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Ka频段卫星通信自适应抗雨衰控制系统设计

2016-11-21王洋

科教导刊·电子版 2016年26期
关键词:自适应控制系统

王洋

摘 要 影响Ka频段卫星通信信道性能的有大气、降雨、闪烁等因素,降雨衰减是其中最主要的因素。常见的抗雨衰技术有分集技术、功率控制技术、自适应技术、信号处理技术、混合技术。每种方法都存在一定局限性,因此提出一种新型自适应抗雨衰控制系统,能够根据不同的天气情况,自适应改变调制解调器、高功率放大器相关参数,满足不同的通信需求。

关键词 Ka频段 雨衰 自适应 控制系统

中图分类号:TN927.2 文献标识码:A

0引言

随着C频段、Ku频段卫星资源的逐渐紧张以及对数据传输速率越来越高的要求,Ka频段卫通站的应用越来越广泛。针对Ka频段卫星通信受降雨影响较大的问题,传统的对策是增大天线尺寸和提高高功率放大器发射功率。如果仅仅采取提高发射功率的方法,长时间发射高功率一方面对设备寿命有影响,另一方面大功率余量对邻近的链路有强烈干扰。因此,需要采取一种更灵活的方式来解决Ka频段降雨衰减的问题。

1雨衰原理分析

1.1雨衰基本原理

当电磁波穿过降雨区域时,雨滴可以吸收电磁波,也可使电磁波产生散射,引起信号幅度、相位、极化和下行波束入射角的变化,从而导致信号传输质量的下降和误码率上升,影响通信质量。雨滴对电磁波的吸收增加了分子的能量,相应地增加了分子的温度,最终结果是信号能量得到相应的减少。降雨不仅对卫星通信电磁波信号强度有影响,而且对卫通站天线性能也有影响,会使天线系统噪声温度增加,从而导致天线G/T值减小。

1.2影响雨衰大小的因素

=() (1)

L0为电磁波穿过雨区的长度(km),为降雨衰减率(dB/km),= R ,R为地面降雨率(mm/h)。

在DAH雨衰预测模型下参数 和参数 表达式如下:

= (2)

= (3)

h、 h、 v、 v是衰减率的回归系数, 是关于频率f的函数, 是极化角, 是传播路径仰角。

电磁波穿越雨区的路径如图1所示。

>5€笆保琇0=(hR hS)sin km (4)

<5€笆保軮TU-R(国际电信联盟无线电通信部门)的建议:

L0=2(hR hS)/((sin2 +2(hR hS)/Re)1/2+sin ) (5)

将式(2)(3)(4)(5)与式(1)相联系,可以得到频率f、极化方式、仰角 、降雨率R与雨衰大小之间的关系:

(1)频率f越高,电磁波长与雨滴直径越接近,信号衰减越大;

(2)极化方式不同极化角 也不同,影响参数 和参数 的大小,水平极化时雨衰略大于圆极化,垂直极化时略小于圆极化;

(3)仰角 越小,降雨层高度hR与地面站海拔h0高度差越大,穿过雨区的路径L0越长,雨衰越大;

(4)降雨率R越大,雨衰越大。

2常见抗雨衰方法

2.1保留链路余量

传统通信链路设计时经常采用保留一定链路余量的方法,在C频段通信时通常预留3dB余量,Ku频段通信时通常预留6dB余量,但在Ka频段通信时采用这种方法效果不能保证。如果是在降雨量较少的地区,受降雨衰减影响并不明显,通过保留链路余量的方法基本可以满足对通信的需求;如果是在降雨量较大的地区,受降雨衰减影响比较频繁,短时间内衰减会达到20dB,链路余量保留过小满足不了通信要求,保留过大又会造成资源浪费。

2.2自适应技术

2.2.1自适应功率控制

自适应功率技术是使用比较早、应用广泛、抗雨衰效果明显的技术。按照控制链路的不同可分为自适应上行功率控制、自适应下行链路功率控制和自适应上下行链路功率控制。

自适应功率控制是通过在降雨过程中对链路衰减进行估算,然后根据衰减量调整发射电平使接收站接收到的信号电平与没有雨衰时基本一致。由于地面站发射功率可调整范围大,方法灵活操作简单,因此自适应上行功率控制技术应用最为广泛。但高功率放大器长时间保持大功率会对设备性能、可靠性产生影响。

2.2.2自适应调制

自适应调制是在降雨导致信道特性变差时采用低阶调制方式(如BPSK),使信息比特速率减小,保持较低的误码率;在晴空信道特性良好时采用高阶调制方式(如16QAM),使信息比特速率增大,在维持较低误码率的同时占用较小带宽。自适应调制技术提高了系统的有效性、可靠性和经济性,但由于Ka频段通信多数是传输高速率业务,对频谱带宽需求较高,实现较为困难。

2.2.3自适应编码

信道编码能够提供一定的编码增益,不同的编码方式能够提供不同大小的增益。自适应编码是通过改变编码方式或同一编码的参数来提供足够的编码增益来补偿降雨衰减导致的信道损失。

自适应编码能够起到补偿一定雨衰的作用,但要综合考虑编码增益、码率、码型、同步等问题,没有一种编码方式能够同时满足这四点要求,因此在保证一定编码增益的前提下要根据一定标准选择合适的编码方式。

2.2.4自适应数据速率

自适应数据速率是在保持系统发射功率和信道误码率基本不变的条件下,当信道发生较大衰减变化时,通过自动调整发送端信号传输速率(通过改变信息比特速率或码元速率实现)来实现信息传输的技术。这种技术可以一定程度上降低降雨衰减的影响,但随着数据速率的降低,带宽功率相应增加,导致相互干扰的产生,而且如果在获得增益的同时,数据率下降极为明显,在实际中不仅难以满足数据传输要求而且技术上也很难实现。

3自适应抗雨衰控制系统

3.1新型抗雨衰控制系统构想

由于单一的自适应抗雨衰的方法存在局限性,因此需要一种既能补偿短时间内降雨衰减,又能满足通信对误码率、传输速率、占用带宽要求的综合控制方法。传统的自适应控制方法在一定条件下能够起到良好的抗雨衰效果,但并不能适用于所有情况。设想构建一个系统能够将几种自适应控制方法的优点加以整合,使其能够在不同时段、不同传输需求时均能体现出较高的有效性、可靠性和经济性,在雨衰影响减弱过程中自适应恢复信道状态,当雨衰结束时将信道参数状态恢复至雨衰前的状态。

3.2新型抗雨衰控制系统设计

3.2.1 系统功能要求

(1)能够短时间探测到雨衰影响,本地能够有告警并能迅速反馈到对通地面站;

(2)用户能够选择工作模式,如保通信质量模式、保通信速率模式、保调制解调模式、保编码方式模式、保编码速率模式、保功率稳定模式;

(3)当自动模式下仍不足以补偿降雨衰减时,能够进行告警并可切换为手动模式;

(4)能够进行雨衰结束判定,当雨衰影响结束后能够迅速进行判定,并将判定结果反馈到对通地面站;

(5)具有信道状态恢复功能,当雨衰结束后信道设备能够迅速恢复至降雨前的参数状态,使系统工作恢复正常状态。

3.2.2 自适应控制系统功能框图

如图2所示为自适应控制系统功能框图。在原有卫通链路基础上,增加了信道分析模块,分别进行雨衰判定和雨衰结束判定,在对通两个地面站均增加监控终端,用于自适应抗雨衰和自适应系统参数状态恢复。

3.2.3 系统功能实现

(1)首先要进行雨衰判定。当接收Eb/No(下转第161页)(上接第149页)有大的起伏时,需要判定是信号受到遮挡导致还是雨衰导致,同时需要排除由设备故障导致的下行信号不稳定情况。当判定为雨衰影响时,启动自适应补偿。

(2)在不同时间段在不同工作状态下,对于传输速率、误码率等参数有不同的要求,提供给用户选择窗口,可以选择自动模式或手动模式。提供给用户的几种模式中,保通信质量模式为只改变发射功率,不改变调制方式、编码方式、编码速率和传输速率,适用于对信道质量要求较高的情况;保通信速率模式为数据传输速率不变,可以改变发射功率、调制方式、编码方式和速率,适用于对信道质量要求一般但需要保证数据带宽的情况;保调制解调模式为调制方式不变,可以改变发射功率、编码方式和速率,适用于频谱资源有限的情况;保编码方式模式为不改编码方式,可以改变发射功率、调制方式、编码速率和传输速率,适用于对信道误码率要求较高的情况;保编码速率模式为不改编码速率,可以改变发射功率、调制方式、编码方式和传输速率,适用于对信道误码率要求较高的情况;保功率稳定模式为发射功率不变,可以改变调制方式、编码方式和速率、传输速率,适用于对功率稳定度有较高要求的情况。

(3)系统初始值设定。针对四种自适应模式,分别设定初始功率补偿值、最大功率补偿值,除保功率稳定模式外,另外三种模式都可以先功率补偿一部分衰减再改变调制方式等参数补偿一部分衰减,剩余部分再进行功率补偿;设定调制方式可选范围,如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM等,自适应时遵循由高阶到低阶逐级改变的原则,避免大幅度改变调制方式;设定编码方式可选范围,如LDPC、TPC等,自适应时改为编码增益高的编码方式;设定编码速率可选范围,如1/2,3/4,7/8,等,自适应时遵循由高速率到低速率逐级改变的原则;设定传输速率可选范围,范围中的数值应为按照现有速率百分比设定,如:可选范围10%~50%。

(4)当自动模式下仍不足以补偿雨衰对信道的影响时,能够进行告警并可切换为手动模式。

(5)雨衰结束判定。当跟踪接收机接受信噪比恢复至降雨前水平时判定为雨衰影响结束,将判定结果反馈至对通地面站,同时进行参数比对,将信道参数状态恢复至雨衰前的状态。

4结语

本文在对比现有自适应技术的基础上,分析得到现有技术存在的局限性。通过设计新型自适应抗雨衰控制系统,能够实现系统可靠性、有效性和经济性的统一,满足不同用户对通信效果的不同需求。

参考文献

[1] 陆建平.Ka频段卫星通信系统降雨衰减分析[J].通信系统与网络技术,2008, 34(2):6-7.

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[3] 张俊祥,崔爱红,梁冀生.降雨对卫星链路的影响分析[J].无线电工程,2005(12):11-13.

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