Ka頻段衛星通信系統雨衰特性及混合補償技術的研究

來源: www.cdduwq.com.cn 作者:lgg 發布時間:2015-08-20 17:46 論文字數:36859字
論文編號: sb2015082011361014326 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文是工程論文,要討論了影響 Ka 頻段信號傳播的衰減因素,著重分析了信號在傳播過程中的雨衰特性。闡述了雨滴的尺寸分布及其末速度等內容,列舉了一些國際上廣泛應用的降雨率累積分

第 1 章 緒論


1.1 課題研究背景及意義
衛星通信系統具有頻段資源豐富,可用帶寬寬,通信容量巨大,覆蓋范圍廣,通信鏈路不受地域限制的優點,同時系統的可靠性高,能夠自發自收進行檢測,鏈路環節少,故障率低,可根據實際環境或業務需求而改變傳輸數據率,適用于傳輸多種類型的業務,因此,無論在軍事領域,還是科研及人類社會生活的不同方面,衛星通信系統的應用前景都非常廣闊。衛星通信實現的理論基礎是空間技術和地面微波中繼通信技術,主要依靠大氣外層衛星的中繼來實現遠距離信息傳送。目前廣泛應用的在軌衛星基本都工作于較低的 C 波段(4GHz~6GHz)和 Ku波段(12GHz~14GHz),其通信帶寬窄,容量有限,已經滿足不了日益增長的寬帶業務和多媒體業務的需求,這使得應用高頻段來實現大容量、高速率、高可靠性的信息傳輸成為必然趨勢[1]。由國際電信聯盟給固定衛星業務分配的 Ka 波段(20GHz~30GHz)自然而然的成為寬帶衛星通信的首選波段。Ka 波段的頻率資源非常豐富,可用帶寬高達 3.5GHz,是 Ku 波段可用帶寬的 5 倍以上,同時 Ka波段的衛星通信系統具有通信容量大,波束窄,終端尺寸小,抗干擾能力強,軌道平面內可容納的衛星多等優勢。當前的消費市場對視頻、語音、數據以及圖像的傳輸速率要求越來越高,這促使 Ka 波段衛星通信系統以其固有的優勢成為未來大容量多媒體應用以及遠距離通信的重要手段[2  3]。目前,衛星通信系統在高速公路、搶險救災、疾病防控、環境監測以及質量監督方面都有較為廣泛的應用,尤其是在近年來全世界范圍內各地區屢次遭受自然災害時的突出表現,使得衛星通信系統在應急通信時顯得尤為重要[4]。未來的Ka 波段衛星通信系統也將在如下的諸多領域里運用:(1)在民用通信領域,利用 Ka 頻段同步軌道衛星、非靜止軌道衛星或兩者的混合衛星群系統與多種地面業務傳輸網的相通互連,一起聯合組成一體化式的全球無縫覆蓋通信網。尤其是可以克服高山、沙漠、海洋等自然地理障礙,為偏遠地區提供高速接入多媒體業務或遠程服務,使得終端能夠在農村環境下獨立運行,在通信遭受自然災害事件的破壞時,其通信保持不中斷。
……..


1.2 國內外研究發展現狀
由于 Ka 波段的通信頻率高,導致元器件的制造技術相對比較復雜,工藝要求較高,因此在較長一段時間里,Ka 波段的衛星通信系統僅限于在部分軍事領域里應用,一直無法達到民用和商用。而伴隨著世界各國對通信容量需求的不斷擴大,必然需要更高的 Ka 波段來擴容,使得各國在近些年投入大量的資金和人力致力于研究該波段的傳播特性,并制造高頻段器件,不斷推進 Ka 波段衛星通信系統的商用化和民用化。早在 70 年代,國際上特別是美國、日本等國為了擴展衛星通信的應用,就已經認識到新頻段的研究和發展具有重要的意義,同時也一直致力于 Ka 波段衛星通信概念和關鍵技術的研究和試驗工作,將 Ka 波段推向實用化。1993 年美國發射再生中繼式衛星 ACTS(先進通信技術衛星),該衛星具有星上處理功能,是 Ka 波段衛星通信發展史上的里程碑。1997 年美國FCC(聯邦通信委員會)對 13 家公司發放了 Ka 波段衛星通信許可證,其中洛克希德•馬丁公司投產設計的Astrolink系統,用 5 顆同步軌道衛星建立星際互連的衛星群,通過衛星中繼鏈路實現高速率通信業務。1998 年 8 月,摩托羅拉將 Ka 波段的Teledesic 系統與 Celestri 系統合并,組成由 120 顆衛星加 6 顆在軌備份衛星的Teledesic 系統,并于 2002 年開始運營。除以上 Ka 波段衛星通信系統外,還有GE 美國公司的 GE-Star 系統,由 9 顆衛星組成;法國的 Skybrige(天空橋);德國的 DFS 哥白尼計劃;加拿大的 SATACOM 計劃;韓國于 2002 年發射的Koreasat-3(韓星-3)Ku、Ka 雙頻段通信衛星以及我國臺灣于 2000 年發射的采用 Ka 波段轉發器技術的 DESTING-ONE(命運 1 號)衛星等[8]。
……….


第 2 章 Ka 頻段衛星通信系統電波傳輸特性


2.1 Ka 頻段衛星通信信號的衰減因素
通常把圍繞著地球的大氣層分為對流層、同溫層和電離層,對流層位于地面以上平均高度在10-12km 的位置,同溫層處于12-60km 的位置,而電離層則處于60km 以上的區域。其中,同溫層幾乎不含任何的水汽凝結物,所以對電磁波不會造成衰減。電離層中因為含有大量的電子和離子,主要是對1GHz以下的信號產生作用,造成信號的折射彎曲、多普勒頻移、相位超前以及時延等效應。對于10GHz 以上的頻段,對流層中的水氧分子、雨雪云霧、冰晶、塵埃等粒子的吸收和散射作用是導致電磁波傳播損耗的主要因素[10]。因此,在 Ka 頻段衛星通信系統中,主要研究的是對流層對其傳播信號的衰耗影響。當信號在地空鏈路之間進行傳播時,必然要經過地球周圍的大氣層,而大氣層中的對流層除了含有各種氣體以外,還包含大量的水蒸氣及水汽凝結物、沙塵粒子等,這些粒子都會使電波產生嚴重的衰減、去極化等,從而使傳輸信號的誤碼率上升,甚至使系統中斷。如圖 2.1 所示,地空鏈路中各個因素對電波造成的影響包括降雨衰減及由降雨帶來的附加噪聲和去極化效應,大氣中水氧等氣體分子的吸收,云霧衰落,大氣層閃爍及折射效應等。圖上的融化層位于離地面有效降雨高度的位置,該層內的冰雪粒子將轉化為水汽凝結物造成信號的衰減。當鏈路上有小雨或者地球站的天線仰角很小時,融化層會使傳播路徑衰減明顯增加。因此,有關 Ka 波段的衛星通信信號在傳播過程中會受到哪些衰減因素的影響是本課題研究的首要任務。國際上的眾多學者對于Ka波段信號傳播衰減因素進行了大量的理論分析和實驗研究,利用實測數據推導出各個衰減因素的經驗公式,并得出相應的衰減值。
………


2.2 降雨速率的分析及其累計分布模型
在 Ka 頻段的地空通信系統中,降雨是引起傳輸信號衰減的主導因素。為了更好地利用 Ka 波段,應該著重分析降雨的物理特性,在此基礎之上,研究和改進降雨衰減預測模型,以便于提高模型預測的準確度。對于大多數的雨衰預測模型而言,都需要降雨速率的累計分布函數作為模型的輸入參數。所謂降雨速率是指單位時間內的降雨量,通常以mm/min 或mm/h 為單位,也稱作降雨強度[10,19]。降雨速率的大小與雨滴的形狀、雨滴尺寸的累積分布函數和雨滴的下落速度等相關。本節將展開論述雨滴的尺寸分布特性及雨滴的末速度等影響因素,并詳細介紹有關降雨速率的累積分布模型。雨滴在下落的過程中,由于空氣阻力的作用使其由球狀變成橢球狀,致使其直徑增加。雨滴的直徑范圍通常是從 0.1mm-10mm。在具體的降雨過程中,直徑位于中間尺寸的居多,雨滴的直徑主要是集中在 0.25mm-6mm 之間不等,而且尺寸越大的雨滴越容易發生破裂。觀察表明,直徑大于 8mm 的雨滴在下落的過程中,受到的空氣阻力加大,雨滴的擺動和震蕩幅度也加劇,底部會出現凹槽,且雨滴的表面張力不足以維持其形狀而裂開[20]。雖然雨滴的尺寸、形狀和方向會發生變化,但其尺寸分布具有一定的規律性,也為了便于對雨滴進行理論分析,因此在計算時可以將雨滴近似為球形,等效球形半徑從 0.28mm-5mm,超出 5mm的等效球形雨滴會產生破裂,可不予考慮。如圖 2.9 所示,圖左為實測雨滴的形狀,圖右是與該雨滴等效的半徑為 r 的球形體,兩者的體積近似相等。
……….


第 3 章 降雨衰減預測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 模型的改進模型.... 32
3.4 Karasawa 模型.......... 35
3.5 雨衰預報模型的比較 .... 36
3.6 降雨衰減特性分析 ........ 39
3.7 本章小結 .......... 41
第 4 章 Ka 頻段衛星通信系統雨衰混合補償方法的研究 ..........43
4.1 降雨衰減的經典補償方法 .......... 43
4.1.1 分集技術 .... 44
4.1.2 控制技術 .... 45
4.1.3 自適應技術 ....... 46
4.2 雨衰混合補償技術 ........ 48
4.3 混合技術算法仿真及其仿真結果分析 .... 52
4.4 本章小結 .......... 57
第 5 章 總結與展望 .........58


第 4 章 Ka 頻段衛星通信系統雨衰混合補償方法的研究


通過前面章節的敘述,可以知道,降雨會造成 Ka 頻段的衛星通信信號產生較大的衰落。一般而言,雨衰大小與降雨的瞬時強度、雨滴形狀和傳輸距離有關,由此引起的通信系統可用率僅為 99.2%-99.6%,與用戶要求的 99.99%可用率相差較大[8,45,46],必須設法克服。通常在系統設計的初期,要對通信鏈路質量進行詳細的評估,并預留一定的衰減余量來滿足通信系統中信號實現可靠傳輸的要求。對于較低的 C 頻段或者Ku 頻段而言,僅需要預留 6dB 以內的余量就足以保證通信鏈路的正常工作,但是對于更高的 Ka 波段來說,降雨可能會導致 20dB~40dB 的衰減。若采用功率余量的補償方法,很顯然會造成功率的浪費,對于終端的功率儲備要求增加也會使得終端的成本高且不易實現,同時,功率增大也會對鄰近信道造成干擾。另外,未來通信系統的終端將逐步趨于小型化和移動化,這使得設備的發射功率降低,因此除了必要的功率余量以外,還應該采取適當的抗雨衰措施,利用多種方式來補償雨衰,保證信號傳輸質量。

……….


結論


隨著信息高速公路的飛速發展,未來若要實現任何時間任何地點的實時通信夢想必然需要應用衛星通信技術。較低的 C、Ku 波段的頻率資源和容量都有限,已遠不能滿足人們日益增長的業務需求,而更高的 Ka 波段以其頻率資源豐富,終端尺寸小等優點成為寬帶業務的首選頻帶。但是頻段越高,雨衰就越嚴重,因此,本文針對 Ka 波段信號的雨衰問題,對如下內容進行了細致的研究:


1、 信號傳播衰減因素及雨衰預測模型
總結了衛星通信的研究現狀及其發展趨勢,然后詳盡的論述了影響 Ka 波段信號傳播的衰減因素以及一些經典雨衰減預測模型,包括 ITU-R 模型、DAH模型及其改進形式,并對這些模型進行了深入的比較,得出 DAH 改進模型二和四比較符合長春地區的實際雨衰分布特征。隨后對實際觀測的降雨事件進行分析,分大雨、中雨、小雨來逐一探討其雨衰特性。


2、混合技術補償降雨衰減
首先概述了一些經典的雨衰補償方法,主要討論了分集技術,控制技術以及自適應技術。對于 Ka 頻段衛星通信系統來說,由于其頻段高,所受降雨衰減較嚴重,因此,只運用某一種抗雨衰技術還不能滿足較高補償雨衰的目標,有時還會產生較大的補償誤差。因此,本文主要基于前向一步線性預測原理,提出了一種自適應功率控制技術與速率控制技術相結合的混合補償雨衰方法,該方法首先預測降雨衰減值,進而控制地面終端根據雨衰大小調節其發射功率,當發射功率達到最大值且雨衰仍然偏大時,采取適當降低信息傳輸速率的措施來進一步補償降雨衰減。仿真表明,該方法在雨衰小時補償誤差很小。對于雨衰大時,結合運用速率控制技術,根據信噪比的變化,動態的調整信息速率,能有效的減小補償誤差,提高系統的信噪比,從而減小誤碼率,使系統不至于中斷。
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參考文獻(略)


原文地址:http://www.cdduwq.com.cn/gclw/14326.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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