Ka频段卫星动中通链路雨衰预测与对策分析

刘 杉，江卫民，文郑杰，宋忠海，周 伟，张建勋,2

(1.中国人民解放军96751部队，辽宁 大连 116000;2.火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

0 引言

雨衰是指电磁波进入雨层后引起的衰减，主要包括雨粒散射和吸收导致的衰减[1]。Ka频段上行信号频率一般在30 GHz左右，这个频段的信号波长和雨滴直径相近[2]。因此，Ka频段下降雨时电磁波产生的衰减更大，严重时甚至会产生通信中断[3-4]。卫星动中通常安装于运动载体上，其通信链路受周围环境(特别是降雨)的影响更为显著[5]。

为了保证通信质量，传统的卫星通信系统往往会按照最严重降雨损耗为系统预留一定的备用余量，使整个链路能补偿雨天最坏情况下的降雨衰减。但降雨是一个随机事件，由降雨而带来的信号衰减也随地域的不同和降雨量的多少而不同。若一年中很少时间里才能用到这些备用余量，就可能会造成资源浪费[6-7]。与之相反，若在信道链路状态太差的时候又得不到补偿，则可能造成信号受损甚至中断。鉴于此，合理设计卫星动中通链路通信系统，就必须较为准确地估算降雨的衰减值。

针对以上问题，本文基于ITU-R降雨衰减预测模型，根据雨量的大小不同，对Ka频段卫星通信链路的影响进行分析，基于实测数据，分别从改变调制方式、传输速率、上行功率控制等方面给出了解决对策。

1 降雨衰减原理分析

目前，在已有的降雨衰减估算方法中，基本思路主要是按照不同的时间概率，估算最大雨衰量的统计值，差别只在于雨区、降雨强度和降雨高度等的取值不同。本文主要基于经典模型ITU-R P.618-11来研究降雨衰减的预测问题[8]。

众所周知，Ka频段下卫星通信链路的降雨衰减受到该城市的经纬度、降雨强度、极化方式、工作仰角、卫星经度、工作频率等很多因素的影响[9-10]。鉴于此，首先确定所研究城市的地理位置，根据当地气象部门得到超过降雨衰减的时间百分比p=0.01%(1 min累计时间)时的降雨率[1]，定义为R001(mm/h)。然后，基于ITU-R P.618-11降雨衰减预报模型和该城市的相关地理参数[11]，便可以计算出p=0.01%时间概率降雨衰减值A001：

式中，γR为衰减率(dB/K)；Le为电波穿过的有效路径长度；R001为超过降雨衰减的时间百分比p=0.01%(1 min累计时间)时的降雨率(mm/h)。此外，需要注意的是，系数k，α是关于频率、仰角和极化倾角的函数，可利用所关注频率的回归系数kH、kV、αH、αV计算得到，具体如下：

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos2τ]/2，

(2)

α=[kHαH+kVαV+

(kHαH-kVαV)cos2θcos2τ]/2k，

(3)

式中，θ为路径仰角(°)；τ为线性极化传输相对于水平面的极化倾角(°)。对于圆极化，则有τ=45°。

另外，对于其他超过降雨衰减的时间百分比的p(0.001%～5%)值，其衰减预报Ap可通过下式计算得到：

lnAp=lnA001-[0.655+0.033lnp-

0.045lnA001-β(1-p)sinθ]lnp，

(4)

式中，

(5)

这样，便得到了任意p取值下衰减预报Ap的求解方法。

2 雨衰预测分析

为了进一步定量探究降雨衰减对动中通链路通信产生的影响，本文以西安地面为例开展分析，具体卫星参数为：卫星选择亚太7号，其轨道位于105°E，工作频率为30 GHz(动中通作为发射端)/20 GHz(动中通作为接收端)，有效地球半径为8 500 km，圆极化，τ=45°。此外，西安地区地面站的地理参数如下：超过降雨衰减的时间百分比p=0.01%时的降雨率为R001=22 mm/h，纬度为34.27°N，经度为108.9°E，海拔为0.872 km，仰角为50.01°[12]。

根据ITU-R雨衰预测模型，在20 GHz(动中通作为接收端)、30 GHz(动中通作为发射端)频率下仿真该地区的降雨时间百分概率p和所对应的雨衰值Ap的关系曲线如图1所示。

图1 西安地区降雨损耗曲线Fig.1 Rain loss curve in Xi’an

由图1可以看出，对于同一个地面站，降雨衰减随着工作频率的增大而增大，在降雨百分概率p=0.01%的条件下，20 GHz(动中通作为接收端)下最大损耗达8 dB，30 GHz(动中通作为发射端)下最大损耗达17 dB。

进一步，根据ITU-R雨衰预测模型，便可得到在20，30 GHz频率下西安地区不同降雨类型产生的衰减值，表1给出了动中通分别在20 GHz(作为接收端)和30 GHz(作为发射端)时，不同降雨类型下的衰减值。

表1 不同降雨类型下的衰减值

由表1可以看出，在不同的降雨类型下，其雨衰值差异较大。例如，在20 GHz的工作频率下，细雨所产生的降雨衰减只有0.065 dB，而大雨时所产生的衰减则可以达到7.15 dB。

3 降低雨衰影响策略

如前所述，电磁波进入雨层会发生衰减，即雨衰。给卫星通信链路上的电波信号产生不良影响，特别Ka频段下降雨对电磁波产生的衰减更大，导致通信质量的大幅度下降，甚至通信中断[12]。因此，必须采取有效的措施来避免或者降低雨衰的影响。针对雨衰的基本原理与特性，本文主对以下4种策略进行讨论与分析。

3.1 改变调制方式

改变调制方式，可以使卫星在不同传输信道条件下能够充分利用带宽、降低信息传输速率并减小用户接收机误码率。使信道条件较差的用户在较低的传输速率下正常通信，充分利用信道资源，提高系统的整体吞吐量。表2给出了动中通分别作为发射端和接收端时，不同调制方式下对链路余量产生的影响。

表2 不同调制方式对余量的影响

由表2可以看出，动中通作为发射端时，改变调制的方式对链路余量的影响并不大，且晴天的情况下链路余量仍为负值，显然改变调制方式无法解决通信中断问题。相比之下，动中通作为接收端时，BPSK明显优于其他2种方式，说明了改变调制方式可以提高链路余量。

进一步，本文给出了不同降雨量下，动中通作为接收端，改变调制方式对链路余量的影响，如图2所示。

图2 不同调制方式下降雨量对链路余量影响Fig.2 Influence of rainfall on link margin under different modulation methods

由图2可以看出，当动中通作为接收端时，将8PSK变为QPSK，链路余量可提高约1.2 dB，将QPSK变为BPSK，其链路余量可提高1.6 dB。在小雨、中雨的情况下，采用低阶的调制方式可以有效地解决雨衰导致链路余量不足而产生的衰减问题。但是随着雨量的继续增大，在大雨甚至雨量更大的情况下(雨量大于12 mm/h)，即使改变调制方式，链路余量均为负值。这说明了仅仅通过改变调制方式无法完全解决雨衰带来的影响。

3.2 改变编码方式

采用纠错编码的目的主要是通过降低系统的门限要求来减轻降雨的影响，在一定程度上可以转变传输误码率，通过降低编码率可以有效提高编码增益，这种方法在雨衰较大的情况下较为有效。

例如，编码率为1/2的卷积码，通过维特比译码可以将编码增益调整为5 dB。但是，编码率的降低不是无限的，存在一个限度，如果超出该限度，再继续降低编码率也很难获得更多的改善，即编码增益的提高将不再明显。

此外，需要注意的是，动中通分别作为发射端和接收端时，这种方法的效果也存在明显的差异。图3、图4显示了不同雨量下动中通分别作为发射端和接收端，分别改变前向纠错码(FEC)和门限值Eb/N0对链路余量的影响。

图3 不同雨量下动中通作为发射端编码方式对余量的影响Fig.3 The impact of moving-in-transmission as the encoding method of the transmitter on the margin under different rainfall

图4 不同雨量下动中通作为接收端编码方式对余量的影响Fig.4 The influence of the dynamic link as the receiving end encoding method on the margin under different rainfall

由图3可以看出，当动中通作为发射端时，降低编码率仅能有效解决小雨或中雨的雨衰带来的通信中断问题，但是若雨量继续增大，其改善效果并不明显。另一方面，由图4可以看出，当动中通作为接收端时，将前向纠错编码由7/8降低至1/2，其链路余量可增加约4 dB，即使在大雨情况下也可以有效地解决因余量不足而产生的中断问题。

3.3 降低传输信息速率

降低传输信息速率在一定程度上可以很好地降低雨衰的影响。在晴天时可以使用高速率来传输大部分业务，当受降雨衰减影响并超过一定门限时，则可采用低速率来传输业务。因此，降低传输信息速率的方法只能应用于每条链路可同时工作于高速率和低速率的通信系统。

与前面类似，动中通分别作为发射端和接收端时，此种方法的效果也存在明显差异。为进一步对比说明，图5、图6给出了不同雨量下动中通分别作为发射端和接收端时，改变系统传输的信息速率对链路余量的影响。

图5 不同雨量下动中通作为发射端信息速率对余量的影响Fig.5 The influence of the information rate of the transmitter as the information rate on the margin under different rainfall conditions

图6 不同雨量下动中通作为接收端信息速率对余量的影响Fig.6 The influence of the information rate of the receiver as the information rate on the margin under different rainfall

通过图5和图6的对比可以发现，在降雨量较大的情况下，如大雨进行视频传输(即高速率通信)，链路显然无法进行通信，若转化为数据通信，降低信息传输速率，则可以较好地解决降雨衰减而造成的通信中断问题。

3.4 增大地球站功放

卫星动中通通信系统是功率受限系统， 在一个因余量不足而产生中断的系统中，其卫星功率占用率往往低于卫星带宽占用率[13]，此时，可通过选择更高功率的动中通功放，予以解决。

图7展示了不同功放对链路余量的影响，可以看出，当动中通作为接收端时，余量相对较为充足，然而功放在30 W就已经趋于饱和了，进一步增大功放对链路影响并不大。当动中通作为发射端时，功放一直都处于未饱和状态，然而功放超过40 W时链路余量才为正值，功放的大小决定了价格，故成本较高。

图7 不同功放对链路余量的影响Fig.7 The influence of different power amplifiers on link margin

进一步，本文分析了不同雨量下动中通分别作为发射端和接收端，改变功放对链路余量的影响，如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出，动中通作为发射端时，需要提供较大功率的功放，才能保证链路畅通，且改变功率对其链路影响不大。与之相反，当动中通作为接收端时，所需功放瓦数较小，但也存在易饱和的缺陷，这可以在一定程度内缓解因链路余量不足而导致通信中断的问题。

图8 不同雨量下动中通作为接收端功放对余量的影响Fig.8 The impact of moving midway as a receiver power amplifier on margin under different rainfall

图9 不同雨量下动中通作为发射端功放对余量的影响Fig.9 The impact of moving mid-channel as the transmitting end power amplifier on margin under different rainfall

4 结束语

针对卫星通信链路降雨衰减特性，基于ITU-R模型研究了Ka频段链路雨衰预测问题，进而得到了不同降雨量对链路性能带来的影响。然后，综合考虑了通信要求、链路余量，针对因降雨衰减造成链路余量不足引起的通信中断给出了4种相应的解决办法。实验结果具有较强的实用性，能够为卫星动中通在不同降雨环境下的链路设计及链路通信提供有效技术支撑，具有较强的参考价值。