Ku波段卫星通信雨衰分析及对抗措施探讨

高睿劼 陆斌 许松松

摘 要：随着科学技术的发展，卫星通信技术的合理性越来越受到重视。为了保障用户在网络通信方面的需求，就需要进行合理的卫星链路设计及构建。但是当下Ku波段的卫星通信传输质量及系统性能受到雨衰的严重影响。在此基础上，文章分析了雨衰的产生原理，对Ku波段卫星通信雨衰分析及对抗措施进行了详细的阐述。

关键词：Ku波段;卫星通信;雨衰分析;降雨噪声

0    引言

要想促进我国卫星通信技术的发展，为用户带来良好的通信服务，就需要重视外界环境带来的影响，避免Ku波段的卫星通信受到严重影响。本文对雨衰的产生机理和影响、降低雨衰影响的措施等进行分析，以帮助相关领域的研究人员有针对性地解决雨衰问题[1]。

1    雨衰的机理以及影响

1.1  雨衰产生

当电波穿过降雨区域，雨水不仅可以有效吸收一定的电波能量，也会对电波产生散射，吸收及散射会导致一定的电波衰减，同时，雨滴倾斜导致的差分相位偏移，会对无线电产生严重干扰，让电波出现去极化现象，这被称为雨衰。这种信号衰减情况基本上呈现出非选择性能及缓慢时变的性能，导致信号在传输过程中会出现一定程度的劣化，严重影响系统的可用性，也使得雨衰成为卫星通信链路设计中需要格外注意的影响因素之一[2]。

不同频率的电磁波受到的雨衰影响差异很大，雨衰与信号的波长及雨滴的大小存在一定的关联。一旦信号波长大于雨滴，就会导致散射衰减对信号的好坏起到决定性的作用。当信号波长小于雨滴时，导致吸收损耗起主要作用。在吸收或散射作用的影响下，电磁波波长以及雨滴直径相近时，衰减最大。常用电磁波波长一般远大于雨滴直径，随着频率的提升，波长逐渐接近雨滴直径，雨衰影响效果逐渐提升，C波段信号对雨衰的影响基本可以忽略不计，而10 GHz以上的电磁波在传播过程中会受到雨衰问题的严重影响。雨、云、雾所引起的衰耗如图1所示。

通常，降雨量大小会对电磁波的衰减产生影响。在Ku波段频率中，电磁波波长与雨滴的大小接近，受到雨衰的影响较为严重。中雨以上的降水程度，会使电磁波在Ku频段的雨衰影响尤为严重。在不同经纬度的条件下，经纬度对区域气候特点以及降雨量均存在影响，导致雨衰同样不同[3]。

1.2  降雨噪声

现阶段，降雨带来的影响主要表现在对电磁波的吸收衰减，以及对地球站带来一定的热噪声影响。在一方面，在降雨量增大的情况下，降雨噪声增大，系统接收信号载噪比减小，系统余量减小。另一方面，在对其影响进行深入的研究后发现，降雨噪声带来的影响程度与衰减量大小、天线结构有关。为此，就需要在日常工作过程中依据实际经验进行有效的噪声控制。由于在电磁波的传播过程中，经过降雨路径较短时，产生的衰减量较低，因此天线的仰角越高，降雨噪声的影响越小。

2    降低雨衰影响的措施

为了在Ku波段有效地传播信号，就需要降低降雨带来的信号衰减效果，并进行长期观测，根据所收集的信息进行有效的降雨统计特性分析。在实际使用过程中，还需要保障抗雨衰措施的有效应用。

2.1  链路余量

在信号传输的过程中，对链路余量进行控制，可适当减小雨衰影响，确保信号传输质量。在对链路余量进行分析的过程中，需要考虑到资源的利用问题，也需要考虑到我国不同地区的降雨量差异。设计时应根据卫星频段的不同确定需要保留的链路余量。例如，在C频段的卫星通信链路设计过程中，往往需要保留3 DB的余量;而在Ku频段中，一般需要保留6 DB链路余量。在降雨较少的地区（例如沙漠地区），只需要保留合理的链路余量;在降雨量较多的地区，则需要调整设计方法，确保在有合理链路余量的基础上应用其他技术方式，避免在晴空时出现资源浪费，也避免在雨水来临时出现余量不足的问题。

2.2  功率控制

对功率进行控制，同样有利于实现对雨衰影响的控制，对信号质量的提升具有重要作用。在构建Ku波段的卫星通信系统过程中，可以在地球站上进行上行链路自适应功率控制。上行链路功率控制分为开环上行功率控制和闭环上行功率控制，均可达到控制功率的目的，从而实现对雨衰的功率补偿。

地面站通过监测卫星信号强度，估算雨衰大小后，对地球站的发射功率进行调整。通过这种动态补偿链路方式，实现对信号强度的有效控制，使得卫星转发器接收到的信号与晴空时一致，有利于卫星通信系统的稳定性。伴随着卫星系统的发展，已经可以在运行过程中通过卫星转发器进行自适应功率控制，对雨衰进行补偿。

另外，也可以通过以网络管理设备为基础的动态功率控制系统，有效降低雨衰的影响。通过网络管理设备采集各个地球站的接收信号电平，估算雨衰大小后，通过网管信道通知地球站进行发射功率调整，可以进一步提升卫星通信系统的稳定性和可靠性。

2.3  编码控制

在雨衰较大时，可以使用前向纠错编码技术，有效解决卫星通信过程中的误码率问题。在降低编码率之后，可以实现编码增益的提高。需要注意的是，不能无限度地降低编码率。编码率降低到一定程度后如果继续降低，则会导致效益降低。因此，把握好对编码率的控制程度较为重要。

2.4  空间分集技术

现阶段，在多雨及卫星仰角较低的区域，Ku波段的信号特征导致在降雨过程中出现较为严重的衰减问题，对此，可以采用空间分集技术加以解决。空间分集技术（Spatial Diversity Technology）是结合了发送分集（Multiple-Input Single-Output，MISO）與接收分集（Single-Input Multiple-Output，SIMO）两大部分的一项技术，有利于提高信噪比，改善性能。在应用空间分集技术的过程中，主要利用降雨的空间不均匀性设置不同地点的地球站，充分分集、接收所发出的信号，以充分保障卫星链路的质量。

2.5  极化方式的选择与天线的选择

不同的雨滴形状会对信号产生不同程度的衰减。雨滴降落过程中，逐渐变成扁平椭圆形，其长短轴引起的电磁波衰减和相移不同。根据理论分析，对Ku波段卫星通信，水平极化波的衰减，比垂直极化波要高。通过提升接收天线口径的方式，可以有效地提升天线的增益。但是，成本投入也会增加。因此就需要基于实际情况，进行有选择的使用。

3    结语

综上所述，随着科学技术的发展，人们对卫星通信的质量提出了更高的要求。为了保障在实际通信过程中能够有效地减少雨衰对通信质量的影响，应通过多种手段展开分析，明确雨衰的影响因素，进而采用对应的措施，有效控制雨衰的干扰性。

[参考文献]

[1]翟华，张千.GSO卫星移动通信L和S频段资源态势分析[J].移动通信，2020（7）：42-48.

[2]胡晓东，徐永杰.用于卫星通信的Ka频段射频收发前端设计[J].信息通信，2020（7）：25-28.

[3]胡晓东，佘胜团，王明照，等.采用倍频器+PLL技术实现卫星通信Ku频段频率合成的一种方法[J].电子世界，2020（6）：118-119.

（编辑 王雪芬）