Ka频段卫星通信系统抗雨衰技术 .pdfVIP

Ka频段卫星通信系统抗雨衰技术

摘要：Ka频段作为近年来的卫星通信主要发展方向之一，由于受降雨衰减的影

响较为严重。本文介绍了几种常见的抗雨衰措施，并对分集技术、控制技术、自

适应编码等几种经典补偿技术在抗雨衰中的应用进行了论述。

关键词：Ka频段；雨衰；速率分集；上行功率控制；自适应编码调制

引言

随着卫星通信的发展以及终端用户业务需求量的不断增大，如：千兆比特级

宽带数字传输、高清晰度数字电视（HDTV）、高清晰度远程视频会议、远程医疗

及个人卫星通信等，现有的C（6/4GHz）、X（8/7GHz）、Ku（14/12GHz）频段

的卫星通信系统已不能满足宽带、高速、小口径终端等应用的需求，因此，拥有

较高频段带宽的Ka波段（30/20GHz），越来越受到重视并已开始逐步投入使用。

然而，在实际的使用过程中，Ka频段卫星通信虽优势明显但也存在一大缺点-雨

衰，其已成为影响该频段正常通信的主要因素，工程设计时必须给予因地而异的

考虑。随着通信频率的升高，雨衰将严重的损坏卫星链路的性能，如在C频段雨

衰的影响并不明显，但在Ka频段，短时间内（数分钟）雨衰可达到20dB。因此，

如何精确的计算降雨引起的信号衰减值和如何采取高效的雨衰补偿对策缓解降雨

造成的影响，显得非常重要。

一、雨衰的形成机理及其对Ka频段卫星通信的影响

雨衰的1.1形成机理

频段Ku无线信号穿越雨区时，密集的雨滴会吸收一部分无线信号的能量，还

会对无线信号产生散射，散射后的无线信号进而会导致大面积的无线电干扰，使

得无线电波出现去极化效应，这一现象即为雨衰。

频段信Ku号在穿越雨区中的衰减具有非选择性和缓慢的时变特性，雨衰由雨

滴直径与无线信号的波长的比值决定，当无线信号波长大于雨滴直径时，雨衰主

要体现为散射，当无线信号波长小于雨滴直径时，雨衰主要体现为吸收损耗。无

论雨衰体现为哪种特性，都会影响无线信号在传播方向的传输特性。

理论分析和实践研究表明，在Ka波段的无线信号穿越中雨以上的降雨区域时

所出现的衰耗会非常明显，例如对降雨率为22.4mm/h的降雨，在地球站对卫星

的仰角为40°时，C频段的雨衰仅为0.1dB，可忽略；Ku频段的雨衰为4.5dB；Ka

频段的下行链路频率为20GHz时，雨衰为12.2dB，而上行链路频率为30GHz时

的雨衰则高达23dB。

去极化现象1.2

降雨除会对Ka波段信号产生衰减外，还会使得信号出现去极化现象，若无线

信号为单极化传输系统，该现象的影响并不明显，但是对于采用正交极化复用的

双极化传输系统而言，该现象会大大增强正交极化信号间的相互干扰。

无论是线极化还是圆极化，通常都用交叉极化鉴别度XPD（dB）来度量极化

纯度，降雨造成的交叉极化鉴别度变化，计划干扰有所变化，主要的因素如下。

①频率：在8~35GHz频段范围内，频率越高，降雨交叉极化鉴别度就越大，

极化干扰就越小。

②极化面倾角：在0°~45°范围内，降雨交叉极化鉴别度递渐减小，极化干扰

逐渐增大；在45°~90°范围，过程正好相反，降雨交叉极化鉴别度递渐增大，极

化干扰逐渐减小。

③路径仰角：仰角越大，降雨交叉极化鉴别度也越大，极化干扰就越小。

二、抗雨衰相关措施分析

增大链路备余量2.1

预留一定的备余量是无线通信系统链路设计中的一种常见方法，Ka频段的卫

星通信链路中的预留备余量通常为10dB以上。对于降雨较少区域，该余量完全

能够满足抗雨衰要求，但是在某些降雨较多区域，则无法完全依靠该方法实现卫

星通信的抗雨衰。增大余量的最大不足之处在于会占用过多的卫星通信资源，且

在无降雨时会出现资源的浪费。

功率控制2.2

依照通信系统特性为Ka段卫星通信系统配置上行链路自适应功率控制或自动

功率控制等功能可以有效降低雨衰对卫星通信系统带来的影响。

自适应的上行链路功率控制实现原理为：地球站对卫星信号强度进行监测，

并根据监测结果计算出通信链路中的降雨损耗，依照该计算结果对地球站的发射

功率进行动态调整，从而达到雨衰补偿的目的。该方法不仅能够提升系统的通信

容量，还能够有效提升卫星通信信号的可靠性。具体的，上行功率控制又可以分

为开环和闭环两种。开环功率控制是利用地面站所接收到的Ka频段无线信号的

电平变化量