第3章 链路传输工程

16 - 50 km
对流层（Troposphere）
7- 16 km
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表3-Hale Waihona Puke Baidu 卫星通信系统的传播问题
传播问题 物理原因 主要影响 大约10GHz以上频率 衰减和天空噪声增加 大气气体、云、雨 信号去极化 折射和大气多径 信号闪烁 反射多径和阻塞 传播延迟、变化 雨、冰结晶体 大气气体 对流层和电离层折射扰动 地球表面及表面上物体 对流层和电离层
卫星通信系统中的天线都采用定向天线，并用“天线增益” 来表征其方向性。其发送端（辐射源）采用定向天线，增 益 Gt 为:
Gt 定向天线在某方向上（ 通常是最大辐射方向） 单位立体角发射的功率 无方向天线（各向同性 ）单位立体角发射的功 率
如果发射端采用定向天线，则根据式（3-1）可以得到与发 射端距离为 d 处的单位面积所接收的信号功率密度（功率 通量密度）为： GP Pr" t t2 ( 3 - 2) 10 4d
Ls 7.47 105 f I (1 5.77 105 f 3 I 0.6 ) (dB/km)
其中 f 为频率，单位为GHz；I 为降雪强度，单位为mm/h。 在15GHz以下的频率，只有中等强度以上的雪才有影响。
26
3.2.2 链路附加损耗
3、大气折射的影响
大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而 减小，电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波 束上翘一个角度增量。
" r 2
2
(3 4)
11
例:
卫星的EIRP值为49.4dBW，计算卫星离地面距离为 40000km时，地面站的功率密度。 解：根据式（3-2），
Gt Pt P 4d 2
" r
( 3 - 2)
地面站的功率密度为
4.94 G P 10 2 Pr'' T T2 4.33 (pW/m ) 2 4 d 4 3.1416 40000 1000
Lf 92.44 20lg d 20lg f
199.578dB 92.44 20lg 37910 20lg 6 199.578dB
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根据公式：
Re h d R 2 d Re cos 2
2 2 2 e
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地磁中纬度地区（非闪烁增强带）电离层闪烁造成的衰落（dB）
30
电离层闪烁储备余量
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对流层闪烁的影响: 对流层闪烁特性主要对较高频段（10GHz以上）的电波 传播造成较大的影响。 对流层的闪烁强度与物理参数（温度、湿度、风速等）、 纬度位臵和时节（包括日变化、季变化）有关，闪烁将导致 信号衰落，特别是在低仰角时，衰落可大10dB。
接收信号功率的计算公式
接收天线增益 Gr 可表示为：
Gr
4

2
Ae
(3 3)
式中，λ 为电波波长，Ae 为接收天线的有效接收面积（等于 实际的物理面积与天线效率的乘积）。 显然，接收天线有效接收面积为 Ae 时，接收信号功率 Pr 为：
Gt Pt Pr P Ae Gr GrGt Pt 2 4d 4 4d
图2-7 微波信号通过大气层时产生折射
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大气折射率的变动对穿越大气的电波起到 一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰 减，衰减量与频率无关。在仰角大于5度时， 散焦衰减小于0.2dB。 此外，因大气湍流引起的大气指数的变化， 使电波向各个方向上散射，导致电波到达大口 面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰 落，这类损耗较小。
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静止卫星与地球站的通信距离关系
Re arccos[ cos ] Re h
图3-3 卫星与地球站的几何关系
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静止卫星与地球站的通信距离关系
地球站到静止卫星的通信距离（链路长度）d 和仰角 α 的 计算公式为：
d 42238 1.023 0.302cose cosg km
6.61073 cos arctan sin
(3 - 9)
(3 - 10)
式中，地心角 arccoscose cosg ，e 为地球站的纬 度，Δg 为地球站与星下点的经度差。
17
18
例1（ P48 ）：若静止卫星定位于E90o，求位于（110oE，40oN） 的地球站对卫星的仰角和信号传播距离。若射频频率为6GHz， 计算链路的自由空间传播损耗。
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3.2.2 链路附加损耗
5、多径传播
地面或环境设施（包括建筑物和树木等）对信号的反射， 可形成信号的多径传播。对于天线高度低、增益小的移动终 端更容易出现这样的情况。如图3-8所示。
图3-8
地面反射形成的多径传播
33
电离层闪烁形成多径传播
34
35
3.3 卫星移动通信链路特性
卫星移动通信信道的分析模型：经验模型、 几何分析模型、概率分布模型。 经验模型：不能揭示传播过程的物理本质， 但可以描述出对重要参数的敏感度； 几何分析模型：用几何分析的方法，能预测 单个或多个散射源的作用，解释衰落机制， 但需将结果扩展到实际的复杂情况； 概率分布模型：建立了对传播过程的理解， 对实际情况作了简化假设。 下面基于概率模型来描述卫星移动通信信道 的电波传播特性。
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自由空间传输损耗的计算公式
因为：
Gt Pt 2 GrGt Pt Pr Gr 2 2 4d 4 4d
定义自由空间传输损耗Lf 为：
( 3 - 4)
4d 4df Lf c
2
2
(3 - 5)
式中 α 为地球站对卫星的仰角，由于Re=6356.755km， h=35800km，所以可求得 α=39.3o。
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3.2.2 链路附加损耗
大气吸收损耗 雨衰和云雾的影响 大气折射的影响 电离层闪烁的影响 多径传播
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3.2.2 链路附加损耗
1. 大气吸收损耗
在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸收衰减 起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22GHz(15~35GHz间)， 氧气在60GHz(35~80GHz间)。 对非常低的水蒸汽密度，衰减可假定与水蒸汽密度成 正比。 由于在22GHz和60GHz处有较大的损耗峰存在，这些 频率不宜用于星-地链路，但可用于星间链路。 从总体上看，大气吸收损耗随频率的增加而增大。在 0.3~l0GHz的频段，大气损耗小，适合于电波传播。30GHz 附近也有一个低损耗区。
7
3.2.1 自由空间传播损耗
电波在传播过程中，能量将随传输距离的增大而扩散， 由此引起的传播损耗称为链路的自由空间传播损耗。 在半径为 d 的球面上（其面积为 4πd2 ），功率密度 （功率通量密度），即单位面积上的功率。也就是发射功 率经过空间传播到达接收点后，在单位面积内的功率。可 以表示为：
图3-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系
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例：
卫星和地面站之间的距离为42,000km。计算6GHz时的自 由空间损耗。
解：根据公式（3-8），
Lf 92.44 20lg d 20lg f (dB)
(2-8)
Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB)
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图3-6 不同仰角时的雨衰频率特性
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云、雾引起的损耗可用下式计算：
Lc 0.148 f 2 / v1.43 (dB/km) m
其中 f 为频率，单位为GHz；Vm 为能见度，单位为m。 密雾：Vm<50m 浓雾：50≤Vm<200m 中等雾：200≤Vm<500m 雪引起的附加损耗可用下式计算：
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图3-5 大气吸收附加损耗与频率的关系
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3.2.2 链路附加损耗
2、雨衰和云雾的影响
在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率 （10GHz以上）的微波能量会产生散射和吸收作用，从而 引入较大的附加损耗，称为雨衰。 仰角为 θ 的传播路径上的降雨衰减量为： LR=γR· l R( θ ) 式中，γR 是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度 上的衰减，单位dB/km； lR(θ) 是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为 θ 时，传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站 所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dB/km)，单位为km。
6
3.2 星-地链路传播特性
卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中 最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗的大 部分。 其它损耗还有大气、雨、云、雪、雾等造成 的吸收和散射损耗等。
卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮 蔽(例如树木、建筑物的遮挡等)而增加额外的损 耗，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避 免这一额外的损耗。
3
卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、平流层、电 离层和外层空间，跨越距离大，影响电波传播的因素很多。
外逸层（Exosphere） 500 - 64,374 km
热层（热电离层）（Thermosphere） 80 - 500 km
中间层（Mesosphere）
50 - 80 km
平流层（Stratosphere）
C和Ku频段的双极化系统 (取决于系统结构)
低仰角跟踪和通信 对流层：低仰角和10GHz 以上频率 电离层：10GHz以下频率 卫星移动业务
精确的定时、定位、 TDMA系统
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卫星通信系统的主要技术参数
• 等效全向辐射功率（EIRP） 定义：地球站或卫星的天线发射功率 P 与该天线 增益 G 的乘积。 表明了定向天线 在最大辐射方 向实际所辐射的功率。可表示为： EIRP=P· G，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB) • 噪声温度（Te） 定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温 度下的热噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度 （Te）与噪声系数(NF）的关系为： NF=10lg(1+Te/290)(dB) • 品质因素（G/Te） 定义：天线增益与噪声温度的比值。可表示为： G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)
Lf 也可以理解为发射天线和接收天线增益都为1（0 dBi）时 的传输损耗（发射功率与接收功率之比）。
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自由空间传输损耗的计算公式
若以dB为单位，并将π，c等常数代入， Lf(dB)可表示为：
Lf dB 92.44 20lg d (km) 20lg f (GHz)
(3 - 8)
注意：式（3-8）中 d 的单位为km，f 的单位为GHz。
解：地球站与卫星之间的距离为 d ，地球站的纬度e=40o，地球 站与星下点的经度差 Δg=110o-90o=20o，则：
d 42238 1.023 0.302cose cosg 42238 1.023 0.302cos40 cos20 37910 (km)
链路的自由空间传输损耗 Lf 为：
Pr' Pt 4d 2 (3 1)
式中，Pt 为辐射源的功率， Pr' 可以看做在距离辐射源 d 处， 单位天线面积接收的功率，而式（3-1）的分母称为传播 （或扩散）因子。 8
图3-1 以确定的天线面积在不同
距离上所接收的辐射能量
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接收天线捕获面积在工程上称为天线的有效面积。
天线的增益 有效面积 实际的物理面积
第3章 链路传输工程
1
目录
一、星-地链路传播特性 二、卫星移动通信链路特性 三、天线的方向性和电极化问题 四、噪声与干扰 五、卫星通信全链路质量 六、信道对传输信号的损害 七、上、下行链路的RF干扰
2
链路传播特性
星际链路：只考虑自由空间传播损耗 星-地链路：由自由空间传播损耗和近
地大气的各种影响所确定
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3.2.2 链路附加损耗
4、电离层、对流层闪烁的影响
电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可 使信号产生折射，其强度大致与频率的平方成反比。 电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电 波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号 的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。 对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术，来 克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其它地区可用适当增加 储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。