降雨环境中Ka频段数字卫星通信系统性能研究
孟祥辉
摘要：随着科学技术的不断发展，无线电通信也被社会各个行业越来越广泛的应用，并成为人们生活中不可或缺的重要信息工具，而人们对无线电通信要求的不断提高，也使得其频率不断增加。Ka频段便是_种频率较高的卫星通信系统。文章以Ka频段卫星通信系统的特点为研究基础，对降雨环境下雨衰以及信道编码对系统的影响进行研究，从而实现对其相关性能的分析。
关键词：Ka频段；卫星通信；降雨衰减；影响
随着人们需求的不断增加，c频段与Ku频段中的业务也越来越多，更高频段卫星通信系统的使用已经迫在眉睫，因此，Ka频段卫星通信系统应运而生，以满足当前日益提升的应用需求。Ka频段卫星通信有被普遍成为宽带交互卫星与多媒体卫星，具有容量大、宽带大、尺寸小、束波窄、抗扰强、卫星多等多方面优势，是未来发展的必然趋势。
1.Ka频段卫星通信系统特点
Ka频段卫星是当前比较先进的卫星系统，能够对DVB/IP进行支持，从而实现卫星电视与高速网络之间的相互结合，为用户提出更加直接的宽带与窄带业务，具有很多应用优势。但与此同时，Ka频段卫星通信系统也有一些不足之处，因为频率相对较高，会造成其降雨衰减较大，与传统的c频段与Ku频段相比，Ka频段会受到更大的噪声、去极化以及雨衰等因素的影响，且对相关器件与工艺的要求也相对较高。
在运用Ka频段卫星进行通信的过程中，大气层中含有的水汽、氧气等因素会使得卫星信号产生正常耗损以外的衰减，如果这些问题产生作用，就会对信号的幅度、极化等方面造成变化，进而使信号的错误率提升，影响信号质量。
运用Ka频段进行卫星通信的过程中，需要解决以下3方面的问题：（1）解决信号雨衰；（2）研制相应的星上处理器；（3）确保数据不发生过度延迟。而在降雨环境下，雨衰与信道编码会对Ka频段卫星信号系统的性能产生影响。
2.降雨环境下雨衰对系统的影响
2.1雨衰影响
在降雨环境下，电波如果通过降雨区域，会被雨区中的水滴散射与吸收，从而使电波产生衰减。在这个过程中，雨滴的大小与波长会在很大程度上对雨衰值产生影响，而降雨率则是影响雨滴大小的主要因素。因影响雨滴模型的因素较多，世界各地各不相同，因此，雨衰值在估算过程中也会受到很多因素的制约，工作内容十分复杂。
相较于c频段，Ku与Ka频段中的雨衰主要会对卫星电视广播产生很大程度上的影响。根据实际调查，Ka频段在很短的时间内，其衰减数值非常高，这种衰减会造成广播线路暂时性的中断，所以，在对Ka频段进行设计的过程中，需要对雨衰影响进行优先考虑。
2.2雨衰特性
从Ka频段中雨衰预测与雨衰等值等相关数据中，可以分析出我国雨衰的相关特性，具体有以下3个主要方面。
2.2.1降雨强度影响
降雨的强度是对雨衰值产生影响的最主要因素，我国幅员辽阔，气候多样，每一个气候区中的降雨强度都有所不同，因此，雨衰值根据地域的不同，有着鲜明的地域分布，由此可见，降雨强度对雨衰值的作用不容忽视。
2.2.2地球站天线仰角影响
在地球站中，其天线的仰角在很大程度上左右着电波斜路径长度，决定天线仰角的因素主要有卫星位置与地球站位置两方面。对雨衰来说，卫星仰角的影响主要体现在以下2方面：（1）如果地球站海拔高度大体相同，则仰角与斜路径长度呈现反比例关系，即仰角越大，斜路径长度越短，从而导致雨衰减小；仰角越大，斜路径长度越长，雨衰增大。（2）如果地球站经纬度大体相同，则仰角与斜路径长度呈现正比例关系，即仰角越大，斜路径长度越长，雨衰增大；仰角越小，斜路径长度越短，雨衰减小。
2.2.3频率影响
该影响主要出现在ITU-R预报模式中，在该模式下，频率与雨衰值呈现正比例关系。其原因在于频率的不断增高使其与雨滴的大小愈加接近，在很大程度上提升了雨滴吸收与散射电磁波的程度，从而使降雨衰减增大。
2.3补偿方法
当前，主要的雨衰减补偿方法有以下几种：
（1）位置分集。雨衰较大的地区主要存在于天线仰角低或降雨较多的地方，而空间分集是相对有效的补偿方法。这种方法通过在特定位置设置地球站的方式，将雨衰较大的地区切换到雨衰较小的地球站完成通信。
（2）频率分集。由上文可知，频率与雨衰值呈现正比例关系，而频率分集便是利用这一特点进行数据传输的，运用高波段实现绝大多数业务的传输，低频段则进行辅助传输，解决受雨衰影响且在一定门限之上的链路。
（3）UPC。该方式主要通过上层链路的雨衰情况对地球站发生电平进行有针对性的调整，从而降低降雨所消耗的电波信号，确保卫星转发器所接收到的信号与晴天时大致相同。从当前情况来看，UPC是现阶段最为经济的抗雨衰方式。
（4）自适应编码。在该系统中，信号发射装置主要由信道编码器与速率调节器两部分构成，需要注意的是，这2部分都是可调的。通过该技术，能够在很大程度上改善Ka频段卫星通信系统在降雨环境下所产生的链路性能恶化。
3.降雨环境下信道编码对系统的影响
在Ka频段进行数字信号传输的过程中，会因为信道传输不好或雨衰等因素的影响，使其受到的信号发生错误。为了提升其通信可靠性，最大程度上降低信道中产生的干扰和噪声，需要以一定的规律为基础，在将要发送的信息中适当的加入_些监督码元，在接收过程中，可以通过这些监督码元之间存在的规律，对信号传输中的差错进行及时有效的发现与纠正，从而达到提升信息传输的可靠性的目的。
对于数字通信系统来说，其编码技术主要有信源与信道两种编码技术，其中，前者能够提升信息传输过程中的有效性，而后者能够提升信息传输过程中的可靠性。信道编码有被称为差错控制编码，能够通过一定规律，在一定程度上提升信号冗余度，从而让信号具备一些错误检测与纠正能力。当前主要的信道编码技术有以下3种。
3.1检错重发
接收端在接收信号的过程中，一旦检测出信号码元中存在错误码，就会对发送端发出信号，让其重新发送，直到准确接收为止。而对出错码的检测，主要指的是已经明确在所有的接收码元中，存在若干个错误码元，但其具体位置无法确定。需要注意的是，运用这种方法需要具有双向信道，接收端与发送端都能够得到消息。
3.2向前纠错
信号接收端不仅需要及时发现接收信码中的错误码，还需要对错误码进行及时纠正。在二进制系统中，一旦确定了错误码的位置，就可以对其进行纠正。该方法与检错重发法不同，不需要具备反向信道，也避免了重复发送所造成的时间延误，具有很好的实时性。但其缺点在于设备相对复杂。
3.3反馈校验
在接收到信号以后，还要将信码重新返回发送端进行校验，比较源信码，如果在这个过程中发现差异，则需要重新发送。该方法无论从原理方面看，还是从设备方面看，都相对简单，但与检错重发法一样，都需要具有双向信道。由于该方法每一个信码都需要进行2次传送，因此与向前纠错法相比，传输效率相对较低。
无论哪一种信道上，都会不同程度上存在各种各样的干扰，这些干扰会使信号在传输中出现误码，进而影响数字卫星通信系统的性能，想要对这些误码进行检测与纠正，就需要运用信道编码。在Ka频段信道中，不仅存在加性干扰，还存在乘性干扰，前者是通过白噪声引起的，后者是通过衰落引起的。白噪声会使传输信号产生随机性错误，衰落会使传输信号产生突发性错误。所以在Ka频段系统中，通过信道编码对传输信号进行差错控制是很有必要的。
4.结语
随着卫星通信技术的广泛应用，卫星通信信道也越来越拥挤，Ka频段是一种频率较高的频段，是卫星通信系统未来发展过程中的必经之路。雨衰与信道编码都会在一定程度上对Ka频段卫星通信系统性能产生影响，值得进行更加深入的研究。
