Ｋｕ波段卫星通信雨衰分析及对抗措施

雨衰是影响Ku波段卫星通信系统传输质量及系统性能的主要因素之一。本文介绍了Ku波段卫星通信中雨衰产生的机理及其对信道的影响，并提出了有效减少雨衰对Ku波段卫星通信不利影响的措施。

雨衰的机理及影响

1、雨衰的产生

当电波穿过降雨的区域时，雨不仅吸收电渡能量，而且对电波产生散射。这种吸收和散射共同形成电波衰减?散射还能导致大范围无线电干扰，并对电波存在去极化效应，称这些衰减和干扰为雨衰。

这种衰减呈现非选择性能和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素。因此，雨衰问题也就成为系统设计过程中必须考虑的重要问题。雨衰的大小与雨滴直径与波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用。当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用。无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减；当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大，一般情况下(比如中短波)电磁波的波长远大于雨滴直径，故衰减很小，C波段信号受雨衰的影响也可以忽略。对于10GHz以上的电磁波，雨衰的影响就非常明显了，在链路计算中必须考虑雨衰的影响。频率越高，雨衰的影响越大，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大得多。图1是国际无线电咨询委员会(CCIR)(现为国际电联(ITU))提供的雨衰与频率和降雨大小的关系图，从图1中可以很清楚地看出Ku波段信号受雨衰的影响。如图1所示，降雨对电波的衰耗为实线，而云、雾引起的衰减为虚线。Ku波段频率较高[(12-18)GHz]，波长与雨滴的大小可比拟，受雨衰的影响比较严重。由图1和图2可看出，在Ku波段，中雨(雨量为4mm／h)以上的降雨引起的衰耗相当严重。若电波穿过雨区路径长度为10km时，对于Ku波段上行线路，衰耗为2dB左右，下行线路的衰耗为1dB左右；在暴雨(雨量为100 mm／h)情况下，每公里的损耗强度较大，但雨区高度一般小于2km，暴雨引起的衰耗将超过10dB以上。随着降雨强度的加大，在Ku波段降雨衰减系数也急剧增加，其降雨衰减量与降雨强度几乎成正比。而对于C波段[(4-6)GHz]来说，雨衰的影响就不是很明显，中雨区上行线路的衰耗为1dB左右，下行衰耗仅为0.4dB左右，即使是暴雨区上行线路总衰耗值也仅为1dB左右。

2、降雨噪声

降雨引起的对电磁波吸收衰减也会对地球站产生热噪声影响，这种降雨噪声折合到接收天线输入端就等效为天线热噪声，对接收信号的载噪比有很大的影响，这种影响与衰减量的大小和天线结构有关。

根据经验，每衰减0.1dB，噪声温度增加约57K。一般情况下，天线的仰角越高，降雨噪声的影响越小。这是因为电磁波穿过降雨路径较短，衰减量就小一些。在没有雨衰时，噪声温度不增加；在没有波导损耗时，噪声温度只和降雨衰减量有关。由于噪声温度的增加直接影响到接收系统的G／T值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，对信号可用度的影响甚至比降雨衰减更明显，在链路计算时必须考虑其影响。

3、去极化现象

降雨不仅会使电波衰减，还会产生去极化作用，所以降雨对电波的吸收和散射特性也与入射波的极化波面有关。由于空气阻力使雨滴变成略微扁平的形状，在雨滴的两个轴向引起的衰减称为微分衰减，相位移称为微分相移。这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大。这种降雨引起的去极化现象，对线极化和圆极化都有影响。我们常使用交叉极化鉴别度来表示极化纯度。一般情况下，当天线仰角大于15°时，交叉极化鉴别度在超过年平均时间的0.1％时，可望达到27dB，0.01％时为20dB，0.001％时为15dB。如图3所示。暴雨区Ku波段的微分衰减可达2dB左右(雨区高度按2km计算)。对于正交极化复用的卫星系统，降雨引起的去极化作用会使极化隔离度降低，产生极化误差，导致干扰增加。

降低雨衰影响的措施

考虑Ku频段抗雨衰策略时，首先应准确得到某一特定区域的降雨衰减。它要求进行长期的观察测量，得到长期连续的降雨实测数据(如连续多年的每分钟降雨率)，获取该区域精确的降雨统计特性，并通过实测数据，计算该区域的降雨衰减。通过迭代，补充完善降雨统计特性，以获取该区域在各种条件下降雨衰减的真实情况。在此基础上可以采取如下抗雨衰策略：

1、链路的备余量

它是传统通信链路设计中常用的方法。如C频段卫星通信链路通常留3dB余量，Ku频段卫星通信链路通常留6dB余量。在一些降雨较少的地区(如沙漠地区)，完全可通过链路余量来满足系统可用度要求；在高降雨地区，完全靠这种方法不现实，应在具备适当链路余量的基础上，综合考虑其他方法。但这种方式将会占用过多的卫星资源，在晴空时造成资源浪费，下大雨时，可能又不够用。

2、功率控制

对于Ku波段的卫星通信系统，建议在地球站设置上行链路自适应功率控制(AUPC)，或者进一步采用以网络管理为基础的全网自动功率控制(APC)或动态功率控制(DPC)系统，才能有效地对抗降雨衰耗的影响。

(1)上行链路自适应功率控制(AUPC)。如果系统设计采用传统的功率余量方法，将严重影响系统的通信容量，而且降雨的时间比例较小。因此，必须采用自适应功率控制技术以提高系统通信容量并保证链路的可靠性。其基本原理是：各地球站在监测来自卫星的信号强度的同时，计算链路降雨衰耗，然后自适应调整地球站的发射功率，从而动态地补偿链路的雨衰，使信号保持在一个合适的工作电平，从而使卫星转发器接收到地球站发射的信号电平与晴空时基本相同。在更先进的卫星系统中还能做到卫星转发器进行自适应功率控制，这样能更好地克服雨衰对Ku波段卫星通信的影响。上行功率控制又分成开环上行功率控制和闭环上行功率控制两种。

设备的开环上行功率控制是地球站利用接收卫星信标信号电平的变化量测出下行线路的雨衰值，进而去控制地球站发送设备的中频衰耗器或射频衰耗器，使衰减器减小的数值与上行线路雨衰值大体相同。开环上行功率控制工作原理比较简单，所用设备较少，投资较小，但精度较低。

闭环上行功率控制是地球站将接收来的卫星信标信号，与通过卫星转发器环回信号或某一特定信道的通信业务信号的C／N(或S／N)值进行比较，然后去控制地球站的上行功率。这样一来，上行信号的雨衰值和上行功率控制的控制量有较高的准确度。因此在闭环上行功率控制中必须将控制信道与通信信道分开，所用设备较多，费用较高。

(2)自动功率控制(APC)。上行功率控制是针对卫星通信上行线路的降雨衰耗所采取的技术措施，但对于卫星通信的下行线路也要充分考虑降雨衰耗。为了解决这一问题，己成功研制了同时控制上行线路和下行线路降雨衰耗的自动功率控制系统(APC)，这种动态功率控制是以卫星通信的网管系统为基准的。该网管系统能实时地测出各个地球站的接收电平值，将该值与基准电平(晴天时的正常接收电平值)进行比较，将比较结果通过网管信息传输通道传送给相应的地球站，控制该地球站的发信设备的输出功率。因此，采用自动功率控制能使卫星通信系统的稳定性和可靠性大大提高，也使卫星通信得到了广泛的应用，大大地节约卫星通信的资源。

3、采用编码及降速率技术

在雨衰较大时，可以采用前向纠错编码技术(FEC)来减小传输的误码率。通过减小编码率来获得编码增益的提高，如编码率为1/2的卷积码，当采用维特比译码时，其编码增益可达5dB。当然减小编码率也必须有个限度，一方面当编码率减小到一定程度时，若再进一步减小编码率，多获得的编码增益将改善很小；另一方面减小编码率会导致系统容量的减小。此外，还可以通过自适应速率降低技术(ARP)来克服雨衰的影响，通过减少衰减信道的数据速率来增加信道容量，降低速率所带来的增益与速率减少成正比，例如速率减少至1/4时，增益为5dB。使用纠错编码和降速率技术，可以补偿不同程度的雨衰；但随着深度的增加，有效可用容量减少。

4、空间分集技术

在多雨或卫星仰角很低的地区，由于Ku波段的特点，降雨衰减非常大，采用空间分集技术(也称站分集技术)是一种很有效的办法。其原理是基于降雨的空间分布不均匀性，在相隔一定距离的两个地点设置地球站，通过两个地球站进行信号的分集接收，类似于地面蜂窝移动通信的空间分集技术，也可以单独切换到雨衰较小的地球站进行单链路通信。主要从分集改善因子和分集增益两个指标来衡量分集改善的质量，其分集改善的效果随两站间距离的增大而增大。但超过一定距离后，其改善程度就非常小。在空间分集带来增益好处的同时，也是需要付出代价的。网络投资成本大幅上涨，而且需要非常复杂的网络控制技术。需要指出的是空间分集技术不仅仅局限于两个站址，可以采用多个站址同时分集接收，当然其代价就更高了。

5、极化方式的选择和天线的选择

不同雨滴形状对信号的衰减也不相同。随着雨滴的体积的增大，雨滴在水平方向的直径也逐渐增大。

此时，雨滴对水平极化波的衰减比对垂直极化波的衰减大，这也意味着在10GHz以上频率，垂直极化波比水平极化波的抗雨衰性能要好。接收天线的增益与接收天线的口径有着直接的关系，因此适当加大接收天线的口径，可以较明显地提高天线增益。口径越大，其增益越高，系统覆盖范围越大。当然，其成本也会明显增加。

6、采用低噪声高增益的优质高频头（LNB)现用于接收Ku频段卫星信号的LNB，一般噪声系数为0.8dB，噪声系数在0.6dB便是十分低的噪声，如使用噪声系数为0.7dB的，其增益可达到60dB。如果受某些因素的制约，而不想或无法去增大接收天线的口径，可首先考虑使用低噪声高增益的优质LNB，而且这要比增大天线口径的成本低。

7、采用双频组合通信

由于低频波段雨衰影响较小，当系统检测到雨衰超过一定门限时。自动切换卫星通信电波至低频段确保通信信号的稳定。