ka频段卫星通信典型地区雨衰分析与补偿方法探讨c

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1、Ka频段卫星通信典型地区雨衰分析与补偿方法探讨　　【摘要】本文首先介绍了Ka频段卫星通信雨衰产生机理及ITU-R雨衰预测模型。然后重点介绍了103°E在轨Ka卫星在我国各雨域地区（典型城市）的雨衰情况。最后联系以往Ku频段工程实施经验，总结出常用的三种Ka频段卫星通信抗雨衰补偿方法：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。　　【关键词】Ka频段卫星通信雨衰　　一、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

2、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

3、缓解降雨造成的影响，显得非常重要。　　二、雨衰产生机理与ITU-R预测模型　　2.1雨衰产生的机理　　依据无线电波传播的理论分析得出，雨衰对信号的直接影响是造成信号的功率降低，主要有以下三种情况：　　首先，雨滴等水汽凝成物将会吸收入射电波的一部分能量，并转换为热能消耗掉，同时雨滴等水汽凝成物还是二次辐射源，把部分入射电波的能量散射到周围空间。　　其次，降雨还会增加天线的噪声温度，进而造成地球站接收系统噪声温度的增加，直接影响到接收系统的G/T值，进一步降低了下行信号载噪比。　　此外，雨滴在降落时会受到空气的阻尼作用，产生形状的变化，由原来的球形变成椭球形。当某种极化电波通过此椭球形

4、的雨滴时，如果极化面与主轴方向成一定夹角，电场在主轴方向分量就受到影响，产生电波的去极化。　　2.2ITU-R雨衰模型　　目前，国外已有较多的方法用于计算卫星通信链路的降雨衰减情况。考虑简便、实用，并结合我国实际情况，认为ITU-R雨衰模型的总体性能最佳[1]。　　ITU-R模型的计算步骤具体如下：　　三、各区域Ka波段降雨衰减值的研究　　3.1相关降雨数据　　我国地域广阔，降雨气候差异显著，具体有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带、北温带和高原气候区，这导致了降雨衰减值的分布存在明显的区域性。本文选取具有代表性的8个我国城市（每个区域选1个），覆盖了经度93°E

5、至126°E、纬度20°N至43°N的区域。根据各地区的降雨数据，获得选取的8个城市的海拔高度、纬度、经度还有时间0.01%的降雨率R0.01[2]，如表2所示。表28个典型站点的地理位置和降雨率　　3.2Ka波段降雨衰减值的计算　　Ka频段降雨衰减与降雨强度、链路极化和地球站工作仰角等密切相关，降雨衰减随降雨量增大呈指数增长。采用ITU-R预测模型，对静止轨道位置在103°E，上、下行频率分别为30GHz和20GHz的Ka频段卫星通信进行降雨衰减数值计算，结果如表3所示。　　四、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

6、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]。　　4.1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

7、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2所示。　　4.2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3所示。　　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