卫星通信中雨衰影响的仿真软件及仿真实验结果的研究

梅妍玭

(扬州职业大学，江苏扬州225009)

随着通信技术的发展，卫星通信由于基本不受地域和自然条件的限制以及通信距离远、机动灵活等优点越来越受到人们的青睐。当卫星通信系统应用到Ka频段时，降雨衰减就成为了影响通信质量的主要原因，研究此频段上降雨衰减对卫星通信链路的影响十分重要。本文基于Visual Basic 6.0[1]程序设计语言，依据地球站天线增益、天线效率、系统噪声温度以及降雨衰减对卫星链路性能的影响的公式，以假设的Ka频段卫星转发器为例，对卫星链路特性进行分析和推导，综合考虑临信道干扰、正交极化干扰、邻星干扰、降雨衰减、系统噪声温度、馈线损耗、指向损耗等因素对卫星链路的影响，尽量切合实际工程应用中的情况，设计了雨衰对卫星链路影响的仿真软件，提供友好且易于操作的界面，可作为实际工程设计的工具。

1 雨衰对卫星链路影响的仿真软件设计

1.1 参数设置

卫星链路计算所需参数设置有:(1)上行链路:打开上行链路参数值的设置页面，天线效率默认为由公式计算得到，显示为“计算得”，也可以选择自己设定参数值;(2)下行链路:打开下行链路参数值的设置页面，天线效率默认为由公式计算得到，显示为“由计算得”，也可以选择自己设定参数值;(3)雨衰模式:打开雨衰模式的设置页面，选择上下行链路的雨衰模型，选择ITU模型[2]默认为从ITU－R P.837建议中所给出的降雨率图中获取一个估值，显示“默认”，也可以输入当地实际的平均年0.01%时间概率降雨率;(4)卫星参数:打开卫星参数值的设置页面;(5)载波调制:打开调制方式的设置页面。

1.2 程序结构设计

运行模式有三种:普通模式[3]、最小发射功率模式[4]和最小发射天线口径模式。程序流程见图1。

图1 程序流程

雨衰影响下最小发射功率模式是先假设一个发射功率，以反复迭代，逐次逼近的方法求得最小发射功率，最小发射功率计算的程序流程见图2。图中Eb/No为系统最低载噪比;C为(Eb/No)u、(Eb/No)d中较小的值;ε为允许的误差值。

图2 雨衰影响下最小发射功率模式的程序流程

1.3 输出计算结果

计算结果输出界面见图3。

图3 链路计算结果

上行链路:显示上行链路相关参数值的计算结果，包括发射天线EIRP、路径损耗、雨衰以及上行Eb/No。

下行链路:显示下行链路相关参数值的计算结果，包括卫星天线EIRP、路径损耗、雨衰、降雨引起的衰减、下行链路衰减、系统噪声以及下行Eb/No。

完整链路:显示整个链路相关参数值的计算结果，包括系统载噪比C/N，系统能噪比Eb/No以及系统裕量。

系统功率:显示系统功率相关参数值的计算结果，包括上行天线效率、上行天线增益、下行天线效率、下行天线增益、最小发射功率、占用转发器功率百分比、最小使用带宽以及占用转发器带宽百分比。

2 仿真结果分析

2.1 雨衰对Ka频段上下行链路的影响

假设Ka频段卫星转发器发射载波频率为Ft=30.5GHz，接收载波频率为Fr=20.7GHz，卫星经度为100°E，年使用率为99.5%，同样在南京地区收发。雨衰对上下行链路的衰减见图4。

图4 Ka频段雨衰对上下行链路的衰减

由图4可知，降雨量较小(小于20mm·h－1)时，降雨对上下行链路的衰减相差不大，对下行链路的影响略大于上行链路，当雨强较大(大于20mm·h－1)时，高频率雨衰急剧加大，同样雨强对上行链路的影响较大;调制方式确定，占用频带宽度确定，占用卫星转发器带宽百分比为4.44%，Ka频段是功率受限系统。

2.2 通过自适应上行功率控制抗上行雨衰

2.2.1 有雨时上行链路的自适应功率控制

假设北京发射，南京接收，北京地区有雨即上行链路有雨，Ka频段卫星转发器参数同上文所设。实验数据见表1，整理实验数据得表2。

2.2.2 有雨时下行链路的自适应功率控制

参数设置同上一实验设置完全相同，考察下行有雨时的情况，实验数据见表3，整理试验数据见表4。

表1 上行有雨时自适应功率控制

表2 上行链路有雨时系统性能变化

表3 下行有雨时自适应功率控制

表4 下行链路有雨时系统性能变化

定性地把两组数据合在一张图上，可见两者之间的关系，见图5。

由图5可知，下行链路降雨对系统链路能噪比的损耗与上行补偿的功率可以看做一定的线性关系，上行由于高频雨衰严重，随着降雨量的增加雨衰急剧加大;同样的降雨量上行雨对系统能噪比的影响较大。

当上行有雨时采用自适应上行功控，占用卫星转发器的功率百分比略有增加，而下行有雨时如果采用自适应上行功控会极大的占用卫星转发器的功率，见表3、表4。

图5 雨强变化对自适应功控的影响

如果下行链路有雨，通常不可能通过加大发射功率来补偿下行雨衰，这样会加大卫星转发器的功率占用，这在实际应用中是不允许的。通过上行功率控制补偿上行链路雨衰是合理的抗上行雨衰的策略。

2.3 通过卫星转发器参数设置抗下行雨衰

加大接收天线口径的抗下行雨衰策略会带来一系列弊端。例如，大口径天线的波束窄，通常需要自动跟踪装置，带来设备成本的大幅度上升和可靠性下降，也失去了Ka频段小站小型化的优势。在Ka频段卫星通信系统设计时，首先要从卫星转发器的角度考虑如何抗下行雨衰。

假设Ka频段卫星转发器对主要城市EIRP、G/T值的覆盖图见表5。

表5 Ka频段卫星对部分主要城市EIRP、G/T值

在雨衰条件下，首先考虑卫星EIRP对卫星链路性能的影响。采用1m口径天线作为接收天线，SFD为－100dBW·m－2，G/T值为7dB·K－1，年可用率99.5%，门限能噪比为5dB，卫星转发器EIRP分别为48dBW和54dBW，仿真结果见表6。

从结果可以看出，增加卫星转发器的EIRP是一种有效的抗下行雨衰的策略。

表6 卫星转发器EIRP对卫星链路的影响

在雨衰条件下，考虑卫星转发器SFD值对卫星链路的影响，采用1m口径天线，EIRP为54 dBW，G/T值为7 dB·K－1，年可用率99.5%，门限能噪比5dB，卫星转发器SFD值分别为－100dBW·m－2和－90dBW·m－2，仿真结果见表7。

从结果可以看出，增加卫星转发器的SFD值，也是一种有效的抗下行雨衰的策略。

在雨衰条件下，考虑卫星转发器G/T值对卫星链路的影响，采用1m口径天线，SFD为－90dBW·m－2，EIRP为54 dBW，年可用率99.5%，门限能噪比5dB，卫星转发器的G/T值分别为2dB·K－1和7dB·K－1，仿真结果见表8。

表8 卫星转发器G/T对卫星链路的影响

从结果可以看出，增加卫星转发器的G/T值，也是一种有效的抗下行雨衰的策略。

[1]罗朝盛，余文芳.Visual Basic 6.0程序设计基础教程[M].北京:人民邮电出版社，2005.

[2]宫宪一.卫星通信技术[M].北京:人民邮电出版社，1985.

[3]王振河，王增利，郑军.Ka频段卫星通信雨衰分析及解决策略[J].飞行器测控学报，2005(6):7－9.

[4]成跃进.Ka频段通信卫星与Ka频段转发器技术[J].空间电子技术，2000(2):20－48.