1. 卫星链路衰落与可用度评估导论

卫星通信链路从发射机、天线、上行大气、卫星转发器、下行大气到接收机，中间任何一段出现能量损耗或信号起伏，都会直接反映为接收端载噪比（C/N）的下降。当这种下降超过系统能够容忍的门限时，链路就进入中断状态。本课程要解决的核心问题，就是如何定量描述这种"信号变差"的过程，并据此判断一条链路在长期运行中到底有多少时间是可用的。

本节先建立四个贯穿全课程的核心术语，再给出评估流程的整体框架，最后说明这些方法在工程中的典型应用场景。

四个核心术语

衰落（Fading）指接收信号电平随时间发生的随机起伏。在卫星链路中，衰落主要来自三类机制：一是降雨、云、雾、水汽对电波的吸收与散射，属于大气层衰落，在 Ku、Ka 等高频段尤为显著；二是电离层闪烁与对流层折射引起的信号快速抖动；三是多径与天线指向误差造成的慢变化。工程上通常用衰落深度（dB）和衰落持续时间两个维度来描述一次衰落事件。

可用度（Availability）是链路在统计周期内满足性能指标的时间比例。若一年中链路满足误码率与载噪比要求的时间为 8750 小时，则可用度为 8750/8760 ≈ 99.89%。可用度是一个长期统计量，它把"偶尔中断"和"经常中断"区分开来，是系统设计验收的关键指标。

中断概率（Outage Probability）与可用度互补：P_out = 1 − A。它表示接收载噪比低于解调门限的概率。中断概率通常按最坏月或年平均给出，因为降雨衰落的统计特性在不同月份差异很大，按最坏月设计才能保证全年可用度。

链路余量（Link Margin）是链路预算中预留的、用于对抗衰落的额外功率余量，单位为 dB。它等于接收载噪比与解调门限载噪比之差。余量越大，可承受的衰落越深，中断概率越低，但代价是更大的天线口径、更高的发射功率或更低的调制阶数。

评估流程的整体框架

一条卫星链路的可用度评估，本质上是一条从"链路参数"到"可用度数值"的计算链。下图给出了这一链条的主要环节与数据流向。

流程的起点是链路几何、设备参数、气象数据和业务需求四类输入。链路预算把发射功率、天线增益、路径损耗、噪声温度等折算为接收端的 C/N₀，并与解调门限比较，得到初始余量。衰落统计模型则回答"这个余量在多大比例的时间内会被衰落吃掉"，从而给出中断概率。如果算出的可用度不满足要求，就需要回到链路预算环节调整余量——增大天线、提高功放功率或改用更低阶的调制编码，然后重新计算，直到可用度达标。这个迭代过程是链路设计的常态。

一个可手算的示例

为便于理解各量的量级关系，下面给出一个 Ku 波段下行链路的简化算例。所有数值均为教学假设值，不代表任何实际系统。

下行频率 f = 12 GHz，站星仰角 35°，天线口径 1.2 m
卫星 EIRP = 48 dBW，下行路径损耗 L = 206 dB
接收天线增益 G = 41 dBi，接收机 G/T = 20 dB/K
玻尔兹曼常数 k = -228.6 dBW/(K·Hz)

C/N0 = EIRP - L + G/T - k
     = 48 - 206 + 20 + 228.6
     = 90.6 dBHz

业务速率 10 Mbit/s，所需 Eb/N0 门限 = 6 dB
门限 C/N0 = Eb/N0 + 10log10(Rb)
          = 6 + 70 = 76 dBHz

初始链路余量 = 90.6 - 76 = 14.6 dB

这 14.6 dB 就是用来对抗雨衰、闪烁和指向误差的全部余量。若该地区 0.01% 时间雨衰为 12 dB，闪烁贡献约 1.5 dB，则总衰落约 13.5 dB，小于 14.6 dB，说明在 99.99% 时间可用度目标下这条链路勉强达标。若雨衰改为 16 dB，则余量不足，需要把天线口径增大到 1.8 m（增益约 +3.5 dB）或降低速率，才能把可用度拉回目标值。

典型应用场景

可用度评估在不同业务中的侧重点并不相同。固定卫星业务（FSS）的广播与数据回传通常要求年可用度 99.9% 以上，设计时按最坏月雨衰取值；移动卫星业务（MSS）受车载或船载天线口径限制，余量紧张，往往通过自适应编码调制在降雨时降速保链路；低轨星座的链路几何快速变化，仰角在几分钟内可从 10° 变到 90°，路径损耗和雨衰路径长度随之改变，可用度评估必须按时间切片逐段计算；而深空探测链路的"衰落"主要来自日凌与天线指向，可用度更多取决于轨道几何而非大气。