卫星通信v2 第三章 电波传播与极化（2）

继续讲解！当信号的频率大于30GHz时，即使小雨，造成的损耗也不能忽视。在10GHz以下时，则必须考虑中雨以上的影响。对于暴雨，其衰减更为严重，但其分布范围很小， 实际暴雨区的有效途径也较短。 

为了保证可靠通信， 在进行链路设计时，通常先以晴天为基础进行计算，然后留有一定的余量，以保证降雨、下雪等情况发生时仍然满足通信质量要求，这个余量叫降雨余量。对于暴雨的影响，通常要求地球站的发射功率要有一个增量。在暴雨天，卫星直播经常会中断就是这个原因。

如何产生极化的呢？

这些内容在电磁场那门课里面有涉及！

卫星通信中研究天线辐射远场区中的横电波（TEM），其极化方式指电场矢量末端轨迹曲线的形状。电场和磁场的变化是完全同步的，磁场幅度与电场幅度的变化成正比关系，因此只须考虑电场变化。卫星通信中主要使用线极化和圆极化。请同学们回顾一下线极化和圆极化的概念！估计都忘光了吧。

请同学们百度一下线极化和圆极化的差异！

极化有损耗。

好比传输有损耗！

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，发生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，天线就完全接收不到来波的能量，称极化完全隔离。 

传播损伤	物理原因	主要影响对象
衰减和太空噪声的增加	大气层中的大气、云、雨	大约10GHz以上的频率
信号去极化	降雨、冰晶	C和Ku波段的双极化系统 （与系统配置有关）
折射、大气层的多径	大气层中的大气	低仰角时的通信和跟踪
信号闪烁	对流层和电离层的 折射率起伏	对流层：10GHz以上的频率和低仰角； 电离层：10GHz以下的频率
反射多径、阻挡	地表面、地球表面上的物体	卫星移动业务
传播时延、变化	对流层、电离层	精确定时和定位系统，时分复用多址接入(TDMA)系统
系统间干扰	风管、散射、衍射	目前主要是C波段；降雨散射可能会影响更高频率

本章的作业来了！！！若要求某GEO卫星系统地球站的极化角，需要知道哪些参数？仿真BPSK调制解调器程序。未完，待续！

专业知识分享

介绍Lora接收机！

LPWAN作为一个新兴的、刚起步的技术，其市场普遍被看好，各厂商争先研究LPWAN，参与标准制定，设备商用试点，市场呈现百家争鸣的态势。

LPWAN技术从频谱角度上可分为授权频谱和非授权频谱两种。截至2019年，低功耗广域网络大部分部署在非授权频谱，即人们熟悉的ISM频段。

2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下频谱的超长距低功耗数据传输技术（LoRa，Long  Range）的芯片。Lo Ra主要面向物联网应用，其接收灵敏度可达-148dBm，与业界其他先进水平的Sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20dB以上，确保了网络连接的可靠性。LoRa功耗极低，一节五号电池理论上可供终端设备工作10年以上。同时，Lora使用线性调频扩频调制技术，即可保持像频移键控（FSK）调制相同的低功耗特性，又明显增加了通信距离，提高了网络效率并消除了干扰（不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰），因此在此基础上研发的集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

Lora技术经过Semtech、美国思科、IBM、荷兰KPN电信和韩国SK电信等组成的LoRa Alliance国际组织进行全球推广后，目前已成为新物联网应用和智慧城市发展的重要基础支撑技术。在运营模式、抗干扰能力、完整的生态系统、组织推广力度上，LoRa比Sigfox更具有优势。

LoRa采用线性扩频调制技术，高达157dB的链路预算使其通信距离可达15km以上（与环境有关），空旷地方甚至更远。相比其他广域低功耗物联网技术（如Sigfox），Lora终端节点在相同的发射功率下可与网关或集中器通信更长距离。LoRa采用自适应数据速率策略，最大网络优化每一个终端节点的通信数据速率、输出功率、带宽、扩频因子等，使其接收电流低达10mA，休眠电流小于200nA，低功耗从而使电池寿命有效延长。LoRa网络工作在非授权的频段，前期的基础建设和运营成本很低，终端模块成本约为5美元。LoRa WAN是联盟针对LoRa终端低功耗和网络设备兼容性定义的标准化规范，主要包含网络的通讯协议和系统架构。LoRa WAN的标准化保证了不同模块、终端、网关、服务器之间的互操作性，物联网方案提供商和电信运营商可以加速采用和部署。

LoRa网络架构由终端节点（内置LoRa模块）、网关（或集中器）、网络服务器和应用服务器四部分组成，各组成部分的详细介绍如下：

（1）终端节点（含传感器）：包括物理层、MAC层和应用层的实现，使用LoRa线性扩频调制技术，遵守LoRa WAN协议规范，实现点对点远距离传输。

（2）网关/集中器：完成空中接口物理层的处理。网关负责接收终端节点的上行链路数据，然后将数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。网关和网络服务器通过以太网回传或任何无线通信技术（如2G、3G、4G）建立通信链路，使用标准的TCP/IP连接。

（3）网络服务器：负责进行MAC层处理，包括消除重复的数据包、自适应速率选择、网关管理和选择、进程确认、安全管理等。

（4）应用服务器：从网络服务器获取应用数据，管理数据负载的安全性，分析及利用传感器数据，进行应用状态展示、即时警告等。

Lora 终端有三种不同的工作模式。

Class A（双向终端设备）：A类终端设备提供双向通信，但不能进行主动的下行链路发送。每个终端节点的上行链路传输会跟随两次很短的下行链路接收窗口。传输时隙由终端设备调度，基于其自身的通讯需求并有一个基于随机时基的微小变化，因此A类终端最省电。

Class B（支持下行时隙调度的双向终端设备）：B类终端兼容A类终端，并且支持接收下行Beacon信号来保持和网络的同步，以便在下行调度的时间上进行信息监听，因此功耗会大于A类终端。

Class  C（最大接收时隙的双向终端设备）：C类终端仅在发射数据的时刻停止下行接收窗口，适用于大量下行数据的应用。相比A类和B类终端，C类终端最耗电，但对于服务器到终端的业务，C类模式的时延最小。

修订记录

20190228 完成初稿；

20221226 修订内容v2；

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原文标题：卫星通信v2 第三章 电波传播与极化（2）

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