Ka頻段衛星通信自適應抗雨衰控制系統設計

王洋

摘 要 影響Ka頻段衛星通信信道性能的有大氣、降雨、閃爍等因素，降雨衰減是其中最主要的因素。常見的抗雨衰技術有分集技術、功率控制技術、自適應技術、信號處理技術、混合技術。每種方法都存在一定局限性，因此提出一種新型自適應抗雨衰控制系統，能夠根據不同的天氣情況，自適應改變調制解調器、高功率放大器相關參數，滿足不同的通信需求。

關鍵詞 Ka頻段 雨衰 自適應 控制系統

中圖分類號：TN927.2 文獻標識碼：A

0引言

隨著C頻段、Ku頻段衛星資源的逐漸緊張以及對數據傳輸速率越來越高的要求，Ka頻段衛通站的應用越來越廣泛。針對Ka頻段衛星通信受降雨影響較大的問題，傳統的對策是增大天線尺寸和提高高功率放大器發射功率。如果僅僅采取提高發射功率的方法，長時間發射高功率一方面對設備壽命有影響，另一方面大功率余量對鄰近的鏈路有強烈干擾。因此，需要采取一種更靈活的方式來解決Ka頻段降雨衰減的問題。

1雨衰原理分析

1.1雨衰基本原理

當電磁波穿過降雨區域時，雨滴可以吸收電磁波，也可使電磁波產生散射，引起信號幅度、相位、極化和下行波束入射角的變化，從而導致信號傳輸質量的下降和誤碼率上升，影響通信質量。雨滴對電磁波的吸收增加了分子的能量，相應地增加了分子的溫度，最終結果是信號能量得到相應的減少。降雨不僅對衛星通信電磁波信號強度有影響，而且對衛通站天線性能也有影響，會使天線系統噪聲溫度增加，從而導致天線G/T值減小。

1.2影響雨衰大小的因素

=（） （1）

L0為電磁波穿過雨區的長度（km），為降雨衰減率（dB/km），= R ，R為地面降雨率（mm/h）。

在DAH雨衰預測模型下參數 和參數 表達式如下：

= （2）

= （3）

h、 h、 v、 v是衰減率的回歸系數， 是關于頻率f的函數， 是極化角， 是傳播路徑仰角。

電磁波穿越雨區的路徑如圖1所示。

>5€笆?，L0=（hR hS）sin km （4）

<5€笆保軮TU-R（國際電信聯盟無線電通信部門）的建議：

L0=2（hR hS）/（（sin2 +2（hR hS）/Re）1/2+sin ） （5）

將式（2）（3）（4）（5）與式（1）相聯系，可以得到頻率f、極化方式、仰角 、降雨率R與雨衰大小之間的關系：

（1）頻率f越高，電磁波長與雨滴直徑越接近，信號衰減越大；

（2）極化方式不同極化角 也不同，影響參數 和參數 的大小，水平極化時雨衰略大于圓極化，垂直極化時略小于圓極化；

（3）仰角 越小，降雨層高度hR與地面站海拔h0高度差越大，穿過雨區的路徑L0越長，雨衰越大；

（4）降雨率R越大，雨衰越大。

2常見抗雨衰方法

2.1保留鏈路余量

傳統通信鏈路設計時經常采用保留一定鏈路余量的方法，在C頻段通信時通常預留3dB余量，Ku頻段通信時通常預留6dB余量，但在Ka頻段通信時采用這種方法效果不能保證。如果是在降雨量較少的地區，受降雨衰減影響并不明顯，通過保留鏈路余量的方法基本可以滿足對通信的需求；如果是在降雨量較大的地區，受降雨衰減影響比較頻繁，短時間內衰減會達到20dB，鏈路余量保留過小滿足不了通信要求，保留過大又會造成資源浪費。

2.2自適應技術

2.2.1自適應功率控制

自適應功率技術是使用比較早、應用廣泛、抗雨衰效果明顯的技術。按照控制鏈路的不同可分為自適應上行功率控制、自適應下行鏈路功率控制和自適應上下行鏈路功率控制。

自適應功率控制是通過在降雨過程中對鏈路衰減進行估算，然后根據衰減量調整發射電平使接收站接收到的信號電平與沒有雨衰時基本一致。由于地面站發射功率可調整范圍大，方法靈活操作簡單，因此自適應上行功率控制技術應用最為廣泛。但高功率放大器長時間保持大功率會對設備性能、可靠性產生影響。

2.2.2自適應調制

自適應調制是在降雨導致信道特性變差時采用低階調制方式（如BPSK），使信息比特速率減小，保持較低的誤碼率；在晴空信道特性良好時采用高階調制方式（如16QAM），使信息比特速率增大，在維持較低誤碼率的同時占用較小帶寬。自適應調制技術提高了系統的有效性、可靠性和經濟性，但由于Ka頻段通信多數是傳輸高速率業務，對頻譜帶寬需求較高，實現較為困難。

2.2.3自適應編碼

信道編碼能夠提供一定的編碼增益，不同的編碼方式能夠提供不同大小的增益。自適應編碼是通過改變編碼方式或同一編碼的參數來提供足夠的編碼增益來補償降雨衰減導致的信道損失。

自適應編碼能夠起到補償一定雨衰的作用，但要綜合考慮編碼增益、碼率、碼型、同步等問題，沒有一種編碼方式能夠同時滿足這四點要求，因此在保證一定編碼增益的前提下要根據一定標準選擇合適的編碼方式。

2.2.4自適應數據速率

自適應數據速率是在保持系統發射功率和信道誤碼率基本不變的條件下，當信道發生較大衰減變化時，通過自動調整發送端信號傳輸速率（通過改變信息比特速率或碼元速率實現）來實現信息傳輸的技術。這種技術可以一定程度上降低降雨衰減的影響，但隨著數據速率的降低，帶寬功率相應增加，導致相互干擾的產生，而且如果在獲得增益的同時，數據率下降極為明顯，在實際中不僅難以滿足數據傳輸要求而且技術上也很難實現。

3自適應抗雨衰控制系統

3.1新型抗雨衰控制系統構想

由于單一的自適應抗雨衰的方法存在局限性，因此需要一種既能補償短時間內降雨衰減，又能滿足通信對誤碼率、傳輸速率、占用帶寬要求的綜合控制方法。傳統的自適應控制方法在一定條件下能夠起到良好的抗雨衰效果，但并不能適用于所有情況。設想構建一個系統能夠將幾種自適應控制方法的優點加以整合，使其能夠在不同時段、不同傳輸需求時均能體現出較高的有效性、可靠性和經濟性，在雨衰影響減弱過程中自適應恢復信道狀態，當雨衰結束時將信道參數狀態恢復至雨衰前的狀態。

3.2新型抗雨衰控制系統設計

3.2.1 系統功能要求

（1）能夠短時間探測到雨衰影響，本地能夠有告警并能迅速反饋到對通地面站；

（2）用戶能夠選擇工作模式，如保通信質量模式、保通信速率模式、保調制解調模式、保編碼方式模式、保編碼速率模式、保功率穩定模式；

（3）當自動模式下仍不足以補償降雨衰減時，能夠進行告警并可切換為手動模式；

（4）能夠進行雨衰結束判定，當雨衰影響結束后能夠迅速進行判定，并將判定結果反饋到對通地面站；

（5）具有信道狀態恢復功能，當雨衰結束后信道設備能夠迅速恢復至降雨前的參數狀態，使系統工作恢復正常狀態。

3.2.2 自適應控制系統功能框圖

如圖2所示為自適應控制系統功能框圖。在原有衛通鏈路基礎上，增加了信道分析模塊，分別進行雨衰判定和雨衰結束判定，在對通兩個地面站均增加監控終端，用于自適應抗雨衰和自適應系統參數狀態恢復。

3.2.3 系統功能實現

（1）首先要進行雨衰判定。當接收Eb/No（下轉第161頁）（上接第149頁）有大的起伏時，需要判定是信號受到遮擋導致還是雨衰導致，同時需要排除由設備故障導致的下行信號不穩定情況。當判定為雨衰影響時，啟動自適應補償。

（2）在不同時間段在不同工作狀態下，對于傳輸速率、誤碼率等參數有不同的要求，提供給用戶選擇窗口，可以選擇自動模式或手動模式。提供給用戶的幾種模式中，保通信質量模式為只改變發射功率，不改變調制方式、編碼方式、編碼速率和傳輸速率，適用于對信道質量要求較高的情況；保通信速率模式為數據傳輸速率不變，可以改變發射功率、調制方式、編碼方式和速率，適用于對信道質量要求一般但需要保證數據帶寬的情況；保調制解調模式為調制方式不變，可以改變發射功率、編碼方式和速率，適用于頻譜資源有限的情況；保編碼方式模式為不改編碼方式，可以改變發射功率、調制方式、編碼速率和傳輸速率，適用于對信道誤碼率要求較高的情況；保編碼速率模式為不改編碼速率，可以改變發射功率、調制方式、編碼方式和傳輸速率，適用于對信道誤碼率要求較高的情況；保功率穩定模式為發射功率不變，可以改變調制方式、編碼方式和速率、傳輸速率，適用于對功率穩定度有較高要求的情況。

（3）系統初始值設定。針對四種自適應模式，分別設定初始功率補償值、最大功率補償值，除保功率穩定模式外，另外三種模式都可以先功率補償一部分衰減再改變調制方式等參數補償一部分衰減，剩余部分再進行功率補償；設定調制方式可選范圍，如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM等，自適應時遵循由高階到低階逐級改變的原則，避免大幅度改變調制方式；設定編碼方式可選范圍，如LDPC、TPC等，自適應時改為編碼增益高的編碼方式；設定編碼速率可選范圍，如1/2，3/4，7/8，等，自適應時遵循由高速率到低速率逐級改變的原則；設定傳輸速率可選范圍，范圍中的數值應為按照現有速率百分比設定，如：可選范圍10%～50%。

（4）當自動模式下仍不足以補償雨衰對信道的影響時，能夠進行告警并可切換為手動模式。

（5）雨衰結束判定。當跟蹤接收機接受信噪比恢復至降雨前水平時判定為雨衰影響結束，將判定結果反饋至對通地面站，同時進行參數比對，將信道參數狀態恢復至雨衰前的狀態。

4結語

本文在對比現有自適應技術的基礎上，分析得到現有技術存在的局限性。通過設計新型自適應抗雨衰控制系統，能夠實現系統可靠性、有效性和經濟性的統一，滿足不同用戶對通信效果的不同需求。

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