对Ku波段卫星应用组网中雨衰影响的研究和处置

赵国顺 刘志巍 金琪 王晓 梁功权 韩晶

本文论述了卫星通信中雨衰现象和对抗雨衰的研究与处置效果。通过雨衰大小的估测和计算阐述雨衰影响，参照卫星通信系统在河南地区的实际应用情况，说明了通过前向纠错编码技术和功率自动控制等对抗雨衰的措施和方法可有效控制减小雨衰。

【关键词】卫星通信 雨衰测算 控制措施

1 引言

随着卫星通信应用行业的日渐推广，卫星通信在各个领域尤其在应急指挥行业正迅速发展，实时不间断通信是整个系统的关键，卫星通信受天气等自然条件影响的客观现实就显得不容忽视。作为近年我国应用较多的一个波段，Ku波段（12GHz-18GHz）的波长和雨滴的线度接近，雨衰问题就显得格外突出，因此对Ku波段卫星通信中雨衰大小进行估测计算很有必要，这种估测计算可以给卫星上行通信站和各地面卫星接收系统的工程应用设计提供必要的参照信息。

2 雨衰影响的计算分析

2.1 雨衰现象和影响

雨衰，即降雨衰减，是指电磁波在空间传播时由于降雨的影响造成的雨滴吸收和散射而产生的衰减。当电波穿过降雨的区域时，由于雨衰链路丢包率增大，而对于强降雨情况，其误比特率有时会非常大。雨衰的大小和雨滴半径与波长的比值有着密切的关系，实测结果表明雨滴的半径约在0.025cm～0.3cm之间，而Ku波段内电波的波长在2.5cm左右，由于两者数值较为接近，故雨衰对电波产生的吸收衰减较大。

2.2 降雨噪声

雨衰对电波产生的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天线接收系统等效为天线热噪声，极大的影响接收信号的载噪比。降雨噪声可以用公式（1）来计算：

（1）

其中：R为雨衰值（dB）；W为馈源到LNB间的波导损耗（dB）；Train为雨的温度（K）。由公式（1）可以分析出：当雨衰为0时，噪声温度不会增加；波导损耗为0时，噪声温度只和降雨衰减量有关。噪声温度的增加会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，因此在链路计算时必须考虑其影响。

2.3 雨衰大小的计算和分析

雨滴的物理模型、降雨量、电波的极化方向、工作波长、接收地点的位置及海拔高度等是影响雨衰大小的相关因素，而雨滴的模型和降雨量又因地而异，故而雨衰大小的估测较为复杂，但仍可通过以下公式进行计算作为参考。

每年0.01%时间内可超过的降雨衰减量A0.01可由公式（2）求出：

A0.01=gRLsr0.01（dB） （2）

其中，Ls为穿过雨区电波传播的斜路径长度（km），r0.01为缩小因子，它们分别由公式（3）（4）（5）（6）给出：

Ls=（hr-hs）/sinθ（km） （3）

式中，hr為雨区的有效高度（km），它与接收地点的纬度δ有关，hs为接收地点的海拔高度（km），θ为接收天线仰角。

0<δ<36°时，hr=3+0.028δ；

δ≥36°时，hr=4-0.075（δ-36） （4）

（5）

式中，L0=35exp（-0.015R0.01） （6）

每年p%时间内可超过的衰减量Ap则可由公式（7）求出：

（7）

其中，0.001

以亚洲4号卫星（122°E）Ku转发器为例，郑州地区年平均0.01%时间的降雨量为49mm/h，年平均0.1%时间的降雨量为12mm/h，计算可得到在郑州地区使用亚洲4号卫星Ku波段的可用度和雨衰的对照情况，见表1。

针对Ku波段短时间内暴雨的衰减量会造成通信线路暂时中断的情况，在Ku波段卫星应用设计中有必要采用对抗措施在一定程度上解决雨衰的问题。为了保证高达99.9%的使用率（与0.01%的中断率等价），在Ku波段中整个系统的G/T值要留有较大的余量。

3 对抗雨衰的方法和措施

常用对抗雨衰的措施有在通信链路中备份余量、前向纠错技术、降低速率技术、发射功率自动控制技术、天线口径和极化方式的选择、多站址分集技术等。

考虑Ku波段抗雨衰策略时，首先应准确得到某一特定区域如河南地区的降雨量，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（如连续多年的分钟降雨率），获取该区域在一定时间内精确的降雨特性，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，在此基础上针对性地采取抗雨衰策略，现结合笔者在河南地区应用卫星通信系统的情况进行分析。

3.1 前向纠错技术

采用前向纠错编码技术（FEC）来减小传输的误码率，是对抗雨衰简单易行的一个方法。FEC是利用数据进行传输冗长信息的方法，当传输中出现错误时，将允许接收器再建数据，它通过对比特流进行前向纠错编码来纠正接收数据比特流中的差错。在DVB-S标准中，前向纠错FEC值，通过运用纠错技术适当控制编码率，可在一定程度上改善编码增益。我们在“动中通”卫星通信系统中即采用了前向纠错编码技术，前向纠错FEC设置为3/4，它表示在该速率的总数中，占速率3/4的比特流为有效速率，1/4的比特流为纠错码，此时其编码增益可增加大致3dB。

3.2 自适应速率降低技术

自适应速率降低技术来克服雨衰产生的影响也是十分有效的方法，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和速率减少成正比，当速率减少时对端接收增益会随之提升。在发射功率等其他条件不变时，发射速率减少为一半时对端接收增益Eb/N0可增大3dB，即若发射速率为1024bps时，对端Eb/N0为6dB；发射速率改为512bps时，对端Eb/N0大致增为9dB。当然此时应结合卫星应用网络，对所传音视频等速率带宽和格式进行相应减小和改变，否则会由于带宽不足而引起链路堵塞。

3.3 选择使用低噪声高增益LNB

对于卫星接收站来说，提高可用度的方法是采用更低噪声的LNB，其直接关系着天线接收增益。在Ku频段接收系统，一般可选择噪声系数在0.6dB～0.7dB的低噪声LNB，其增益可达到60dB以上。

如果受车载系统车顶面积和行车等某些因素的制约，不适合运用增大接收天线的口径等手段改善增益，可首先考虑使用低噪声高增益的优质LNB。我们在建设车载“动中通”指挥系统和其他卫星通信系统中均采用了低噪声LNB，参数见表2，车载“动中通”天线口径仅为0.8米，事实证明低噪声LNB可使天线接收增益显著增大，有效弥补天线口径小的不足，在一定程度上增加了链路余量，在系统设计尤其是车载运用时可结合成本因素考虑选择。

4 结束语

系统的实时性、稳定性和可靠性一直是卫星通信的重点和难点，卫星通信会受云层遮挡、雨雪天气、太阳活动等自然条件影响也是一个客观事实。因此，在系统设计时需要充分考虑雨衰现象，依据各地区实际情况，对雨衰大小进行测算分析，采用有效对抗雨衰的措施减小降雨造成的不利影响，增强卫星通信链路的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]车晴.卫星广播中线极化匹配问题的理论分析[J].北京广播学院学报（自然科学版），1998（02）：12

[2]杨运年.降雨对Ku波段卫星通信系统的影响及其对抗措施[J].通讯世界，1998（10）：32-3.

作者简介

赵国顺（1983- ），男，工程师，毕业于中南大学信息科学与工程学院电子信息工程专业。研究方向为卫星通信应用。

作者单位

中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047