Ka频段与Ku频段雨衰比及高频段卫星通信链路频率缩放特性研究

《IEICE Transactions on Communications》：A study on the ratio of Ka-band to Ku-band rain attenuation and the frequency scaling for higher bands in satellite communications links

为解决5G/6G非地面网络(NTN)中高频段(如30 GHz、40 GHz)雨衰预测精度不足的问题，研究人员基于1988-2006年Ku/Ka频段同步测量数据，提出了一种考虑雨滴谱分布(DSD)影响的频率缩放方法。研究结果表明，该方法能有效估算30/40 GHz雨衰，且长期统计显示2007年后雨衰量级增加了约1.4倍，为高频段卫星通信系统设计提供了关键链路预算依据。

　　

随着5G/6G移动通信系统向全球和空间尺度扩展，非地面网络(NTN)成为构建天地一体化信息网络的关键。然而，当卫星通信链路从传统的Ku频段(14/12 GHz)向Ka频段(30/20 GHz)乃至更高的Q/V频段(50/40 GHz)迈进时，雨衰问题变得日益严峻。传统的ITU-R预测模型虽然被广泛使用，但在估算高频段雨衰时，其精度往往受到雨滴谱分布(DSD)等复杂气象因素的影响，难以满足未来高速、高可靠卫星通信系统的链路预算需求。

为了更精确地预测高频段雨衰，来自大阪电气通信大学的研究团队在《IEICE Transactions on Communications》上发表了一项研究。他们利用1988年至2006年间在日本大阪寝屋川市同步测量的Ku频段BS广播信号(11.84 GHz)和Ka频段CS信标信号(19.45 GHz)数据，深入分析了雨衰的频率依赖性，并开发了一种考虑DSD影响的频率缩放方法，成功地将雨衰预测能力扩展至30 GHz和40 GHz。

关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   同步测量与数据采集：利用光学传感器和正交模变换器(OMT)，在1988-2006年间同步测量了Ku频段(11.84 GHz)和Ka频段(19.45 GHz)的雨衰、降雨率以及雨滴谱分布(DSD)。
2. 2.
   基于DSD的频率缩放模型：提出了一种新的频率缩放方法，该方法基于特定衰减公式α = aR^b，并利用Joss-drizzle(Jd)、Marshall-Palmer(MP)和Joss-thunderstorm(Jt)三种典型DSD模型计算系数a和b，从而将雨衰从Ku频段缩放到Ka频段及更高频段。
3. 3.
   长期统计与趋势分析：对1988-2006年的长期数据进行了统计分析，并进一步利用2007-2023年的Ku频段数据，通过频率缩放方法估算了30 GHz和40 GHz的雨衰长期统计特性，分析了其年际变化和长期趋势。

研究结果

1. 雨滴谱分布(DSD)对雨衰比的影响

研究发现，Ka频段与Ku频段的雨衰比并非固定值，而是受到DSD的显著影响。通过分析56次降雨事件的数据，研究人员发现，雨衰比与Ka频段信标信号的交叉极化相位存在良好的相关性，且数据点分布在Jd、MP和Jt三种典型DSD的理论值附近。这表明，在频率缩放过程中，考虑DSD的类型对于提高预测精度至关重要。

2. 30 GHz和40 GHz雨衰的瞬时特性

利用提出的频率缩放方法，研究人员从Ku频段和Ka频段的实测雨衰数据出发，估算了30 GHz和40 GHz的雨衰瞬时值。结果显示，无论从Ku频段还是Ka频段进行缩放，估算出的30 GHz和40 GHz雨衰值均表现出相似的变化趋势和幅值，验证了该方法的有效性和一致性。此外，研究还发现，随着频率升高，Jd型(小雨滴)DSD对雨衰的贡献逐渐增大，甚至超过了Jt型(大雨滴)DSD，这与低频段的情况相反。

3. 长期统计特性与年际变化

对1988-2006年的长期统计数据分析表明，无论是采用统一的MP型DSD还是针对每次降雨事件选择DSD，估算出的30 GHz和40 GHz雨衰长期统计结果差异不大。然而，年际变化分析显示，雨衰的0.01%时间百分比值存在较大的波动，其标准偏差随频率升高而增大，从Ka频段的约5%增加到40 GHz的约13%。这表明高频段雨衰的年际不确定性更大。

4. 2007年后的雨衰趋势与链路预算

利用2007-2023年的Ku频段数据，研究人员估算了30 GHz和40 GHz的雨衰长期统计。结果显示，与1988-2006年相比，2007年后各频段的雨衰量级普遍增加了约1.4倍，这可能与全球变暖导致的降雨强度增加有关。基于此，研究进一步计算了不同时间百分比(如0.01%)下的雨衰余量，为高频段卫星通信系统的链路设计提供了具体的工程参考值。

5. 仰角依赖性

研究还分析了雨衰与仰角的关系。结果表明，随着仰角从40°增加到90°(天顶方向)，雨衰量级按sin(仰角)的比例减小。对于天顶方向的链路，其雨衰量级约为40°仰角链路的0.745倍，这为未来低轨卫星(LEO)和高空平台站(HAPS)等仰角较高的非地面网络(NTN)的链路设计提供了重要依据。

结论与讨论

本研究通过长期、同步的Ku/Ka频段雨衰测量数据，验证了一种考虑雨滴谱分布(DSD)影响的频率缩放方法的有效性。该方法能够将雨衰预测从Ku频段和Ka频段可靠地扩展到30 GHz和40 GHz等更高频段。研究的主要结论和意义如下：

1. 1.
   DSD是高频段雨衰预测的关键因素：研究证实，雨滴谱分布(DSD)的类型对Ka频段与Ku频段的雨衰比有显著影响。在频率缩放过程中，考虑DSD的差异能够更准确地估算高频段雨衰，尤其是在瞬时特性分析中。
2. 2.
   长期统计的稳定性：尽管单次降雨事件的DSD差异会导致雨衰估算的瞬时差异，但在长期统计(如19年)中，采用统一的MP型DSD与针对每次事件选择DSD所得到的雨衰统计结果差异不大。这表明，对于长期链路预算设计，采用统一的DSD模型(如MP型)是可行的。
3. 3.
   雨衰量级呈增加趋势：2007年后的数据显示，各频段的雨衰量级较1988-2006年增加了约1.4倍。这一趋势提醒系统设计者，在规划未来高频段卫星通信系统时，需要预留更大的雨衰余量，以应对气候变化可能带来的影响。
4. 4.
   为高频段NTN提供设计依据：研究不仅提供了30 GHz和40 GHz的雨衰长期统计曲线，还计算了包含年际变化(如m+σ, m+2σ)的雨衰余量，为5G/6G非地面网络(NTN)中高频段链路的可靠性和可用性设计提供了直接、实用的工程数据。
5. 5.
   仰角效应的量化：研究量化了雨衰随仰角变化的规律，即雨衰与sin(仰角)成反比。这一结论对于仰角变化范围较大的低轨卫星(LEO)和高空平台站(HAPS)系统尤为重要，有助于更精确地评估其在不同轨道位置下的链路性能。

综上所述，这项研究为高频段卫星通信的雨衰预测提供了更精确、更可靠的方法和数据，对推动未来高速、高可靠天地一体化信息网络的发展具有重要意义。