摘要：Ka频段作为近年来的卫星通信主要发展方向之一，由于受降雨衰减的影响较为严重。本文介绍了几种常见的抗雨衰措施，并对分集技术、控制技术、自适应编码等几种经典补偿技术在抗雨衰中的应用进行了论述。
关键词：Ka频段；雨衰；速率分集；上行功率控制；自适应编码调制
引言
随着卫星通信的发展以及终端用户业务需求量的不断增大，如：千兆比特级宽带数字传输、高清晰度数字电视（HDTV）、高清晰度远程视频会议、远程医疗及个人卫星通信等，现有的C（6/4GHz）、X（8/7GHz）、Ku（14/12GHz）频段的卫星通信系统已不能满足宽带、高速、小口径终端等应用的需求，因此，拥有较高频段带宽的Ka波段（30/20GHz），越来越受到重视并已开始逐步投入使用。然而，在实际的使用过程中，Ka频段卫星通信虽优势明显但也存在一大缺点-雨衰，其已成为影响该频段正常通信的主要因素，工程设计时必须给予因地而异的考虑。随着通信频率的升高，雨衰将严重的损坏卫星链路的性能，如在C频段雨衰的影响并不明显，但在Ka频段，短时间内（数分钟）雨衰可达到20dB。因此，如何精确的计算降雨引起的信号衰减值和如何采取高效的雨衰补偿对策缓解降雨造成的影响，显得非常重要。
一、雨衰的形成机理及其对Ka频段卫星通信的影响
1.1 雨衰的形成机理
Ku频段无线信号穿越雨区时，密集的雨滴会吸收一部分无线信号的能量，还会对无线信号产生散射，散射后的无线信号进而会导致大面积的无线电干扰，使得无线电波出现去极化效应，这一现象即为雨衰。
Ku频段信号在穿越雨区中的衰减具有非选择性和缓慢的时变特性，雨衰由雨滴直径与无线信号的波长的比值决定，当无线信号波长大于雨滴直径时，雨衰主要体现为散射，当无线信号波长小于雨滴直径时，雨衰主要体现为吸收损耗。无论雨衰体现为哪种特性，都会影响无线信号在传播方向的传输特性。
理论分析和实践研究表明，在Ka波段的无线信号穿越中雨以上的降雨区域时所出现的衰耗会非常明显，例如对降雨率为22.4mm/h的降雨，在地球站对卫星的仰角为40°时，C频段的雨衰仅为0.1dB，可忽略；Ku频段的雨衰为4.5dB；Ka频段的下行链路频率为20GHz时，雨衰为12.2dB，而上行链路频率为30GHz时的雨衰则高达23dB。
1.2 去极化现象
降雨除会对Ka波段信号产生衰减外，还会使得信号出现去极化现象，若无线信号为单极化传输系统，该现象的影响并不明显，但是对于采用正交极化复用的双极化传输系统而言，该现象会大大增强正交极化信号间的相互干扰。
无论是线极化还是圆极化，通常都用交叉极化鉴别度XPD（dB）来度量极化纯度，降雨造成的交叉极化鉴别度变化，计划干扰有所变化，主要的因素如下。
①频率：在8~35GHz频段范围内，频率越高，降雨交叉极化鉴别度就越大，极化干扰就越小。
②极化面倾角：在0°~45°范围内，降雨交叉极化鉴别度递渐减小，极化干扰逐渐增大；在45°~90°范围，过程正好相反，降雨交叉极化鉴别度递渐增大，极化干扰逐渐减小。
③路径仰角：仰角越大，降雨交叉极化鉴别度也越大，极化干扰就越小。
二、抗雨衰相关措施分析
2.1 增大链路备余量
预留一定的备余量是无线通信系统链路设计中的一种常见方法，Ka频段的卫星通信链路中的预留备余量通常为10dB以上。对于降雨较少区域，该余量完全能够满足抗雨衰要求，但是在某些降雨较多区域，则无法完全依靠该方法实现卫星通信的抗雨衰。增大余量的最大不足之处在于会占用过多的卫星通信资源，且在无降雨时会出现资源的浪费。
2.2 功率控制
依照通信系统特性为Ka段卫星通信系统配置上行链路自适应功率控制或自动功率控制等功能可以有效降低雨衰对卫星通信系统带来的影响。
自适应的上行链路功率控制实现原理为：地球站对卫星信号强度进行监测，并根据监测结果计算出通信链路中的降雨损耗，依照该计算结果对地球站的发射功率进行动态调整，从而达到雨衰补偿的目的。该方法不仅能够提升系统的通信容量，还能够有效提升卫星通信信号的可靠性。具体的，上行功率控制又可以分为开环和闭环两种。开环功率控制是利用地面站所接收到的Ka频段无线信号的电平变化量来对下行链路的雨衰值进行测量，进而控制上行发送信号的衰减值，实现上行功率控制。该功率控制方法实现简单，但是控制精度有限。闭环功率控制是地面站接收到Ka段无线信号后将该信号与参考信道信号的S/N的值进行比较，然后实现上行发送信号的功率控制。该功率控制方法控制精度较高，但是实现成本也比较高。
自动功率控制的实现原理为：以卫星通信的网管系统为参考基准，对地球站的接收电平值进行实时测量，并将测量值与参考点评进行比较，然后将比较结果返回给地球站，控制地球站更改发送信号的输出功率。这种方法不仅能够有效提升卫星通信系统的稳定性和可靠性，还能够在一定程度上节约无线资源，是一种高效的抗雨衰方式。
2.3 信道编码与传输速率控制
对信号进行编码能够有效降低无线信号在高衰减信道中的传输误码率。降低编码率还能够提升编码增益，但是编码率的降低是有一定限度的，超出该限度，即便再降低编码率也不会使得卫星系统出现大幅度的增益改善，反而会使得系统容量减小，影响通信效果和数据传输速率。传输速率自适应控制也是一类有效的抗雨衰措施，降低传输速率可等效为提升信道容量，实现Ku频段信号的抗雨衰。但是该方法同样存在一定的适用范围，不能无限制增强抗雨衰效果。
2.4 空间分集技术
空间分集技术是近几十年来所提出的一类重点技术，该技术的实现原理为相隔一定距离部署多个地球站，这些地球站既可以对信号进行单链路接收也可以进行分集接收，在雨衰较为严重时采用分集接收可有效提升卫星通信系统的抗雨衰效果。需要说明的是，该技术的实现成本较高，需要较为复杂的网络控制技术。
2.5 极化方式与天线选择
由于Ka波段信号穿越雨区时会出现去极化现象，故为提升卫星通信系统的抗雨衰性能，还可以从信号极化方式和接收天线选择方向进行考虑。理论分析可知，随着雨滴体积的增大，雨滴对水平极化波的衰减更大，故对于通信频段高于10GHz的无线信号而言，可以通过垂直极化的方式获得更好的抗雨衰性能。同时，接收天线的增益与其口径大小之间也存在着一定的联系，即大口径的接收天线可以获得更高的接收增益，在雨衰较为严重的地区可以通过适当增大接收天线口径的方式提升Ka波段通信链路的抗雨衰性能。
三、抗雨衰技术研究
Ka频段卫星通信在抗雨衰时除了必要的功率储备以外，还必须研究各种抗雨衰技术，来补偿降雨引起的衰减，本文根据以往Ku频段卫星通信工程实际的实施经验，采用类比法，选择分集技术中的业务速率分集技术、功率控制技术中的上行链路开环功率控制技术和自适应编码技术中的自适应纠错编码技术进行了探讨研究。
3.1业务速率分集技术
所谓业务速率分集就是利用先进的数字压缩技术，在保证许可的业务质量前提下，通过压缩信源速率来降低门限要求，同时使用高速率来传输业务，当受降雨衰减影响并超过一定门限时，则采用低速率来传输业务，其代价是牺牲一定的业务质量和要求每条链路既可以工作于高速率也可工作于较低速率。例如，无降雨时传输高速率、大带宽的16Mb/s图像信号，降雨时则传输低速率、窄带宽的2Mb/s图像，甚至64kb/s语音，从而减轻或抵消降雨的影响。其原理如图1所示。
图 1 速率分集示意图
3.2 上行链路开环功率控制技术
上行链路开环功率控制是根据所获得卫星通信上行链路的降雨衰减值来相应地调整地球站的发射电平，以抵消降雨对电波信号产生的衰耗，使卫星转发器接收到地球站发射的信号电平与晴天时基本相同，减小了上行衰减对整个链路工作的影响。其原理如图2所示。
图 2 上行链路开环功率控制原理图
开环功率控制算法关键的部分，是上行链路衰减量的估算，首先，实时地估算出晴天信标参考值，即未受闪烁、雨衰和噪声影响的信标强度。然后，由于闪烁与雨衰分量功率谱不重叠，用滤波方法把实时信标的闪烁分量分离出来，再用雨衰和信标的合成分量减去晴天信标参考值就得到了慢变化的雨衰分量，最后，闪烁和雨衰分量各自经过频率转换后，相加得到30GHz上行信号总的衰减量。用信标作为参考信号的上行功率控制，其优点是可以较精确地进行功率补偿，但这种方法对信标的要求较高，如果信标不稳定、信标接收机有误差或者低噪声变频器LNB受温度影响发生变化，都可能产生较大误差。
3.3 自适应纠错编码技术
在实际的使用过程中，上行链路可以通过调整地球站发射功率来补偿雨衰的影响，而下行链路就要考虑到卫星是功率受限系统，仅仅使用增大功率的方法来补偿是不可取的，而且在不同的气候区域链路的雨衰有很大差异，即使在同一气候区域，随着环境气候及降雨的变化，雨衰强度的差别也非常大。例如，晴天时衰减大约为1-2dB，而暴雨天气时，信号的衰减最大值超过25dB。如果以固定的系统富余量去抵消雨衰的影响，那么晴天时就会造成功率资源的巨大浪费，而在暴雨天气的情况下又无法得到完全的补偿，使系统性能恶化，甚至造成通信中断，这就需要一种能够自适应的抵抗雨衰的技术对策。这种技术对策能根据天气条件和环境的变化而变化，使得接收信号电平维持在正常的水平，且又尽可能减少对系统其它性能的影响，本文主要介绍其中的一种―自适应纠错编码技术。
自适应纠错编码抗雨衰系统方案如图3示。
图 3 自适应编码调制系统原理框图
接收站的信道质量检测部分通过监测下行链路信号的误码率或接收电平来判断接收站雨衰的大小，将检测结果一方面发送给发送端地球站，用以控制发送端地球站的可变速率编码器，确定采用哪种纠错编码方式；另一方面控制本站的可变速率译码器使之与发送端站对应。原理是：在满足链路传输质量的同时，尽量提高有效信息的传输容量。如当地球站B下雨时，其信道质量检测部分检测到下行链路信号受到雨衰影响，用检测结果控制码率选择部分改变本站的可变码率译码器的码率；同时将衰减信息通过反向卫星信道传送给发送端地球站A，改变A站的可变码率编码器的码率，以满足对编码增益的需要，实现自适应纠错编码。
结束语
Ka频段卫星通信的发展是卫星通信发展的重要方向和趋势，目前国外已基本处于商用阶段，国内由于建设相对起步较晚，还需要加大技术研究力度。研究与实践表明通信系统频率高于10GHz时，降雨会引起信号的严重衰减，而Ka频段的工作频段是30/20GHz，故将来在进行Ka频段卫星通信系统的设计和建设时，务必要重点考虑雨衰情况，通过借鉴国外成熟的抗雨衰技术，综合利用业务速率分集、上行链路开环功率控制、自适应纠错编码等技术，更大程度的改善Ka频段卫星通信可用度较低的现象，满足我国社会高速率、大容量的宽带卫星通信需求。
参考文献：
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论文作者:劳俊杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/11
标签：频段论文; 信号论文; 链路论文; 卫星通信论文; 功率论文; 速率论文; 技术论文; 《基层建设》2018年第23期论文;