2. 卫星链路特性与信道建模

卫星链路的性能并不只由发射功率和天线增益决定。信号从地面站出发，经上行链路穿过大气层到达卫星，再经下行链路返回地面，途中会经历自由空间扩散、大气吸收、雨衰、多径与阴影等一连串物理过程。链路自适应传输的前提，就是把这些损耗和波动用可计算的模型描述出来，并区分哪些是缓变的、可预测的，哪些是快变的、需要实时跟踪的。

自由空间损耗：链路预算的基准

自由空间损耗（FSPL）描述电磁波在无遮挡真空中随距离扩散造成的功率密度下降，是链路预算的起点。其常用形式为：

FSPL(dB) = 92.45 + 20·log10(d_km) + 20·log10(f_GHz)
或 FSPL(dB) = 32.44 + 20·log10(d_km) + 20·log10(f_MHz)

以 Ku 频段 12 GHz、地球同步轨道斜距约 38000 km 为例：20·log10(38000) ≈ 91.6 dB，20·log10(12) ≈ 21.6 dB，代入第一式得 FSPL ≈ 205.7 dB。若换成 Ka 频段 30 GHz，同样距离下 FSPL 约增加 20·log10(30/12) ≈ 8 dB，达到约 213.7 dB。这说明频段越高，自由空间损耗越大，必须用更大的天线口径或更高的功放功率补偿。注意 FSPL 与频率相关，本质是接收天线有效面积随频率下降所致，并非空间真的“吸收”了能量。

大气衰减与雨衰

大气衰减主要来自氧气和水汽的吸收谱线，在 22 GHz 附近有水汽吸收峰，60 GHz 附近有氧气吸收峰。对 Ku/Ka 频段卫星链路，晴空大气衰减通常只有零点几到几 dB，且随仰角降低而增大——低仰角时信号穿过大气的路径更长。

真正主导高可用度设计的是雨衰。降雨不仅吸收还散射电磁波，其衰减与雨强 R（mm/h）、频率、极化方式和路径长度有关。工程上常用 ITU-R P.618 模型估算：先由雨强分布求出特定时间百分比（如 0.01%）对应的雨衰 A₀.₀₁，再按百分比换算。一个典型示例：Ka 频段 20 GHz、仰角 35°、0.01% 时间雨强 42 mm/h 的地区，比衰减 γ 约 1.5 dB/km，有效路径长度约 4 km，则 A₀.₀₁ ≈ 6 dB；若雨强升到 80 mm/h，雨衰可超过 15 dB。雨衰是慢变过程，持续时间从几分钟到数十分钟，适合用功率控制、自适应编码调制和站点分集来对抗。

多径与阴影效应

在移动卫星场景中，地面附近存在建筑、树木、地形等反射体和遮挡物。多径使同一信号经不同路径到达接收端，各路径的幅度和相位不同，叠加后形成快衰落；阴影效应则是直射路径被遮挡，接收功率整体下降，服从对数正态分布。二者常组合成 Lutz 模型或 Rice-Lognormal 模型：好状态用莱斯分布描述（有直射分量），坏状态用瑞利或对数正态描述（无直射分量）。

多径和阴影的典型时间尺度是毫秒到秒级，远快于雨衰。这意味着链路自适应必须分层处理：慢环跟踪雨衰和仰角变化，调整发射功率或编码速率；快环跟踪多径和阴影，依靠交织、分集和快速信噪比估计维持解调。

时变信道统计模型

把上述效应统一起来，卫星信道可建模为时变随机过程。常用做法是将总损耗分解为确定性部分和随机部分：

L_total(t) = FSPL + L_atm(θ) + L_rain(t) + L_shadow(t) + L_multipath(t)

其中 FSPL 和晴空大气衰减是确定性项，雨衰、阴影、多径是随机项。工程上常用马尔可夫链描述信道状态转移：定义“晴空—轻雨—中雨—大雨—阴影”等状态，用状态转移概率矩阵刻画信道在相邻时刻的跳转。例如一个简化的三状态模型，状态转移矩阵可写为：

       晴空    轻雨    大雨
晴空   0.95    0.04    0.01
轻雨   0.30    0.60    0.10
大雨   0.05    0.35    0.60

矩阵中每行之和为 1，表示从当前状态出发下一时刻转移到各状态的概率。若当前为晴空，下一时刻仍有 95% 概率保持晴空；若当前为大雨，则有 60% 概率维持大雨，说明雨衰具有时间相关性，不会瞬间消失。自适应传输可据此预测下一时刻的信道状态，提前调整调制编码策略，而不是等误码率恶化后再被动反应。

从建模到使用，关键是把不同时间尺度的损耗分开处理。自由空间损耗和仰角相关的大气衰减在链路预算阶段一次性算清；雨衰用长期统计模型给出不同可用度下的余量；多径和阴影则通过实时信噪比估计和自适应编码调制来应对。这样，链路自适应才有明确的输入——当前信道状态估计，以及明确的输出——调制编码方式、发射功率和重传策略的联合调整。