5G毫米波短距離鏈路雨衰減特性分析

張?chǎng)?趙振維 林樂(lè)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(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)

引 言

2015年,國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)確定了第5代移動(dòng)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(kāi)展5G頻譜需求和頻段劃分研究[2],其中ITU無(wú)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(hào)的重要因素.一方面,在傳播路徑上,信號(hào)經(jīng)過(guò)雨滴時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的吸收和散射,造成信號(hào)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(guò)雨區(qū)的路徑長(zhǎng)度成正比[3-4].另一方面,降雨會(huì)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(wú)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(wú)線電鏈路(路徑長(zhǎng)度小于1 km),在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要同時(shí)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(kāi)始,開(kāi)展了大量的雨衰減試驗(yàn)和理論研究工作.測(cè)試數(shù)據(jù)形成了ITU-R地面視距鏈路雨衰減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)[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(jì)算方法[9].在進(jìn)行地面視距鏈路雨衰減建模時(shí),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(lái)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(cè)模型[10-13],但對(duì)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(wú)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(diǎn),濕天線衰減的影響得到了關(guān)注和研究[14],開(kāi)展了濕天線衰減的試驗(yàn)測(cè)試和分析[15-20],試驗(yàn)測(cè)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(guò)程中,濕天線衰減存在一個(gè)最大值;2)濕天線衰減在降雨開(kāi)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(cè)試數(shù)據(jù),尚未形成一個(gè)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(cè)模型調(diào)整因子在短距離時(shí)大于1的不合理現(xiàn)象,通過(guò)比較ITU-R地面視距鏈路短距離雨衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)和雨衰減理論計(jì)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(jì)模型,分頻段對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了擬合,擬合的曲線結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好.同時(shí)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(cè)模型在短距離時(shí)的不適用性問(wèn)題.研究結(jié)果可為5G毫米波短距離鏈路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供支撐.

1 雨衰減預(yù)測(cè)模型調(diào)整因子分析

地面視距鏈路雨衰減預(yù)測(cè)模型的基本輸入?yún)?shù)主要包括頻率、站點(diǎn)降雨率和路徑長(zhǎng)度,降雨沿傳播路徑的不均勻性則通過(guò)調(diào)整因子來(lái)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(cè)模型(以下稱中國(guó)模型).如前所述,雨衰減率的計(jì)算采用ITU-R P.838方法:

(1)

式中:Rp為p%時(shí)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(cè)0.01%時(shí)間概率的雨衰減,其他時(shí)間概率的雨衰減則通過(guò)轉(zhuǎn)換公式獲得,0.01%時(shí)間概率雨衰減A0.01的計(jì)算公式如下:

A0.01=γR0.01dr.

(2)

式中:d為路徑長(zhǎng)度, km;γR0.01為0.01%時(shí)間概率降雨率R0.01(mm/h)對(duì)應(yīng)的雨衰減率(dB/km),由公式(1)計(jì)算得出;r即為路徑調(diào)整因子:

(3)

中國(guó)模型是全概率的雨衰減預(yù)測(cè)模型,p%時(shí)間概率的雨衰減Ap的計(jì)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(jì)算公式如下:

(5)

在1 km以內(nèi)的短距離時(shí),圖1給出了ITU-R P.530-16模型和中國(guó)模型的調(diào)整因子隨鏈路長(zhǎng)度的變化情況.從圖中可以看出,ITU-R P.530-16模型和中國(guó)模型的調(diào)整因子在短距離時(shí)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(guò)2.5時(shí)進(jìn)行了限制,但并沒(méi)有理論依據(jù).這顯然與降雨在短距離時(shí)趨于均勻的物理基礎(chǔ)不符,會(huì)出現(xiàn)頻率、降雨率等參數(shù)相同時(shí),鏈路越短預(yù)測(cè)的雨衰減反而越大的情況,無(wú)法應(yīng)用于短距離鏈路情況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì).

圖1 雨衰減預(yù)測(cè)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(kù)共搜集了89組地面視距鏈路雨衰減和降雨率測(cè)試數(shù)據(jù)[6],同時(shí)提供了用于雨衰減建模和測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)共有8組,全部由英國(guó)提供,路徑長(zhǎng)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(yàn)數(shù)據(jù)得到的鏈路雨衰減統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果,數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)8對(duì)應(yīng)表1中編號(hào)1～8.

表1 ITU-R SG3地面視距短距離鏈路雨衰減測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 ITU-R數(shù)據(jù)庫(kù)短距離鏈路雨衰減統(tǒng)計(jì)分布

研究認(rèn)為,實(shí)測(cè)路徑雨衰減由鏈路真實(shí)雨衰減和濕天線衰減兩部分構(gòu)成.令實(shí)測(cè)路徑雨衰減為Am,鏈路雨衰減的真實(shí)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(zhǎng)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(jì)算得到的雨衰減率與路徑長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果.同樣,圖中數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)8對(duì)應(yīng)表1中編號(hào)1～8.顯然,短路徑時(shí),雨衰減的實(shí)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于理論計(jì)算結(jié)果.文獻(xiàn)[19]利用實(shí)測(cè)雨滴譜進(jìn)行了雨衰減的理論計(jì)算,并與38 GHz鏈路雨衰減的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,同樣得到了雨衰減測(cè)量值大于理論計(jì)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(guó)模型等雨衰減預(yù)測(cè)模型在短距離時(shí)調(diào)整因子大于1的原因.

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

為便于比較,圖4分別給出了四個(gè)頻點(diǎn)測(cè)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(jiàn),在37 GHz時(shí),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(guò)了鏈路雨衰減.可見(jiàn),濕天線衰減在毫米波短距離鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)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(cè)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(cè)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(shí)際應(yīng)用.路徑距離較短時(shí),雨衰減可由下式計(jì)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(duì)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(shí)分別為7.2 、10.5 、11.4 、12.4 dB.在37 GHz時(shí)與文獻(xiàn)[15]的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)吻合得較好;在57 和97 GHz時(shí),由于分別存在三組測(cè)試數(shù)據(jù),造成測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)離散.通過(guò)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(cè)模型調(diào)整因子在短距離時(shí)大于1并造成預(yù)測(cè)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(shí)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(duì)5G毫米波短距離鏈路,分析了地面視距鏈路雨衰減預(yù)測(cè)模型在短距離時(shí)調(diào)整因子大于1和預(yù)測(cè)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(jì)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(cè)模型提供依據(jù).

濕天線衰減的試驗(yàn)測(cè)試開(kāi)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(yàn)證.為滿足5G系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用需求,應(yīng)加快開(kāi)展針對(duì)5G頻段和場(chǎng)景的相關(guān)傳播測(cè)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(lè)科. 基于雨胞分布的視距鏈路雨衰減預(yù)報(bào)模型[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 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(lè)科, 等. 一種地面視距鏈路雨衰減預(yù)測(cè)模式[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 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.