Ka频段卫星通信分集和自适应抗雨衰技术*

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

针对卫星通信系统中存在的衰减问题，早期在设计C频段与Ku频段工作的系统时，通常只需要采用合适的固定功率就可以保证卫星通信上行/下行链路在所允许的系统可用度下正常工作。传统的对策一是增加天线的尺寸，二是加大系统发射功率。通过采用增大天线直径和发射功率的方法，一般可以保证有5～10 dB余量以克服雨衰。但在少雨地区的Ku频段卫星通信系统中，系统备余量的方法系统已经勉为其难。在Ka频段，特别是多雨地区的Ka频段卫星通信系统中，如果采用功率备余量的方法补偿强雨衰，则需要常年预留20～40的大功率余量[1]。而长期保持大的功率余量，一是使地面站的功率消耗大增，系统建造成本和运行成本大增；二是大功率余量对邻近地空链路和地地链路造成强烈的干扰；三是对于卫星通信系统的下行链路，由于卫星的载荷限制，更不可能提供很大的功率余量储备。因此，针对Ka频段的衰减，必须采取一些灵活有效的措施，既能保证通信质量，又能合理利用资源，同时也可减少链路间的干扰问题。

2 抗衰减技术的分类

在卫星通信中抗衰减技术可以归纳成分集技术、功率控制技术、自适应技术、信号处理技术与混合技术五大类[2-4]。分集技术包括站址分集技术、频率分集技术和轨道分集技术；功率控制技术分为上行链路功率控制、下行链路功率控制和上下链路功率控制，其中上行链路功率控制包括开环、闭环和反馈环路3种；自适应技术分为自适应功率控制技术、自适应调制技术、自适应信道编码技术、自适应多址技术、自适应数据速率技术、自适应天线/波束成型技术、自适应空时编码技术和自适应去极化对消技术，其中自适应去极化对消技术还可分为前向去极化对消、后向去极化对消、统计去极化对消和基带补偿技术。图1给出了抗衰减技术之间的相互关系。

图1 抗衰减技术间的相互关系

3 抗雨衰技术

3.1 分集技术

分集技术也称分集接收技术[5]，是指在发送端采用一定方式把携带相同信息的信号发向若干个互不相关的衰减信道，在接收端采用一定方式对收到的两个或多个衰落特性相互独立的信号进行特定处理，以降低信号电平起伏变化，克服衰减的一种方法。分集接收的理论基础是认为信号各样本所受的干扰情况不同，于是有可能从这些样本中挑选出受干扰最轻的信号或综合出高信噪比的信号来。分集技术的要求是各衰减信号间不相关或相关性很小。

3.1.1站址分集

站址分集(Site Diversity,SD)[6]是空间分集(Spatial Diversity)的一种具体形式。在多雨地区或地面站天线仰角很低的地区采用站址分集是一种行之有效的抗衰减方法。

众所周知，降雨一般具有区域性，气象数据显示地理条件对衰减的影响非常小，可以忽略，卫星链路中的暴风雨是导致Ka频段严重衰减的主要原因。降雨和沙尘暴等恶劣天气一般是区域性事件或本地事件，较大的降雨往往发生在几平方公里范围内的小“降雨区”，而小降雨量事件则覆盖较大的地域。当地面站之间的距离比降雨区覆盖范围大时，各站与卫星之间的路径衰减统计独立，而且两站距离越大，同时经历较大降雨的概率就越小。站址分集正是利用了这种特性，将一条通信链路分配给两个地球站，利用地面链路的分集处理器，对两个终端进行择优。如果其中有一个站的衰减超过了功率储备，那么至少还有另一个站可以使用，这样使得链路质量得到了保障，达到了抗衰减的目的。站址分集示意图如图2所示。两个卫星地面站之间的距离应尽可能远，使它们统计独立。

图2 站址分集原理示意图

3.1.2频率分集

频率分集(Frequency Diversity,FD)[7-8]的基本思想是针对不同的信道衰减，采用不同的工作频率。因为降雨衰减是随着频率的增加而增大，FD正是利用了这样的一个特点。一般情况下工作时，都使用高频段传输大部分业务(Ka频段)，当有降雨事件且使该频段的功率储备余量不足以克服降雨衰减时，系统则自动切换到另一较低频段(Ku频段)，其中低频段的容量是为整个系统所共享。因此，频率分集技术只能应用于每条链路既可以工作于高频段也可工作于较低频段的通信系统。频率分集如图3所示。FD通常使用高频段工作，而使用低频段来协助受降雨衰减影响并超过一定门限的链路。

图3 频率分集示意图

3.1.3轨道分集

轨道分集(Orbital Diversity,OD)[1]也是空间分集的一种具体形式。它是由两个独立的空间部分为单一地面终端提供两条分开的覆盖路径。轨道分集的思路与站址分集类似，包括建立两个卫星转发器来提供两条不同的汇合路径，最终到达同一个地面终端。与站址分集的区别在于，轨道分集不是基于暴雨的区域特性，而是利用了两条汇合路径的去相关。与SD相比，OD不依赖于暴风雨的区域特性，更多的是依赖于两条覆盖路径的统计相关性。实验结果表明：OD所获得的增益是在5 dB范围以内，因此在 Ka频段卫星通信系统中不适宜采用OD技术。

3.2 自适应技术

自适应技术是非常具有发展潜力和研究价值的技术，其基本思想是[9]通过计算链路降雨衰耗，自适应地调整地面站的发射频率、调制方式、编码参数和数据传输速率等，以达到卫星通信可靠传输的目的。

3.2.1自适应功率控制技术

在Ka频段自适应功率控制技术(Adaptive Power Control,APC)[10]是使用较早、应用最多、抗衰减能力最强的一种技术。自适应功率控制可以具体分为上行功率控制(Uplink Power Control,UPC)、下行功率控制(Downlink Power Control,DPC)以及上下行链路同时功率控制(Uplink/Downlink Power Control,U/DPC)，早期的文献把U/DPC称为APC。从系统控制的观点出发，功率控制通常又以开环(Open-loop)控制、闭环(Closed-loop)控制和反馈(Feed Back)环控制方式实现。

(1)自适应上行功率控制技术

上行功率控制[11]是补偿由降雨等因素引起的卫星链路上信号衰减的最实用的技术之一，其工作原理是在降雨期间对上行链路衰减进行估算，然后根据衰减量相应地调整地面站的发射电平，这样在上行链路发生衰减时仍能维持卫星转发器接收到的地面站发射信号电平与晴空时基本相同，从而抵消了降雨对电波信号形成的衰减。上行功率控制的结构如图4所示。

图4 上行功率控制系统框图

虽然上行链路的雨衰强度比下行链路大，但地面站发射功率的动态调整范围也大，UPC简单易行，而且不受传输方式的限制，因此工程实际中都以UPC为主。

(2)自适应上行开环功率控制技术[12-13]

功率控制实现方式的3种方式中,开环方式能独立地估计上行衰减，例如检测卫星发射的信标信号或使用场强计进行估计；闭环方式通过接收经卫星转发器转发后的本站发射载波进行衰减估计，然后调整发射功率；反馈环方式中，每一个站向中心控制站发送信息，通报本站接收的信号强度，中心控制站通过该信息计算每一个站的上行衰减，然后向每一个站发出指令调整它们的发射功率，补偿各自的上行链路衰减。

从实现控制的复杂度来讲，开环技术配置于地面站，可以在每一个站独立实施，不需要从系统设计上进行考虑，因此复杂度最小。它不仅能将断线率控制在要求范围内，在其它时段还能提高系统的通信能力，而且该技术在上下行链路均可应用。使用闭环技术时，能否得到转发载波还取决于卫星通信网的网络结构，在某些网络中甚至不能得到被转发的本站载波。反馈环更复杂，需要从系统设计上进行考虑，额外占用地面站和卫星的资源，而且对没有控制中心和不提供环路信号通道的通信系统来说，反馈环更难以实现。总之,开环方式延迟小，可实时地对雨衰和闪烁进行补偿，而闭环和反馈环两种方式都存在不同程度的延时(闭环0.26 s,反馈环路0.52 s)，且控制系统复杂，同时要依靠卫星网络的结构，所以最易于实现。开环控制方式在Ka频段卫星通信有广泛的应用。

由于自适应下行链路控制技术和自适应上下链路同时控制技术的原理和自适应上行链路控制技术基本相同，不再赘述。

3.2.2自适应调制技术

自适应调制技术(Adaptive Modulation Techniques,AMT)[14]即调制方式自动随系统信道特性变化而改变的技术，是通信中广泛采用的一种技术之一，其目的是为了在带限信道中实现最大信息传输速率，同时又能维持较低的误码率。

自适应调制技术的原理是，当系统的信道特性良好(即晴空天气)时采用一种(如16PSK)调制方式，使系统的信息比特速率加大，有效性增强；当信道特性变差(即大雨天气)时采用另一种调制(BPSK)方式，使系统的信息比特速率减少，这样保证了系统的可靠性不变。虽然在系统中传输的码速恒定，但实际上信息比特速率随调制方式的不同而改变了。在卫星通信系统中采用自适应抗衰减技术，既避免了系统使用大的功率储备而带来的资源浪费，又使系统容量达到了极限值，也就是说采用自适应调制技术可以使系统的有效性、可靠性及经济性都得到兼容和加强。

3.2.3自适应信道编码技术

信道编码(Channel Coding)也叫纠错编码、差错控制编码等，自适应信道编码技术(Adaptive Channel Coding Techniques,ACCT)[15]的基本思路就是根据信道特性的变化，自动地改变信道编码的方式或者改变同一编码方式中的相关参数(例如编码效率)，实现其系统性能整体不变。实质上ACCT是通过增强编码增益来补偿信道衰减带来的损失。

一种编码效率可变的自适应信道编码/译码系统组成如图5所示，地面站A发送的数据经过Ka频段卫星通信信道传向地面站B。当B站遭受衰减时，通过信道估计检测出当前信道衰减情况，判断出链路信号是否受到雨衰影响，然后根据判断结果通过反向信道向发端发出雨衰信息，A站收到有关雨衰信息后，采用改变参数(降低)信息传输速率，同时把信道编码参数改变的信息再发给B站，B站收到发端的信道编码参数设置信息后，改变收端本地译码器的相应参数，使B站译码器按正确的方式进行译码。这样通过纠错编码使接收站的下行链路信号获得了一定深度的编码增益来补偿降雨衰减，从而提高信道的传输质量。

图5 一种自适应信道编码/译码系统框图

选择信道编码方式时，除了要考虑各种编码方式的纠错能力、结构复杂性外，还要从卫星通信系统的总体角度考虑以下几方面[1]：

(1)编码增益问题：在发生降雨衰减期间，所选码的编码增益要满足系统达到误码要求时对接收信号Eb/N0的要求，并能保证有较大的转发器容量；

(2)码率问题：码率的大小直接影响到信道带宽的利用率，尤其Ka频段卫星通信系统面对的都是一些高速率的通信业务，要求采用最大带宽利用率的高比特率码，但是这一要求与保证高编码增益相矛盾，两者必须兼顾考虑；

(3)码型问题：选择的码型要符合具体的通信规约、信息格式或帧结构，同时要考虑是否适应于当前体制，注意所选码的适应性和灵活性；

(4)同步问题：所选码型的编译码器要具有很强的自同步能力，不同时刻雨衰值有很大差异，要获得不同大小的编码增益，实际就是要求根据需要进行码率切换。同步能力的强弱直接影响到码率切换时是否会造成数据丢失。

根据以上要求，卫星通信系统选用的前向纠错码有R-S码、卷积码、BCH分组码、级联码、Turbo 码等。一般情况下，选择同时满足以上所有条件的编码方案在本质上是相互矛盾的，并且很难实现，所以在选择时要优先考虑某些标准。为了补偿Ka频段严重的雨衰，所选的编码方案首先必须能够提供充分的编码增益，其次要能提高信道的利用率。

3.2.4自适应数据速率技术

自适应数据速率技术(Adaptive Data Rate Techniques, ADRT)[16]就是在保持系统发射功率和系统误码率基本不变的前提条件下，当通信信道衰减发生大的变化时，通过自动调整发端信号的传输速率(信息比特速率或码元速率)来实现信息传输的一种技术。当然，这意味着任何时候接收机和发射机的符号速率都是已知。而且在晴天状况时，符号速率可以很高，但随着信道质量变差，速率也随之降低。表1给出了采用BPSK调制，在BER=10-7时，不同传输速率情况下获得的增益和最小载噪比。ADRT在卫星通信中最大不利处在于收发两端同步问题，在实现时除了需要实时变化的比特速率调制器，还需要与当时信号速率变化相适应的可变带宽射频滤波器。因此，如果采用ADRT，整个传输过程中尽管发射功率可以固定不变，但随着数据速率降低，带宽功率会相应增加，最终会导致相互干扰和高阶互调产物的产生。数据表明：如要获得相当于功率10 dB的增益(相对于Ka频段的中等衰减)需要数据率降低10倍。这样信息速率的动态下降在实际应用目前还很难实现。

表1 不同速率时增益等参数比较

3.2.5自适应时分多址技术

自适应时分多址(Adaptive Time Division Multiple Access, ATDMA)技术[17-18]的基本思想是在 TDMA 卫星通信网络中，开辟一定的时隙作为共享资源，这些资源平时可以用来传输一些非实时的业务。当链路发生严重雨衰时，系统根据一定的原则，将这些时隙动态地分配给遭受雨衰的地面站，该站将利用获得的多余时隙，采用更高码率的编码或更低的符号速率来对抗雨衰。要获取系统编码增益，一般传输速率下降一半则信噪比可以增加3 dB)。

采用ATDMA技术，可以实现按需分配共享的资源给用户。这样，那些在一定时间里没有受到衰减的站点也就不需要更多的时隙资源，而受衰减的站点则需要更多的时隙资源以保证可靠的信息传输。事实上，所有站点在发送消息时都工作在同一固定的峰值功率电平，在一定差错率情况下，采用相应最高的传输速率。在 TDMA 系统中，数据传输的速率随传播条件而改变，在没有衰减时，每个站都可以采用高数据率传输。但当某些站点信道衰减增大时，系统可以为其增加TDMA 空余帧来保证通信质量(也可以减少其它站点的数据帧来增加受信道衰减的站点)。可变的时隙帧由网络来设置，但对用户来说是透明的。

误比特率是依据解调端的比特能量噪声比而定，这意味着可以通过延长比特时间即减小传输速率来提高比特能量，从而减小误比特率。若传输速率减小了，则有必要减小接收机带宽，通过滤除带外噪声而使数据信号获得最大增益。该系统的不足是在接收端需要一个可变带宽的滤波器，外加可变码速率的解调器，这将增加系统的复杂度。ATDMA技术一般应用于TDMA系统中，它对抗雨衰减所需的费用不会太高。

3.2.6自适应天线/波束成形技术

天线的自适应特性是指天线具有自动调整自身工作参数以适应周围环境变化的能力。自适应天线/波束成形(Adaptive Antennas/Beam-shaping)，又称为自适应阵列，是一个以阵列天线为基础构成的多通道信号处理系统[19]。它之所以能实现自适应抗衰减，是因为它能够自动调整波束的零点位置使之对准干扰信号的方向，同时保证有用信号的接收始终处于最佳状态。美国军方目前使用的MilstarⅡ通信卫星就配备了先进的自适应调零天线。

自适应天线的组成主要包括阵列天线、波束成形网络和自适应处理器(后两者统称为波束成形器)。波束成形网络对阵列天线单元的多通道接收信号进行复加权(幅度和相位)求和处理，形成所需要的方向图，并实现对阵列天线波束指向及零点位置的控制。波束成形网络的加权系数一般是预先确定的；而对自适应波束成形器来说，加权矢量需要在一定的优化准则下随时进行更新。自适应处理器用来对波束成形网络的复加权系数进行实时调整。

自适应天线的性能可以从暂态和稳态两方面来考虑：暂态性能通常用“暂态响应时间”来衡量，指的是自适应阵列在信号环境发生变化后重新调整好工作参数所需要的时间，它与自适应算法的收敛速率直接相关；稳态性指的是自适应天线在经过自适应调整过程后达到稳定状态时的性能，一般用最小均方误差、最大信噪比、线性约束最小方差、最大似然和最小噪声方差等性能测度来表征，这些性能测度适合于不同的信号环境，但都反映了自适应天线达到稳定状态的改善程度。实际上，不同性能测度所得出的最优权矢量均可归结为Wiener-Hopf方程的解(可能只差一个常数因子)。这一事实表明，维纳解能够确定自适应天线稳态性能的理论极限，因而可以衡量出不同自适应天线系统的性能优劣。但是在对付闪烁引起的衰减时，由于暂态响应时间持续过长，不适宜采用自适应天线技术。

3.3 信号处理技术

信号处理技术在通信系统中一般是用在数据层的，由于数字信号处理技术的快速发展，目前一些信号处理技术正在寻求解决一些涉及到物理层的问题，如通过增加编码或调整编码参数来解决信道衰减问题。因此，信号处理技术在通信系统中有非常大的作用，它不仅能采用硬件实现，也可广泛地采用软件实现。

在Ka频段卫星通信系统中有信号处理技术具体应用在自适应数据速率技术、自适应编码技术、自适应调制技术、自适应空时编码技术、前项纠错(FEC)技术等方面。

3.4 混合技术

混合技术(Hybrid Techniques)是指以上介绍的各种具体技术在实际应用中，可以两个或两个以上综合起来使用，以达到更佳的效果。

4 热点研究方面

4.1 自适应空时编码

自适应空时编码(Adaptive Space-Time Coding)是将分集技术与编码技术结合在一起而成的一种技术，通过多路径传输适宜的编码信号流，而不是独立地由分集传输信号。空时编码将输入的信息流进行处理，然后通过一系列不同的发射机同时发射出在空间具有矢量特征的信号，这些矢量就是空时信号。

4.2 FEC与ARQ相结合

前向纠错(Forward Error Correction,FEC)是一种用于传输所需的码速率而扩展传输带宽的一种编码方式，但是随之而来的是为了保持通信需要降低功率。文献[20]中讨论了ARQ与FEC相结合的方式。文献[1]在持久衰减和与多用户相连的条件下，仿真并分析了基于卫星的可行多广播的性能，结果显示：由于链路接入延迟，对于大多数接收用户群，采用FMT的控制信息导致了不必要的延迟，如果发射方/接收方双方在传输信息以前，就对信道链路有足够的信息，则ARQ与FEC相结合能取得更好的性能。

5 总结与展望

本文深入讨论了Ka频段的抗雨衰技术，在全面系统地总结已有研究成果的基础上，指出了各个技术的实施方法、技术优势和缺陷。在未来Ka频段的研究中，如何有效地将各个抗衰减技术结合起来，充分发挥各自的优越性，同时降低系统的复杂度和实施难度，是研究者们所面临的关键问题。

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