王洋

摘 要 影響Ka頻段衛(wèi)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(shù)有分集技術(shù)、功率控制技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、信號處理技術(shù)、混合技術(shù)。每種方法都存在一定局限性，因此提出一種新型自適應(yīng)抗雨衰控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同的天氣情況，自適應(yīng)改變調(diào)制解調(diào)器、高功率放大器相關(guān)參數(shù)，滿足不同的通信需求。

關(guān)鍵詞 Ka頻段 雨衰 自適應(yīng) 控制系統(tǒng)

中圖分類號：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

隨著C頻段、Ku頻段衛(wèi)星資源的逐漸緊張以及對數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高的要求，Ka頻段衛(wèi)通站的應(yīng)用越來越廣泛。針對Ka頻段衛(wèi)星通信受降雨影響較大的問題，傳統(tǒng)的對策是增大天線尺寸和提高高功率放大器發(fā)射功率。如果僅僅采取提高發(fā)射功率的方法，長時(shí)間發(fā)射高功率一方面對設(shè)備壽命有影響，另一方面大功率余量對鄰近的鏈路有強(qiáng)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(dāng)電磁波穿過降雨區(qū)域時(shí)，雨滴可以吸收電磁波，也可使電磁波產(chǎn)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(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量的下降和誤碼率上升，影響通信質(zhì)量。雨滴對電磁波的吸收增加了分子的能量，相應(yīng)地增加了分子的溫度，最終結(jié)果是信號能量得到相應(yīng)的減少。降雨不僅對衛(wèi)星通信電磁波信號強(qiáng)度有影響，而且對衛(wèi)通站天線性能也有影響，會使天線系統(tǒng)噪聲溫度增加，從而導(dǎo)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(qū)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(yù)測模型下參數(shù) 和參數(shù) 表達(dá)式如下：

= （2）

= （3）

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

電磁波穿越雨區(qū)的路徑如圖1所示。

>5€笆保琇0=（hR hS）sin km （4）

<5€笆保軮TU-R（國際電信聯(lián)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(lián)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(guān)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(shù) 和參數(shù) 的大小，水平極化時(shí)雨衰略大于圓極化，垂直極化時(shí)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(qū)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(tǒng)通信鏈路設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用保留一定鏈路余量的方法，在C頻段通信時(shí)通常預(yù)留3dB余量，Ku頻段通信時(shí)通常預(yù)留6dB余量，但在Ka頻段通信時(shí)采用這種方法效果不能保證。如果是在降雨量較少的地區(qū)，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(qū)，受降雨衰減影響比較頻繁，短時(shí)間內(nèi)衰減會達(dá)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(fèi)。

2.2自適應(yīng)技術(shù)

2.2.1自適應(yīng)功率控制

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

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

2.2.2自適應(yīng)調(diào)制

自適應(yīng)調(diào)制是在降雨導(dǎo)致信道特性變差時(shí)采用低階調(diào)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(shí)采用高階調(diào)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(shí)占用較小帶寬。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)提高了系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，但由于Ka頻段通信多數(shù)是傳輸高速率業(yè)務(wù)，對頻譜帶寬需求較高，實(shí)現(xiàn)較為困難。

2.2.3自適應(yīng)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(yīng)編碼是通過改變編碼方式或同一編碼的參數(shù)來提供足夠的編碼增益來補(bǔ)償降雨衰減導(dǎo)致的信道損失。

自適應(yīng)編碼能夠起到補(bǔ)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(shí)滿足這四點(diǎn)要求，因此在保證一定編碼增益的前提下要根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的編碼方式。

2.2.4自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率

自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率是在保持系統(tǒng)發(fā)射功率和信道誤碼率基本不變的條件下，當(dāng)信道發(fā)生較大衰減變化時(shí)，通過自動(dòng)調(diào)整發(fā)送端信號傳輸速率（通過改變信息比特速率或碼元速率實(shí)現(xiàn)）來實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)募夹g(shù)。這種技術(shù)可以一定程度上降低降雨衰減的影響，但隨著數(shù)據(jù)速率的降低，帶寬功率相應(yīng)增加，導(dǎo)致相互干擾的產(chǎn)生，而且如果在獲得增益的同時(shí)，數(shù)據(jù)率下降極為明顯，在實(shí)際中不僅難以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求而且技術(shù)上也很難實(shí)現(xiàn)。

3自適應(yīng)抗雨衰控制系統(tǒng)

3.1新型抗雨衰控制系統(tǒng)構(gòu)想

由于單一的自適應(yīng)抗雨衰的方法存在局限性，因此需要一種既能補(bǔ)償短時(shí)間內(nèi)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(tǒng)的自適應(yīng)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(shè)想構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)追N自適應(yīng)控制方法的優(yōu)點(diǎn)加以整合，使其能夠在不同時(shí)段、不同傳輸需求時(shí)均能體現(xiàn)出較高的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在雨衰影響減弱過程中自適應(yīng)恢復(fù)信道狀態(tài)，當(dāng)雨衰結(jié)束時(shí)將信道參數(shù)狀態(tài)恢復(fù)至雨衰前的狀態(tài)。

3.2新型抗雨衰控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)功能要求

（1）能夠短時(shí)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(zhì)量模式、保通信速率模式、保調(diào)制解調(diào)模式、保編碼方式模式、保編碼速率模式、保功率穩(wěn)定模式；

（3）當(dāng)自動(dòng)模式下仍不足以補(bǔ)償降雨衰減時(shí)，能夠進(jìn)行告警并可切換為手動(dòng)模式；

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

（5）具有信道狀態(tài)恢復(fù)功能，當(dāng)雨衰結(jié)束后信道設(shè)備能夠迅速恢復(fù)至降雨前的參數(shù)狀態(tài)，使系統(tǒng)工作恢復(fù)正常狀態(tài)。

3.2.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)功能框圖

如圖2所示為自適應(yīng)控制系統(tǒng)功能框圖。在原有衛(wèi)通鏈路基礎(chǔ)上，增加了信道分析模塊，分別進(jìn)行雨衰判定和雨衰結(jié)束判定，在對通兩個(gè)地面站均增加監(jiān)控終端，用于自適應(yīng)抗雨衰和自適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)恢復(fù)。

3.2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

（1）首先要進(jìn)行雨衰判定。當(dāng)接收Eb/No（下轉(zhuǎn)第161頁）（上接第149頁）有大的起伏時(shí)，需要判定是信號受到遮擋導(dǎo)致還是雨衰導(dǎo)致，同時(shí)需要排除由設(shè)備故障導(dǎo)致的下行信號不穩(wěn)定情況。當(dāng)判定為雨衰影響時(shí)，啟動(dòng)自適應(yīng)補(bǔ)償。

（2）在不同時(shí)間段在不同工作狀態(tài)下，對于傳輸速率、誤碼率等參數(shù)有不同的要求，提供給用戶選擇窗口，可以選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。提供給用戶的幾種模式中，保通信質(zhì)量模式為只改變發(fā)射功率，不改變調(diào)制方式、編碼方式、編碼速率和傳輸速率，適用于對信道質(zhì)量要求較高的情況；保通信速率模式為數(shù)據(jù)傳輸速率不變，可以改變發(fā)射功率、調(diào)制方式、編碼方式和速率，適用于對信道質(zhì)量要求一般但需要保證數(shù)據(jù)帶寬的情況；保調(diào)制解調(diào)模式為調(diào)制方式不變，可以改變發(fā)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(fā)射功率、調(diào)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(fā)射功率、調(diào)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(wěn)定模式為發(fā)射功率不變，可以改變調(diào)制方式、編碼方式和速率、傳輸速率，適用于對功率穩(wěn)定度有較高要求的情況。

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

（4）當(dāng)自動(dòng)模式下仍不足以補(bǔ)償雨衰對信道的影響時(shí)，能夠進(jìn)行告警并可切換為手動(dòng)模式。

（5）雨衰結(jié)束判定。當(dāng)跟蹤接收機(jī)接受信噪比恢復(fù)至降雨前水平時(shí)判定為雨衰影響結(jié)束，將判定結(jié)果反饋至對通地面站，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)比對，將信道參數(shù)狀態(tài)恢復(fù)至雨衰前的狀態(tài)。

4結(jié)語

本文在對比現(xiàn)有自適應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析得到現(xiàn)有技術(shù)存在的局限性。通過設(shè)計(jì)新型自適應(yīng)抗雨衰控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)可靠性、有效性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，滿足不同用戶對通信效果的不同需求。

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