張鑫 趙振維 林樂科 盧昌勝 侯春枝 呂兆峰 吳振森

(1. 西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071;2. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,青島 266107)

引 言

2015年,國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)確定了第5代移動通信(the 5th Generation,5G),即IMT-2012的發(fā)展框架和總體目標(biāo),確定了將使用的毫米波段,候選頻率范圍為24.25 ～86 GHz[1].ITU還專門設(shè)立了WRC-19 1.13議題開展5G頻譜需求和頻段劃分研究[2],其中ITU無線電通信部第三研究組(ITU-R SG3)負(fù)責(zé)共存研究所需的高頻段傳播模型研究.降雨是影響毫米波信號的重要因素.一方面,在傳播路徑上,信號經(jīng)過雨滴時會產(chǎn)生嚴(yán)重的吸收和散射,造成信號強(qiáng)度的下降,且雨衰減隨著頻率和降雨率的增大迅速增大,與穿過雨區(qū)的路徑長度成正比[3-4].另一方面,降雨會使天線反射面、天線罩、喇叭蓋等部位變濕,甚至形成積水或水膜,產(chǎn)生額外的衰減,即濕天線衰減.濕天線衰減與傳播路徑無關(guān),與天線構(gòu)造和仰角有關(guān),與頻率和降雨率成正比[5].5G系統(tǒng)將大量部署毫米波短距離無線電鏈路(路徑長度小于1 km),在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時,需要同時考慮傳播路徑上的雨衰減和濕天線引起的衰減.

自20世紀(jì)40年代開始,開展了大量的雨衰減試驗和理論研究工作.測試數(shù)據(jù)形成了ITU-R地面視距鏈路雨衰減實驗數(shù)據(jù)庫[6].確定了雨衰減與降雨率之間的指數(shù)關(guān)系[7-8],形成了雨衰減率的理論計算方法[9].在進(jìn)行地面視距鏈路雨衰減建模時,研究了降雨的空間分布特征,引入降雨率調(diào)整因子或路徑調(diào)整因子來修正降雨的水平不均勻性,建立了一系列地面視距鏈路雨衰減預(yù)測模型[10-13],但對于毫米波短距離情形下的雨衰減特性缺乏專門研究.隨著毫米波無線通信系統(tǒng)的發(fā)展,甚小口徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)系統(tǒng)得到了大量應(yīng)用,由于VSAT系統(tǒng)的低余量特點,濕天線衰減的影響得到了關(guān)注和研究[14],開展了濕天線衰減的試驗測試和分析[15-20],試驗測試頻段主要集中在38 GHz以下的毫米波低端.研究揭示了濕天線衰減符合如下特征:1)在降雨過程中,濕天線衰減存在一個最大值;2)濕天線衰減在降雨開始后呈指數(shù)增加至最大值;3)濕天線衰減的最大值與頻率正相關(guān).但受限于測試數(shù)據(jù),尚未形成一個毫米波段通用的濕天線衰減模型.

本文分析了地面視距鏈路雨衰減預(yù)測模型調(diào)整因子在短距離時大于1的不合理現(xiàn)象,通過比較ITU-R地面視距鏈路短距離雨衰減試驗數(shù)據(jù)和雨衰減理論計算結(jié)果,揭示了濕天線衰減是造成這一現(xiàn)象的原因.結(jié)合濕天線衰減特性和雨衰減與降雨率的指數(shù)關(guān)系,建立了一種新的濕天線衰減統(tǒng)計模型,分頻段對模型參數(shù)進(jìn)行了擬合,擬合的曲線結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合得較好.同時提出考慮濕天線衰減的雨衰減建模方法,可解決現(xiàn)有雨衰減預(yù)測模型在短距離時的不適用性問題.研究結(jié)果可為5G毫米波短距離鏈路系統(tǒng)的設(shè)計提供支撐.

1 雨衰減預(yù)測模型調(diào)整因子分析

地面視距鏈路雨衰減預(yù)測模型的基本輸入?yún)?shù)主要包括頻率、站點降雨率和路徑長度,降雨沿傳播路徑的不均勻性則通過調(diào)整因子來修正.比較具有代表性的分別是采用路徑調(diào)整因子的ITU-R P.530-16模型[13]和文獻(xiàn)[11]建立的采用降雨率調(diào)整因子的預(yù)測模型(以下稱中國模型).如前所述,雨衰減率的計算采用ITU-R P.838方法:

(1)

式中:Rp為p%時間概率的降雨率, mm/h;k和α為與頻率和極化相關(guān)的參數(shù).ITU-R P.530-16模型首先預(yù)測0.01%時間概率的雨衰減,其他時間概率的雨衰減則通過轉(zhuǎn)換公式獲得,0.01%時間概率雨衰減A0.01的計算公式如下:

A0.01=γR0.01dr.

(2)

式中:d為路徑長度, km;γR0.01為0.01%時間概率降雨率R0.01(mm/h)對應(yīng)的雨衰減率(dB/km),由公式(1)計算得出;r即為路徑調(diào)整因子:

(3)

中國模型是全概率的雨衰減預(yù)測模型,p%時間概率的雨衰減Ap的計算公式如下:

A(p)=k·[r(p)·R(p)]α·d.

(4)

式中:r(p)為降雨率調(diào)整因子,計算公式如下:

(5)

在1 km以內(nèi)的短距離時,圖1給出了ITU-R P.530-16模型和中國模型的調(diào)整因子隨鏈路長度的變化情況.從圖中可以看出,ITU-R P.530-16模型和中國模型的調(diào)整因子在短距離時都大于1,且隨著距離變短持續(xù)變大,雖然ITU-R P.530-16模型在調(diào)整因子超過2.5時進(jìn)行了限制,但并沒有理論依據(jù).這顯然與降雨在短距離時趨于均勻的物理基礎(chǔ)不符,會出現(xiàn)頻率、降雨率等參數(shù)相同時,鏈路越短預(yù)測的雨衰減反而越大的情況,無法應(yīng)用于短距離鏈路情況下的系統(tǒng)設(shè)計.

圖1 雨衰減預(yù)測模型調(diào)整因子隨距離變化曲線

2 數(shù)據(jù)分析與濕天線衰減模型

ITU-R SG3數(shù)據(jù)庫共搜集了89組地面視距鏈路雨衰減和降雨率測試數(shù)據(jù)[6],同時提供了用于雨衰減建模和測試的數(shù)據(jù)篩選規(guī)則[21].其中,篩選后有效的短距離鏈路測試數(shù)據(jù)共有8組,全部由英國提供,路徑長度皆為0.5 km,詳細(xì)信息如表1所示.圖2給出了上述8組試驗數(shù)據(jù)得到的鏈路雨衰減統(tǒng)計分布結(jié)果,數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)8對應(yīng)表1中編號1～8.

表1 ITU-R SG3地面視距短距離鏈路雨衰減測試數(shù)據(jù)

圖2 ITU-R數(shù)據(jù)庫短距離鏈路雨衰減統(tǒng)計分布

研究認(rèn)為,實測路徑雨衰減由鏈路真實雨衰減和濕天線衰減兩部分構(gòu)成.令實測路徑雨衰減為Am,鏈路雨衰減的真實值為Ar,濕天線衰減為Aa,則存在如下關(guān)系:

Am=Ar+Aa.

(6)

表1中路徑長度僅有0.5 km,可以認(rèn)為降雨為均勻分布,Ar可由公式(1)理論計算得到的雨衰減率與路徑長度相乘得到,即Ar=0.5γR.圖3給出了上述8條鏈路雨衰減的理論計算結(jié)果.同樣,圖中數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)8對應(yīng)表1中編號1～8.顯然,短路徑時,雨衰減的實測結(jié)果遠(yuǎn)大于理論計算結(jié)果.文獻(xiàn)[19]利用實測雨滴譜進(jìn)行了雨衰減的理論計算,并與38 GHz鏈路雨衰減的測量結(jié)果進(jìn)行了對比,同樣得到了雨衰減測量值大于理論計算值的結(jié)論.這也正是導(dǎo)致建立ITU-R P. 530-16模型和中國模型等雨衰減預(yù)測模型在短距離時調(diào)整因子大于1的原因.

圖3 ITU-R數(shù)據(jù)庫短距離鏈路雨衰減理論計算結(jié)果

為便于比較,圖4分別給出了四個頻點測試鏈路的雨衰減理論值和濕天線衰減的分布情況,其中,57和97 GHz分別以鏈路3和鏈路7為代表.可見,在37 GHz時,濕天線衰減與雨衰減相當(dāng),隨著頻率增加,57 、97 和137 GHz濕天線衰減甚至超過了鏈路雨衰減.可見,濕天線衰減在毫米波短距離鏈路系統(tǒng)設(shè)計中不容忽視.

(a) 37 GHz

(b) 57 GHz

(c) 97 GHz

(d) 137 GHz圖4 濕天線衰減與雨衰減理論值比較

研究認(rèn)為,濕天線衰減與路徑雨衰減之間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系如下[17,19]:

Aa=C1(1-exp(-C2Ar)).

(7)

式中,C1和C2可由試驗確定.C1代表濕天線衰減的最大值.文獻(xiàn)[15]在地面視距鏈路測試得到的23、26、38 GHz的濕天線衰減最大值分別為5、7、8 dB.文獻(xiàn)[17]在衛(wèi)星星地鏈路測試得到的20和27 GHz濕天線衰減最大值分別為6、8 dB.

公式(7)建立的是濕天線衰減與雨衰減的關(guān)系模型,由于路徑雨衰減往往不容易獲取,不便于實際應(yīng)用.路徑距離較短時,雨衰減可由下式計算:

Ar=kRαd.

(8)

于是,建立濕天線衰減與降雨率之間的關(guān)系模型如下:

Aa=C1(1-exp(-C2RC3)).

(9)

利用表1中數(shù)據(jù),對公式(9)系數(shù)C1、C2和C3進(jìn)行擬合,得到的分頻率擬合結(jié)果如下:

f=37 GHz:C1=7.2,C2=0.044,C3=0.82;

f=57 GHz:C1=10.5,C2=0.045,C3=0.97;

f=97 GHz:C1=11.4,C2=0.104,C3=0.73;

f=137 GHz:C1=12.4,C2=0.12,C3=0.22.

從擬合的參數(shù)看,濕天線衰減最大值在分頻率分別為37、57、97、137 GHz時分別為7.2 、10.5 、11.4 、12.4 dB.在37 GHz時與文獻(xiàn)[15]的測試結(jié)果一致.分頻率的擬合曲線如圖5所示.從圖中可以看出:擬合曲線與濕天線衰減的測試數(shù)據(jù)吻合得較好;在57 和97 GHz時,由于分別存在三組測試數(shù)據(jù),造成測試數(shù)據(jù)點相對離散.通過上述分析,證明建立的濕天線衰減模型是合理的.

(a) 37 GHz

(b) 57 GHz

(c) 97 GHz

(d) 137 GHz圖5 濕天線衰減分頻率擬合曲線

鑒于濕天線衰減是造成雨衰減預(yù)測模型調(diào)整因子在短距離時大于1并造成預(yù)測結(jié)果不合理性的原因,提出如公式(6)所示的考慮濕天線衰減的雨衰減建模方法,可以保證模型調(diào)整因子在短距離時趨于1,能夠滿足雨衰減建模物理基礎(chǔ)和毫米波短距離鏈路系統(tǒng)的應(yīng)用需求.

3 結(jié) 論

本文針對5G毫米波短距離鏈路,分析了地面視距鏈路雨衰減預(yù)測模型在短距離時調(diào)整因子大于1和預(yù)測結(jié)果隨路徑變短而增大的不合理現(xiàn)象,揭示了濕天線衰減是造成這一現(xiàn)象的原因.指出濕天線衰減是影響5G毫米波短距離鏈路的重要因素,建立了濕天線衰減與降雨率的關(guān)系模型,提出了一種考慮濕天線衰減的雨衰減建模思路.研究結(jié)果可為5G毫米波短距離鏈路系統(tǒng)設(shè)計提供支撐,也可為發(fā)展新的適用于短距離鏈路的地面視距鏈路雨衰減預(yù)測模型提供依據(jù).

濕天線衰減的試驗測試開展得還較少,濕天線衰減的物理機(jī)理和模型還有待進(jìn)一步研究和驗證.為滿足5G系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用需求,應(yīng)加快開展針對5G頻段和場景的相關(guān)傳播測試和研究工作.

[1] ITU-R [IMT.VISION]: Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond”, Document 5D/TEMP/625-E[R]. Geneva: ITU, 2015.

[2] 朱穎, 許穎, 方箭. 基于WRC-19 1.13新議題的5G高頻段研究概況及展望[J]. 電信網(wǎng)技術(shù), 2016(3): 5-10.

ZHU Y, XU Y, FANG J. Outlines and prospect on 5G high frequency band study based on the new agenda item 1.13 for WRC-19[J]. Telecommunications network technology, 2016(3): 5-10.(in Chinese)

[3] OGUCHI T. Attenuation of electromagnetic wave due to rain with distorted raindrops[J]. Journal of radio research laboratory, 1960, 7(33): 467-485.

[4] FEDI F. Attenuation due to rain on terrestrial path[J]. Alta frequenza, 1979, 66(4): 167-184.

[5] RUDGE A W, MILNE K, OLVER A D, et al. The handbook of antenna design[M]. Peter Peregrinus, 1983: 538-541.

[6] ITU-R database on terrestrial light-of-sight links[DB/OL]. [2017-09-19].http://saruman.estec.esa.nl/dbsg3/categories.jsp?category=rainAttenuationStat.

[7] OGUCHI T. Eletromagnetic wave propagation and scattering in rain and other hydrometerors[J]. Proceedings of IEEE, 1983, 71(9): 1029-1078.

[8] OLSEN R L, ROGERS D V, HODGE D B. The aRb relation in calculation of rain attenuation[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 1978, 26(2): 318-329.

[9] ITU-R. ITU-R P.838-3 recommendation: specific attenuation model for rain for use in prediction methods[R]. Geneva: ITU, 2005.

[10] 趙振維, 盧昌勝, 林樂科. 基于雨胞分布的視距鏈路雨衰減預(yù)報模型[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2009, 24(4): 627-631.

ZHAO Z W, LU C S, LIN L K. Prediction model of rain attenuation based on the EXCELL rain cell model for the terrestrial line-of-sight systems[J]. Chinese journal of radio science, 2009, 24(4): 627-631. (in Chinese)

[11] 盧昌勝, 趙振維, 林樂科, 等. 一種地面視距鏈路雨衰減預(yù)測模式[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2013, 28(2): 272-277.

LU C S, ZHAO Z W, LIN L K, et al. A prediction model of rain attenuation for the terrestrial line-of-sight links[J]. Chinese journal of radio science, 2013, 28(2): 272-277. (in Chinese)

[12] MELLO, SILVAPONTES L D, MARLENE S. Unified method for the prediction of rain attenuation in satellite and terrestrial links[J]. Journal of microwaves, optoelectronics and electromagnetic applications, 2012, 11(1): 1-14.

[13] ITU-R. ITU-R P.530-16 Recommendation: propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems[R]. Geneva: ITU, 2015.

[14] CHEAH J Y C. Wet antenna effect on VSAT rain margin[J]. IEEE transactions on communications, 1993, 41(8): 1238-1244.

[15] ISLAM M R, THAREK A R. Measurement of wet antenna effect on microwave propagation at 23, 26 and 38 GHz[C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Salt Lake City, July 16-21, 2000, 4: 2094-2098.

[16] DAVID N, HAREL O, ALPERT P, et al. Study of attenuation due to wet antenna in microwave radio communication[C]//IEEE International Conference on Acoustics, 2016: 4418-4422.

[17] KHARADLY M M Z, ROSS R. Effect of wet antenna attenuation on propagation data statistics[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2002, 49(8): 1183-1191.

[18] MANDEEP J S. Analysis effect of water on a ka-band antenna[J]. Progress in electromagnetics research letters, 2009, 9: 49-57.

[19] GARCIA-RUBIA J M, RIERA J M, BENARROCH A, et al. Estimation of rain attenuation from experimental drop size distributions[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2011, 10: 839-842.

[20] SCHLEISS M, RIECKERMANN J, BERNE A. Quantification and modeling of wet-antenna attenuation for commercial microwave links[J]. IEEE geoscience and remote sensing letters, 2013, 10(5): 1195-1199.

[21]ITU-R. ITU-R Document 3M/FAS/2-E,Fascicle: Guidelines for testing terrestrial prediction methods[R]. Geneva: ITU, 2009.