卫星通信的雨衰分析及应对措施

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卫星通信雨衰分析及应对措施（上）



雨衰就是乌云、雨雪和浓雾等对卫星信号造成的衰减。雨衰的大小与雨滴直径及波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用。当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用。

无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减；当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大，一般情况下(比如中短波)，电磁波的波长远大于雨滴直径，故衰减很小，C波段信号受雨衰的影响也可以忽略。

对于10GHz以上的电磁波，雨衰的影响就非常明显了，在链路计算中必须考虑雨衰的影响。频率越高，雨衰的影响越大，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大得多。

降水对电磁信号还会产生去极化现象和噪声干扰，这两点也是影响卫星信号的主要原因，下面我们就一起去了解一下。

去极化现象

降雨对电波的吸收和散射特性也与入射波的极化波面有关。大气层中降落的雨滴，由于空气的阻尼作用形成扁圆形，在雨滴的两个轴向引起的衰减称为微分衰减，相位移动称为微分相移。

对于极化方向与雨滴对称轴平行的线极化波，由于穿过雨滴的电磁波入射电波的极化面取向不同，造成雨滴引起的对电磁波的衰减和相移的不同，使得电磁波在雨中传播时存在着微分衰减和微分相移，不同的衰减和相移改变了波的极化状态。

此时，扁圆形雨滴对水平极化波的衰减比对垂直极化波的衰减大，因此这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大。

这种降雨引起的去极化现象，对线极化和圆极化都有影响。我们常使用交叉极化鉴别率来表示极化纯度，衡量极化干扰。降雨衰减量是在平均年度的统计时间中将要超过的预测衰减量，统计时间用百分数表示，0.1％时间雨衰量是5ｄＢ，意味着平均每年有0.1％时间降雨衰减可能超5ｄＢ。

一般情况下，当天线仰角大于15度时，交叉极化鉴别率在超过年平均时间的0.1％时可望达到27ｄＢ，0.01％时为20ｄＢ。

降雨噪声

自然环境的噪声对卫星通信也会产生影响，同样降雨引起的对电磁波吸收衰减会对地球站产生热噪声影响，这种降雨噪声折合到接收天线输入端就等效为天线热噪声，由于天线热噪声是天空噪声温度的函数，故降雨在效果上增大了地球站的系统噪声温度。温度对接收信号的载噪比有很大的影响，这种影响与衰减量的大小和天线结构有关，根据经验，每衰减0.1dB，噪声温度增加约6.7k。

一般情况下，天线的仰角越高降雨噪声的影响越小，这是因为电磁波穿过降雨路径较短，衰减量就小一些。如令T表示雨点温度，γR表示降雨衰减，那么带宽B内的有效噪声功率为：KTB。通过衰减因子为γR的雨区后，噪声功率为KTB/γR,雨吸收的功率为KTB(1－1/γR),因此降雨衰减因子为γR引起的热噪声增量可以用下面的公式来计算：

由计算公式可以看出：如衰减R很大，则K近似雨点的温度K。实际上雨温通常取273K。降雨引起的噪声温度增量将直接附加到地球站噪声温度上，进一步降低了下行的载噪比。

不过，由降雨引起的噪声温度的增大并不会影响卫星的系统噪声温度，因为它的天线总是对着290K的热地球。K确定后，可以将它加到地球站的系统噪声温度上。

在没有雨衰时，噪声温度不增加；噪声温度只和降雨衰减量有关。由于噪声温度的增加直接影响到接收系统的G/T值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，对信号可用度的影响甚至比降雨衰减更明显，在链路计算时必须考虑其影响。

我们讨论了雨衰的主要原因，那么卫星通信该如何预防和减缓雨衰影响呢？让我们下期再深入探讨它的解决方法。也希望小伙伴们可以加入到我们的讨论中，聊一聊大家在处理雨衰时的经验，希望我们可以共同进步！

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卫星通信雨衰分析及应对措施（中）

小伙伴们，上期我们讨论了雨衰产生的原因，并约定在本期一起聊一下解决方法，那么一起来看看都有哪些解决方法呢？



在上期通过分析雨衰的机理我们得知雨衰主要影响10GHz高频信号，本期我们将以Ku频段为例详解一下。

雨衰对高频段卫星通信系统性能的影响很大，在实际使用过程中需要根据实际情况，采取合适的抗雨衰措施，以降低雨衰的影响，分为上行站措施和下行站措施，这期我们主要谈谈上行站的措施。

上行站常采用的措施

1、链路备余量

它是传统通信链路设计中常用的方法。Ku频段卫星通信链路通常留6dB余量。在一些降雨较少的地区(如沙漠地区)，完全可通过链路余量来满足系统可用度要求；在高降雨地区，完全靠这种方法不现实，应在具备适当链路余量的基础上，综合考虑其他方法。

还有这种方式将会占用过多的卫星资源，在晴空时造成资源浪费，下大雨时，可能又不够用。

2、功率控制

对于Ku波段的卫星通信系统，建议在地球站设置上行 制(AUPC)，或者进一步采用以网络管理为基础的全网自动功率控制(APC)系统，才能有效地对抗降雨衰耗的影响。

(1)上行链路自适应功率控制(AUPC)
如果系统设计采用传统的功率余量方法，将严重影响系统的通信容量，而且降雨的时间比例较小。因此，必须采用自适应功率控制技术以提高系统通信容量并保证链路的可靠性。

其基本原理是：各地球站在监测来自卫星的信号强度的同时，计算链路降雨衰耗，然后自适应调整地球站的发射功率，从而动态地补偿链路的雨衰，使信号保持在一个合适的工作电平，从而使卫星转发器接收到地球站发射的信号电平与晴空时基本相同。

在更先进的卫星系统中还能做到卫星转发器进行自适应功率控制，这样能更好地克服雨衰对Ku波段卫星通信的影响。上行功率控制又分成开环上行功率控制和闭环上行功率控制两种。

设备的开环上行功率控制是地球站利用接收卫星信标信号电平的变化量测出下行线路的雨衰值，进而去控制地球站发送设备的中频衰耗器或射频衰耗器，使衰减器减小的数值与上行线路雨衰值大体相同。开环上行功率控制工作原理比较简单，所用设备较少，投资较小，但精度较低。

闭环上行功率控制是地球站将接收来的卫星信标信号，与通过卫星转发器环回信号或某一特定信道的通信业务信号的C／N(或S／N)值进行比较，然后去控制地球站的上行功率。这样一来，上行信号的雨衰值和上行功率控制的控制量有较高的准确度。因此在闭环上行功率控制中必须将控制信道与通信信道分开，所用设备较多，费用较高。　

(2)自动功率控制(APC)
上行功率控制是针对卫星通信上行线路的降雨衰耗所采取的技术措施，但对于卫星通信的下行线路也要充分考虑降雨衰耗。为了解决这一问题，可采用同时控制上行线路和下行线路降雨衰耗的自动功率控制系统(APC)，这种动态功率控制是以卫星通信的网管系统为基准的。

该网管系统能实时地测出各个地球站的接收电平值，将该值与基准电平(晴天时的正常接收电平值)进行比较，将比较结果通过网管信息传输通道传送给相应的地球站，控制该地球站的发信设备的输出功率。

因此，采用自动功率控制能使卫星通信系统的稳定性和可靠性大大提高，也使卫星通信得到了广泛的应用，大大地节约卫星通信的资源,只是要求接收站有相应的网络资源。



3、采用编码结合降速率技术

在雨衰较大时，可以采用前向纠错编码技术(FEC)来减小传输的误码率。通过减小编码率来获得编码增益的提高，如编码率为1/2的卷积码，当采用维特比译码时，其编码增益可达5dB。

当然减小编码率也必须有个限度，一方面当编码率减小到一定程度时，若再进一步减小编码率，多获得的编码增益将改善很小；另一方面减小编码率会导致系统容量的减小。

此外，还可以通过自适应速率降低技术(ARP)来克服雨衰的影响，通过减少衰减信道的数据速率来增加信道容量，降低速率所带来的增益与速率减少成正比，例如速率减少至1/4时，增益为5dB。使用纠错编码和降速率技术，可以补偿不同程度的雨衰；但随着深度的增加，有效可用容量减少。

4、站址分集技术

分集是在相隔一定距离的两个地点设置地球站，并利用降雨衰减少的地球站进行通信，这种方法的有效性是基于降雨空间分布的不均匀性。

分集改善因子和分集增益是分集改善的两个主要质量参数。对于同一时间百分数，单站衰减和分集衰减之差（dB）叫做分集增益。分集改善因子定义为，在同一衰减电平上，单站工作的时间百分比P1和站址分集后工作的时间百分比P2之间的比值叫做站址分集改善因子。

分集增益随分集距离的增加而增加，但在超过一定距离后，其改善程度就非常小。

5、采用双频组合通信

由于低频波段雨衰影响较小，当系统检测到雨衰超过一定门限时。自动切换卫星通信信号至低频段确保通信信号的稳定。

总体来说，上行功率控制这种方法简单易行，又不增加卫星功率，得到广泛的应用。

好了，这次一口气聊了不少了，有关下行站常采用的措施，让我们下次相聚再聊。

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卫星通信雨衰分析及应对措施（下）

小伙伴们，上期和朋友们讨论了上行站抗雨衰常采用的措施，现在让我们一起聊聊下行站常采用的措施。

下行站常采用的措施

对于用户接收端，可以通过极化方式的选择和天线的选择改善接收，不同雨滴形状对信号的衰减也不相同。随着雨滴的体积的增大，雨滴在水平方向的直径也逐渐增大。此时，雨滴对水平极化波的衰减比对垂直极化波的衰减大，这也意味着在10GHz以上频率的垂直极化波比水平极化波的抗雨衰性能要好。

接收天线的增益与接收天线的口径有着直接的关系，因此适当加大接收天线的口径可以较明显提高天线增益。口径越大，其增益越高，系统覆盖范围越大。当然，其成本也会明显增加。

如果受某些因素的制约，而不想或无法去增大接收天线的口径，可首先考虑使用低噪声高增益的优质高频头（LNB)替换普通的高频头。普通LNB的噪声系数为0.8dB，噪声系数在0.6dB便是十分低的噪声，噪声系数为0.7dB的优质的LNB其增益可达到60dB。其成本要比增大天线口径的低。

出于控制成本的目的，对于已安装好的天线，采用简单有效的方法同样可有效改善Ku信号的接收性能。

（1）我们可以将干净的塑料瓶（无色透明的）的瓶口剪得与Ku高频头一样大小，然后将它套在Ku高频头上，并在塑料瓶下沿打几个滴水孔，防止雨水倒流。这样，即使下大雨也溅不到高频头盖子上，Ku信号便能正常接收和收看了。

（2）大家使用的Ku高频头上面的塑料盖一经下雨，雨水便会沾在盖子上，影响信号的正常接收。我们可以把Ku头上的塑料盖取下，换上冰箱里常用的保鲜膜，用橡皮筋或透明胶带扎上。因保鲜膜不浸水，故下雨时也能正常收看，在晴天还能略为提高Ku信号的接收强度。

（3）正常安装Ku天线时，是把天线上的曲杆放在下面，使高频头口朝上对准天线面。一下雨，雨水便会打湿Ku头上的塑料盖。其实，我们可以把Ku天线倒过来安装，让曲杆放在Ku天线的上部，使高频头口朝下，这样下雨时便能减小雨衰问题。这样处理的唯一缺点是其仰角太大。

（4）由于接收Ku信号的天线口径大多在0.5m左右，其体积较小。因此，可以用铝合金做一个刚好能装下天线的玻璃罩，将天线放进自制的封闭玻璃小屋进行试收，其接收效果丝毫不会受到影响。

雨衰产生的原因和处理方法就和朋友们聊到这了，希望对大家有所帮助，有不足之处还请朋友们指正。