第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
卫星通信系统具有频段资源丰富，可用带宽宽，通信容量巨大，覆盖范围广，通信链路不受地域限制的优点，同时系统的可靠性高，能够自发自收进行检测，链路环节少，故障率低，可根据实际环境或业务需求而改变传输数据率，适用于传输多种类型的业务，因此，无论在军事领域，还是科研及人类社会生活的不同方面，卫星通信系统的应用前景都非常广阔。卫星通信实现的理论基础是空间技术和地面微波中继通信技术，主要依靠大气外层卫星的中继来实现远距离信息传送。目前广泛应用的在轨卫星基本都工作于较低的 C 波段（4GHz~6GHz）和 Ku波段（12GHz~14GHz），其通信带宽窄，容量有限，已经满足不了日益增长的宽带业务和多媒体业务的需求，这使得应用高频段来实现大容量、高速率、高可靠性的信息传输成为必然趋势[1]。由国际电信联盟给固定卫星业务分配的 Ka 波段（20GHz~30GHz）自然而然的成为宽带卫星通信的首选波段。Ka 波段的频率资源非常丰富，可用带宽高达 3.5GHz，是 Ku 波段可用带宽的 5 倍以上，同时 Ka波段的卫星通信系统具有通信容量大，波束窄，终端尺寸小，抗干扰能力强，轨道平面内可容纳的卫星多等优势。当前的消费市场对视频、语音、数据以及图像的传输速率要求越来越高，这促使 Ka 波段卫星通信系统以其固有的优势成为未来大容量多媒体应用以及远距离通信的重要手段[2 3]。目前，卫星通信系统在高速公路、抢险救灾、疾病防控、环境监测以及质量监督方面都有较为广泛的应用，尤其是在近年来全世界范围内各地区屡次遭受自然灾害时的突出表现，使得卫星通信系统在应急通信时显得尤为重要[4]。未来的Ka 波段卫星通信系统也将在如下的诸多领域里运用：（1）在民用通信领域，利用 Ka 频段同步轨道卫星、非静止轨道卫星或两者的混合卫星群系统与多种地面业务传输网的相通互连，一起联合组成一体化式的全球无缝覆盖通信网。尤其是可以克服高山、沙漠、海洋等自然地理障碍，为偏远地区提供高速接入多媒体业务或远程服务，使得终端能够在农村环境下独立运行，在通信遭受自然灾害事件的破坏时，其通信保持不中断。
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1.2 国内外研究发展现状
由于 Ka 波段的通信频率高，导致元器件的制造技术相对比较复杂，工艺要求较高，因此在较长一段时间里，Ka 波段的卫星通信系统仅限于在部分军事领域里应用，一直无法达到民用和商用。而伴随着世界各国对通信容量需求的不断扩大，必然需要更高的 Ka 波段来扩容，使得各国在近些年投入大量的资金和人力致力于研究该波段的传播特性，并制造高频段器件，不断推进 Ka 波段卫星通信系统的商用化和民用化。早在 70 年代，国际上特别是美国、日本等国为了扩展卫星通信的应用，就已经认识到新频段的研究和发展具有重要的意义，同时也一直致力于 Ka 波段卫星通信概念和关键技术的研究和试验工作，将 Ka 波段推向实用化。1993 年美国发射再生中继式卫星 ACTS（先进通信技术卫星），该卫星具有星上处理功能，是 Ka 波段卫星通信发展史上的里程碑。1997 年美国FCC（联邦通信委员会）对 13 家公司发放了 Ka 波段卫星通信许可证，其中洛克希德•马丁公司投产设计的Astrolink系统，用 5 颗同步轨道卫星建立星际互连的卫星群，通过卫星中继链路实现高速率通信业务。1998 年 8 月，摩托罗拉将 Ka 波段的Teledesic 系统与 Celestri 系统合并，组成由 120 颗卫星加 6 颗在轨备份卫星的Teledesic 系统，并于 2002 年开始运营。除以上 Ka 波段卫星通信系统外，还有GE 美国公司的 GE-Star 系统，由 9 颗卫星组成；法国的 Skybrige(天空桥)；德国的 DFS 哥白尼计划；加拿大的 SATACOM 计划；韩国于 2002 年发射的Koreasat-3(韩星-3)Ku、Ka 双频段通信卫星以及我国台湾于 2000 年发射的采用 Ka 波段转发器技术的 DESTING-ONE（命运 1 号）卫星等[8]。
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第 2 章 Ka 频段卫星通信系统电波传输特性
2.1 Ka 频段卫星通信信号的衰减因素
通常把围绕着地球的大气层分为对流层、同温层和电离层，对流层位于地面以上平均高度在10-12km 的位置，同温层处于12-60km 的位置，而电离层则处于60km 以上的区域。其中，同温层几乎不含任何的水汽凝结物，所以对电磁波不会造成衰减。电离层中因为含有大量的电子和离子，主要是对1GHz以下的信号产生作用，造成信号的折射弯曲、多普勒频移、相位超前以及时延等效应。对于10GHz 以上的频段，对流层中的水氧分子、雨雪云雾、冰晶、尘埃等粒子的吸收和散射作用是导致电磁波传播损耗的主要因素[10]。因此，在 Ka 频段卫星通信系统中，主要研究的是对流层对其传播信号的衰耗影响。当信号在地空链路之间进行传播时，必然要经过地球周围的大气层，而大气层中的对流层除了含有各种气体以外，还包含大量的水蒸气及水汽凝结物、沙尘粒子等，这些粒子都会使电波产生严重的衰减、去极化等，从而使传输信号的误码率上升，甚至使系统中断。如图 2.1 所示，地空链路中各个因素对电波造成的影响包括降雨衰减及由降雨带来的附加噪声和去极化效应，大气中水氧等气体分子的吸收，云雾衰落，大气层闪烁及折射效应等。图上的融化层位于离地面有效降雨高度的位置，该层内的冰雪粒子将转化为水汽凝结物造成信号的衰减。当链路上有小雨或者地球站的天线仰角很小时，融化层会使传播路径衰减明显增加。因此，有关 Ka 波段的卫星通信信号在传播过程中会受到哪些衰减因素的影响是本课题研究的首要任务。国际上的众多学者对于Ka波段信号传播衰减因素进行了大量的理论分析和实验研究，利用实测数据推导出各个衰减因素的经验公式，并得出相应的衰减值。
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2.2 降雨速率的分析及其累计分布模型
在 Ka 频段的地空通信系统中，降雨是引起传输信号衰减的主导因素。为了更好地利用 Ka 波段，应该着重分析降雨的物理特性，在此基础之上，研究和改进降雨衰减预测模型，以便于提高模型预测的准确度。对于大多数的雨衰预测模型而言，都需要降雨速率的累计分布函数作为模型的输入参数。所谓降雨速率是指单位时间内的降雨量，通常以mm/min 或mm/h 为单位，也称作降雨强度[10,19]。降雨速率的大小与雨滴的形状、雨滴尺寸的累积分布函数和雨滴的下落速度等相关。本节将展开论述雨滴的尺寸分布特性及雨滴的末速度等影响因素，并详细介绍有关降雨速率的累积分布模型。雨滴在下落的过程中，由于空气阻力的作用使其由球状变成椭球状，致使其直径增加。雨滴的直径范围通常是从 0.1mm-10mm。在具体的降雨过程中，直径位于中间尺寸的居多，雨滴的直径主要是集中在 0.25mm-6mm 之间不等，而且尺寸越大的雨滴越容易发生破裂。观察表明，直径大于 8mm 的雨滴在下落的过程中，受到的空气阻力加大，雨滴的摆动和震荡幅度也加剧，底部会出现凹槽，且雨滴的表面张力不足以维持其形状而裂开[20]。虽然雨滴的尺寸、形状和方向会发生变化，但其尺寸分布具有一定的规律性，也为了便于对雨滴进行理论分析，因此在计算时可以将雨滴近似为球形，等效球形半径从 0.28mm-5mm，超出 5mm的等效球形雨滴会产生破裂，可不予考虑。如图 2.9 所示，图左为实测雨滴的形状，图右是与该雨滴等效的半径为 r 的球形体，两者的体积近似相等。
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第 3 章 降雨衰减预测模型和雨衰特性分析....25
3.1 ITU-R 模型........ 26
3.2 DAH 模型......... 30
3.3 DAH 模型的改进模型.... 32
3.4 Karasawa 模型.......... 35
3.5 雨衰预报模型的比较 .... 36
3.6 降雨衰减特性分析 ........ 39
3.7 本章小结 .......... 41
第 4 章 Ka 频段卫星通信系统雨衰混合补偿方法的研究 ..........43
4.1 降雨衰减的经典补偿方法 .......... 43
4.1.1 分集技术 .... 44
4.1.2 控制技术 .... 45
4.1.3 自适应技术 ....... 46
4.2 雨衰混合补偿技术 ........ 48
4.3 混合技术算法仿真及其仿真结果分析 .... 52
4.4 本章小结 .......... 57
第 5 章 总结与展望 .........58
第 4 章 Ka 频段卫星通信系统雨衰混合补偿方法的研究
通过前面章节的叙述，可以知道，降雨会造成 Ka 频段的卫星通信信号产生较大的衰落。一般而言，雨衰大小与降雨的瞬时强度、雨滴形状和传输距离有关，由此引起的通信系统可用率仅为 99.2%-99.6%，与用户要求的 99.99%可用率相差较大[8,45,46]，必须设法克服。通常在系统设计的初期，要对通信链路质量进行详细的评估，并预留一定的衰减余量来满足通信系统中信号实现可靠传输的要求。对于较低的 C 频段或者Ku 频段而言，仅需要预留 6dB 以内的余量就足以保证通信链路的正常工作，但是对于更高的 Ka 波段来说，降雨可能会导致 20dB~40dB 的衰减。若采用功率余量的补偿方法，很显然会造成功率的浪费，对于终端的功率储备要求增加也会使得终端的成本高且不易实现，同时，功率增大也会对邻近信道造成干扰。另外，未来通信系统的终端将逐步趋于小型化和移动化，这使得设备的发射功率降低，因此除了必要的功率余量以外，还应该采取适当的抗雨衰措施，利用多种方式来补偿雨衰，保证信号传输质量。
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结论
随着信息高速公路的飞速发展，未来若要实现任何时间任何地点的实时通信梦想必然需要应用卫星通信技术。较低的 C、Ku 波段的频率资源和容量都有限，已远不能满足人们日益增长的业务需求，而更高的 Ka 波段以其频率资源丰富，终端尺寸小等优点成为宽带业务的首选频带。但是频段越高，雨衰就越严重，因此，本文针对 Ka 波段信号的雨衰问题，对如下内容进行了细致的研究：
1、 信号传播衰减因素及雨衰预测模型
总结了卫星通信的研究现状及其发展趋势，然后详尽的论述了影响 Ka 波段信号传播的衰减因素以及一些经典雨衰减预测模型，包括 ITU-R 模型、DAH模型及其改进形式，并对这些模型进行了深入的比较，得出 DAH 改进模型二和四比较符合长春地区的实际雨衰分布特征。随后对实际观测的降雨事件进行分析，分大雨、中雨、小雨来逐一探讨其雨衰特性。
2、混合技术补偿降雨衰减
首先概述了一些经典的雨衰补偿方法，主要讨论了分集技术，控制技术以及自适应技术。对于 Ka 频段卫星通信系统来说，由于其频段高，所受降雨衰减较严重，因此，只运用某一种抗雨衰技术还不能满足较高补偿雨衰的目标，有时还会产生较大的补偿误差。因此，本文主要基于前向一步线性预测原理，提出了一种自适应功率控制技术与速率控制技术相结合的混合补偿雨衰方法，该方法首先预测降雨衰减值，进而控制地面终端根据雨衰大小调节其发射功率，当发射功率达到最大值且雨衰仍然偏大时，采取适当降低信息传输速率的措施来进一步补偿降雨衰减。仿真表明，该方法在雨衰小时补偿误差很小。对于雨衰大时，结合运用速率控制技术，根据信噪比的变化，动态的调整信息速率，能有效的减小补偿误差，提高系统的信噪比，从而减小误码率，使系统不至于中断。
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参考文献（略）