FEC值，通過運(yùn)用糾錯(cuò)技術(shù)適當(dāng)控制編碼率，可在一定程度上改善編碼增益。我們?cè)凇皠?dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中即采用了前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，前向糾錯(cuò)FEC設(shè)置為3/4，它表示在該速率的總數(shù)中，占速率3/4的比特流為有效速率，1/4的比特流為糾錯(cuò)碼，此時(shí)其編碼增益可增加大致3dB。

3.2 自適應(yīng)速率降低技術(shù)

自適應(yīng)速率降低技術(shù)來克服雨衰產(chǎn)生的影響也是十分有效的方法，通過減少衰減信道的數(shù)據(jù)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(dāng)速率減少時(shí)對(duì)端接收增益會(huì)隨之提升。在發(fā)射功率等其他條件不變時(shí)，發(fā)射速率減少為一半時(shí)對(duì)端接收增益Eb/N0可增大3dB，即若發(fā)射速率為1024bps時(shí)，對(duì)端Eb/N0為6dB；發(fā)射速率改為512bps時(shí)，對(duì)端Eb/N0大致增為9dB。當(dāng)然此時(shí)應(yīng)結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所傳音視頻等速率帶寬和格式進(jìn)行相應(yīng)減小和改變，否則會(huì)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(duì)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(guān)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(shù)在0.6dB～0.7dB的低噪聲LNB，其增益可達(dá)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(yùn)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(zhì)LNB。我們?cè)诮ㄔO(shè)車載“動(dòng)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(shù)見表2，車載“動(dòng)中通”天線口徑僅為0.8米，事實(shí)證明低噪聲LNB可使天線接收增益顯著增大，有效彌補(bǔ)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(shè)計(jì)尤其是車載運(yùn)用時(shí)可結(jié)合成本因素考慮選擇。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性一直是衛(wèi)星通信的重點(diǎn)和難點(diǎn)，衛(wèi)星通信會(huì)受云層遮擋、雨雪天氣、太陽活動(dòng)等自然條件影響也是一個(gè)客觀事實(shí)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮雨衰現(xiàn)象，依據(jù)各地區(qū)實(shí)際情況，對(duì)雨衰大小進(jìn)行測(cè)算分析，采用有效對(duì)抗雨衰的措施減小降雨造成的不利影響，增強(qiáng)衛(wèi)星通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

趙國順（1983- ），男，工程師，畢業(yè)于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信應(yīng)用。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047