Ku波段卫星通信系统中雨衰影响及对抗措施

2022年7月9日21:29:08Ku波段卫星通信系统中雨衰影响及对抗措施已关闭评论
摘要

薛冬岑【摘要】 ? ?降雨会对Ku波段卫星通信系统的传输造成严重的干扰,其中降雨衰减是影响其传输质量及系统性能的一大重要参数。论述Ku波段卫星通信中降雨衰减产生的原理和影响,通过降雨量的大小进行雨衰估

    薛冬岑

    

    

    【摘要】 ? ?降雨会对Ku波段卫星通信系统的传输造成严重的干扰,其中降雨衰减是影响其传输质量及系统性能的一大重要参数。论述Ku波段卫星通信中降雨衰减产生的原理和影响,通过降雨量的大小进行雨衰估算。阐明能够有效降低Ku波段卫星通信系统传输中降雨衰减造成的不利影响及对抗措施。

    【关键词】 ? ?降雨衰减 ? ?卫星通信 ? ?雨衰估算 ? ?对抗措施

    Abstract:Rainfall caused serious interference to the Ku-band satellite communication system. While the rain attenuation is one of the important parameters affecting the transmission quality and system performance. The principle and influence of rainfall attenuation in ku-band satellite communication are discussed. And the rain attenuation is estimated by the amount of rainfall. The anti-rain attenuation measures to reduce the negative effects of rain attenuation on ku-band satellite communication are expounded.

    Key Words:Rain Attenuation;Satellite Communication;Rain Attenuation Estimated Value;Anti-rain Attenuation Measures

    引言:

    衛星通信无论是在国内还是在国际上都已家喻户晓,当今发展迅猛,由于其通信容量逐步增大,尤其是应急指挥通信领域的很多业务早已从过往的C波段过渡到了Ku波段。Ku波段卫星通信系统不仅比C波段卫星通信系统带宽容量大、抗干扰性更强、地球站天线口径小且方便安装建设,大大节省了建站成本。应急指挥通信需要实时不间断才是整个工作过程的关键,但是卫星通信受到天气等自然条件的影响较大,尤其是降雨造成的衰减,Ku波段的降雨衰减相对于C波段更大。在卫星通信中Ku波段常用频段14.25/12.75GHz,频率高波长短且与雨滴的直径近似,因此在Ku波段卫星通信中降雨衰减格外明显,故迫切需要根据雨量的大小来进行雨衰估算,为了满足卫星通信站之间顺利工作和建站设计提供必要的参数信息。通过对雨衰的产生,对系统的影响以及雨衰估算的结果,采取相适应的对抗措施,减少降雨产生的不利影响。

    一、降雨衰减的产生和影响

    1.1 雨衰的产生

    降雨是一种常见的自然现象,在对流层中近地高度约20Km左右为降雨区,电磁波是卫星通信传播的重要介质,但是电信号即电磁波在传输过程中若遇到降水区域时则会受到其影响。电磁波在穿过降雨区域时,雨滴不但能够吸取部分的电磁波能量,甚至对电磁波产生了散射,若降雨量大,散射还会造成大面积的电磁波干扰,甚至会对电磁波产生去极化现象。在二者共同的影响下,称之为降雨衰减。

    应急指挥通信在卫星通信中常采用Ku频段,相较于C波段其波长更小只有十几毫米,又由于降雨的随机非选择性,雨滴直径的大小通常只有几毫米左右,与Ku波段发射的电磁波波长相差无几,因此Ku波段卫星通信受到降雨衰减的影响要比C波段卫星通信严重的多。降雨衰减会随着降雨量的逐步增高而趋之明显,过大的降雨衰减势必会导致实时通信的断线。在Ku波段卫星应用和地球站建设规划中就很有必要考虑降雨衰减的估算,采取相适应的对抗措施来降低对通信的干扰。电磁波穿过雨区时降雨衰减的强弱与雨滴的直径及波长息息相关,当雨滴的波长小于电磁波的波长时,此时的衰减主要是雨滴对电磁波产生的散射造成的;当雨滴的直径大于电磁波的波长时,此时的衰减主要是雨滴对电磁波吸取部分能量产生的损耗决定的。无论是上述何种情况,都是在电磁波行进方向上造成的衰减;雨滴直径越近似于电磁波波长,则所产生的降雨衰减就越大,通常情况下雨滴直径是远远小于电磁波波长的,因此,对于C波段卫星通信来说,频率相对较低,波长长,则降雨衰减近似于无。

    根据国际无线电咨询委员会(CCIR)(现国际电信联盟无线电部门(ITU-R))绘制的降雨衰减量与工作频率、降雨量的关系曲线如图1中:实线表示降雨量从小雨到暴雨对电磁波产生的衰减;虚线表示云、雾引起的衰减。由图1观察得知,对于C波段(6/4GHz)卫星通信来说只有遇到大到暴雨时才会产生少量的降雨衰减,即使是暴雨造成的最大降雨衰减也小于1dB/Km;对于Ku波段(14.25/12.75GHz)不仅频率高,波长短甚至与雨滴直径近似,受到降雨衰减影响更严重。

    以图1中的中雨(降雨量4mm/h)为例来观察Ku波段的降雨衰减量,假设电磁波穿过降雨区域的有效路径为15Km时,则上行链路衰减量为3dB左右,下行链路衰减量为1.5dB左右;若遇到暴雨(降雨量100mm/h)时,降雨高度通常集中在2Km以内,则上行链路衰减量为16dB左右,下行链路衰减量为14dB左右。可见降雨量逐渐增大,Ku波段降雨衰减量迅速升高,故可见降雨衰减量同降雨量的大小成正比关系。

    1.2 降雨噪声

    降雨不光对电磁波产生吸收损耗和散射,同时还会对整个通信系统产生热噪声,由于降雨会产生噪声,其会对地球站接收端产生干扰,这种干扰折合到天线接收端就会等同为天线的热噪声,故也称为降雨噪声,对地球站接收端的载噪比会造成较大的影响,产生的影响也跟天线结构和降雨衰减量的大小息息相关。据卫星通信现有的工程应用经验得出,产生0.1dB衰减,噪声温度会升高6.7K。通常来说,降雨噪声造成的影响与地球站天线的俯仰成反比,因为降雨时,即使雨量增大,雨滴呈扁平状,其纵轴长度小于横轴长度,地球站仰角越高就意味着电磁波在穿过雨滴时所经过其纵轴的路径越短,所以降雨衰减量就越小。降雨噪声可用公式(1)来计算:

    式中:E为天线的有效全向辐射功率(dB);A为降雨衰减值(dB);W为天线的馈源到LNB之间的波导损耗(dB);Train为雨的温度(K)。

    式中可见噪声温度高低视降雨衰减值的降低而减小,如果不存在降雨衰减现象,噪声温度就不会增加。如果不存在波导损耗,噪声温度就主要是由降雨衰减产生的。噪声温度的大小主要影响天线接收端的载噪比,即G/T值,噪声温度越高,而信号的质量越低,地球站的可用性就降到了最低,因此,地球站建站规划时以及链路计算中这些参数是必须重视的。

    1.3 降雨去极化现象

    卫星通信中的应急指挥通信通常应用双极化系统即采用正交极化达到频率复用的目的,以此来提高系统的可用度和频带的利用率。降雨不仅会对Ku波段的电磁波造成吸收损耗和散射,还会引起交叉极化干扰即去极化,同时,入射波的极化波面也与之相关。因为随着降雨量的增强,雨滴是呈扁平状,在雨滴的纵轴和横轴两个方向上产生的交叉极化干扰称为微分衰减(图2),产生的相位偏移称为微分相移。去极化对于单极化系统的影响几乎可以忽略不计,但若采用双极化系统,因其会产生正交极化复用并导致极化隔离度大大降低,致使正交极化信号相互干扰。通常使用交叉极化鉴别度(用分贝(dB)表示)来衡量极化,其定义为在给定的信道上会产生主极化分量和交叉极化分量,二者取其比值。例如在给定的信道上主极化分量为垂直极化,则信号在该信道产生的交叉极化分量为水平极化,二者之比即为交叉极化鉴别度,其值越高,纯度越高,表示产生的交叉极化分量就越少。

    在实际应用中,接收天线不可能完全没有交叉极化分量的产生,但对于C波段(6/4GHz)卫星通信来说去极化现象影响甚微,主要会对Ku波段卫星通信系统其工作频率在10GHz以上产生干扰。

    1.4 雨衰估算

    降雨量的大小随着地区和季节不同差别会很大,自然界中的降雨量在统计上也是不可预测的,所以测量降雨对实时通信产生的干扰要在不同的降雨情况下估算。降雨的不同情况用降雨率(mm/h,即每小时降雨量)来表示,指某地区雨水积蓄的速度。

    某一地区的降雨情况一般描述为:降雨率超过的时间比例为P%(P通常取值为:0.001、0.01、0.1、1)。降雨衰减的估算需要收集大量的必要参数,此次估算以北京降雨情况为例,虽然没有当地降雨的实测数据,但可根据国际无线电咨询委员会(CCIR)(现国际电信联盟无线电部门(ITU-R))规划的雨区分布和降雨率情况得知,北京被列在平均降雨率为42mm/h(时间百分比为0.01%)的K地区,也就是说北京地区降雨率超过42mm/h的时间比率为0.01%,相当于每年有0.85小时的降雨率超过了此值。

    以亚洲9号卫星(122.1°E)Ku转发器为例,设地球站为北京市区某站,地球站高度h0=0.049(Km),纬度We=39.9°,天线仰角EI=51°,经计算大致得到其降雨区的有效高度hr=3.7(Km),电磁波穿过雨区传播的斜路径长度,斜路径在水平方向上的投影LG=4.7cos51°=2.96(Km),根据以上数值查ITU-R给出的衰减因子表格可得,故电磁波经过降雨区域的有效路径长度L=4.7×0.88=4.14(Km)。综合上述各参数计算结果得到北京每年降雨量超过42mm/h所产生的总的降雨衰减量A=1.49×4.14=6.17(dB)。因此,降雨衰减对于Ku波段卫星通信会造成很严重的影响,甚至令地球站发射和接收功率降至正常通信要求的门限之下。又由于降雨衰减也与地球站天线的俯仰角有一定关系,例如天线仰角EI=19°,其他参数不变的情况下得到的降雨衰减量为11.21dB,故地球站天线仰角越大,电磁波穿过雨区的距离越短,降雨衰减量越小,否则越大。但是各个地区地球站天线対星的俯仰角通常是不会变化的,所以不同地区降雨衰减也是不同的。

    二、针对降雨衰减的对抗措施

    Ku波段卫星通信中的应急指挥通信考虑到对抗降雨衰减的策略时,应当根据某地量化的确切数据来确定待测算区域比如北京地区的降雨衰减量,它要求进行长期的观测量和长期的连续降雨实际测量数据,归结该地区精确的降雨统计特性,得出该地区在不同条件下降雨衰减量的实际情况,在此基础上针对降雨衰减的对抗措施如下:

    2.1 通信链路的备余量

    卫星通信链路中常用的传统方法就是备份余量。例如在C波段卫星通信链路中备份预留3-7dB余量,Ku波段卫星通信链路中备份预留6-10dB余量。在缺水或降雨稀少区域,如沙漠中降水极少,如有备份余量足,则以支撑系统的可用需求,但在降雨多发区,特别是夏季多暴雨时期,降雨衰减可达10dB以上,这种情况下备份余量可能完全不够用,就要考虑其他方法了。

    综上所述,晴天时链路备份余量可能产生浪费,暴雨天时,也会出现不能满足系统需求的情况。

    2.2 极化方式和天线口径的选择

    降雨的随机性也造成了雨滴的形状大小不一,不同大小的雨滴对信号造成的衰减也不一。随着降雨的增大,雨滴不仅呈现扁平状,且在水平直径也变大。对于线极化而言,因雨滴水平直径大于纵向直径,水平极化方式的衰减大于垂直极化方式,也就是说在工作频率12GHz以上的卫星通信中,就抗雨衰性能而言,垂直极化方式优于水平极化方式。

    根据公式可知,其中接收天线增益G与接收天面口径D呈对数函数关系,故大天面口径越大,接收天线的增益会随之提高。在降雨多发和地球站天线俯仰角低的地区,使用大口径天线,其接收天线增益越高,系统覆盖的范围就越大。

    但是应急指挥通信中多采用的车载卫星天线受到其局限性,无法采用较大口径天线,一方面携带不便,另一方面加大了成本。

    2.3 前向纠错技术及降速率技术

    在大到暴雨时,降雨衰减量逐步增大,通常利用前向糾错(FEC)即一种编码方式,降低信息传输时的误码率。通过压缩编码速率换取更高的编码增益,例如采用编码速率为FEC 3/4的卷积码,例如常用维比特译码,系统的解调门限为7dB,若再适当减小编码速率,采用FEC 1/2的卷积码,此时系统的解调门限降为5dB。虽然其编码增益提高了,但是牺牲一定的编码速率换取来的,编码速率减小到一定限度,即使继续减小,换取的编码增益也微乎其微。

    当下自适应速率降低技术(ARP)抗雨衰影响相对优越,通信信道在受到雨衰影响时降低数据速率来提高信道的容量,产生的增益与其成正比,例如数据速率减少至1/4时,增益为5dB。综上所述,以上两种技术,可以弥补不同降雨条件下产生的雨衰影响,但降雨量越大,系统有效的可用容量将减小,对于应急通信中的音视频传输过程会造成数据阻塞和卡顿等现象。

    2.4 自动功率控制

    自动功率控制是通过改变系统的功率来实现对卫星通信链路受到降雨衰减的有效补偿。对于设计较为复杂且建设集成繁琐的地球站,可以采用上行链路自适应功率控制(AUPC)和整个系统的自动功率控制(APC)。

    在应急指挥通信中,降雨衰减对上行链路造成的影响大,对其链路的要求更严苛,在上行链路中都会配置功率控制器,对降雨衰减进行自动补偿,其工作原理是:遇到降雨时,地球站接收到卫星转发器传回的信号时,会同步的测算出链路的降雨衰减量,通过上行自动功率控制调整地球站的发射衰减从而控制功率的大小,达到动态补偿降雨衰减的目的,让信号功率保持在饱和或最大功率状态。但若变为晴天时,自动功率控制可能仍然保持在雨天时的衰减功率,从而造成功率严重超发。

    但对于卫星通信的整个系统的自动功率控制(APC)而言,下行链也存在降雨衰减,因此也可以配置功率控制器,采用同时控制上下行链路功率即来对抗降雨衰减,这种动态控制就是以网管系统为基准的。该系统能够全天候不间断的监测出全网上星地球站的收发功率值,通过与晴好天气正常使用时的收发功率值进行比较,实时调整地球站的衰减从而控制功率大小。

    比如网管系统软件中的卫星调制器模式选择自动功率控制参数配置(TPC on UFC on),这意味着自动功率控制功能已开启。综上,自动功率控制可以在阴、雨等甚至恶劣天气下稳定地球站的通信性能。

    三、结束语

    应急指挥通信是战时通信,地质灾害和紧急救援的重要措施,卫星通信是应急指挥通信的重要手段,因其不受距离、时间以及地点等外界因素的制约而广泛应用。

    卫星通信系统的稳定和可靠以及实时通信是其重要指标,卫星通信会受到云、雨、雾,雪等自然因素的影响,通过以北京地区受到的降雨衰减为例,详细地解读了各公式含义以及相应地计算步骤,并根据北京地区量化的降雨量统计特性得出了降雨衰减的估算值。同时阐述了一些常用的对抗法及措施来降低雨衰造成的影响,提高了卫星通信系统的稳定性和可靠性。卫星通信的新技术还有待发展,相信经过日益的研发一定会有新的征程。

    参 ?考 ?文 ?献

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