5G毫米波短距離鏈路雨衰減特性分析

張鑫 趙振維 林樂科 盧昌勝 侯春枝 呂兆峰 吳振森

(1. 西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071;2. 中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

引 言

2015年,國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)確定了第5代移動通信(the 5th Generation,5G),即IMT-2012的發展框架和總體目標,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)負責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,信號經過雨滴時會產生嚴重的吸收和散射,造成信號強度的下降,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,產生額外的衰減,即濕天線衰減.濕天線衰減與傳播路徑無關,與天線構造和仰角有關,與頻率和降雨率成正比[5].5G系統將大量部署毫米波短距離無線電鏈路(路徑長度小于1 km),在進行系統設計時,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.測試數據形成了ITU-R地面視距鏈路雨衰減實驗數據庫[6].確定了雨衰減與降雨率之間的指數關系[7-8],形成了雨衰減率的理論計算方法[9].在進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,引入降雨率調整因子或路徑調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的發展,甚小口徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)系統得到了大量應用,由于VSAT系統的低余量特點,濕天線衰減的影響得到了關注和研究[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增加至最大值;3)濕天線衰減的最大值與頻率正相關.但受限于測試數據,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測模型調整因子在短距離時大于1的不合理現象,通過比較ITU-R地面視距鏈路短距離雨衰減試驗數據和雨衰減理論計算結果,揭示了濕天線衰減是造成這一現象的原因.結合濕天線衰減特性和雨衰減與降雨率的指數關系,建立了一種新的濕天線衰減統計模型,分頻段對模型參數進行了擬合,擬合的曲線結果與試驗數據吻合得較好.同時提出考慮濕天線衰減的雨衰減建模方法,可解決現有雨衰減預測模型在短距離時的不適用性問題.研究結果可為5G毫米波短距離鏈路系統的設計提供支撐.

1 雨衰減預測模型調整因子分析

地面視距鏈路雨衰減預測模型的基本輸入參數主要包括頻率、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整因子來修正.比較具有代表性的分別是采用路徑調整因子的ITU-R P.530-16模型[13]和文獻[11]建立的采用降雨率調整因子的預測模型(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的參數.ITU-R P.530-16模型首先預測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)對應的雨衰減率(dB/km),由公式(1)計算得出;r即為路徑調整因子:

(3)

中國模型是全概率的雨衰減預測模型,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)為降雨率調整因子,計算公式如下:

(5)

在1 km以內的短距離時,圖1給出了ITU-R P.530-16模型和中國模型的調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整因子在短距離時都大于1,且隨著距離變短持續變大,雖然ITU-R P.530-16模型在調整因子超過2.5時進行了限制,但并沒有理論依據.這顯然與降雨在短距離時趨于均勻的物理基礎不符,會出現頻率、降雨率等參數相同時,鏈路越短預測的雨衰減反而越大的情況,無法應用于短距離鏈路情況下的系統設計.

圖1 雨衰減預測模型調整因子隨距離變化曲線

2 數據分析與濕天線衰減模型

ITU-R SG3數據庫共搜集了89組地面視距鏈路雨衰減和降雨率測試數據[6],同時提供了用于雨衰減建模和測試的數據篩選規則[21].其中,篩選后有效的短距離鏈路測試數據共有8組,全部由英國提供,路徑長度皆為0.5 km,詳細信息如表1所示.圖2給出了上述8組試驗數據得到的鏈路雨衰減統計分布結果,數據1～數據8對應表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據

圖2 ITU-R數據庫短距離鏈路雨衰減統計分布

研究認為,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,則存在如下關系:

Am=Ar+Aa.

(6)

表1中路徑長度僅有0.5 km,可以認為降雨為均勻分布,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果.同樣,圖中數據1～數據8對應表1中編號1～8.顯然,短路徑時,雨衰減的實測結果遠大于理論計算結果.文獻[19]利用實測雨滴譜進行了雨衰減的理論計算,并與38 GHz鏈路雨衰減的測量結果進行了對比,同樣得到了雨衰減測量值大于理論計算值的結論.這也正是導致建立ITU-R P. 530-16模型和中國模型等雨衰減預測模型在短距離時調整因子大于1的原因.

圖3 ITU-R數據庫短距離鏈路雨衰減理論計算結果

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,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設計中不容忽視.

(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

研究認為,濕天線衰減與路徑雨衰減之間存在負指數關系如下[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[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[17]在衛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系模型,由于路徑雨衰減往往不容易獲取,不便于實際應用.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系模型如下:

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

(9)

利用表1中數據,對公式(9)系數C1、C2和C3進行擬合,得到的分頻率擬合結果如下:

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[15]的測試結果一致.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據吻合得較好;在57 和97 GHz時,由于分別存在三組測試數據,造成測試數據點相對離散.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測模型調整因子在短距離時大于1并造成預測結果不合理性的原因,提出如公式(6)所示的考慮濕天線衰減的雨衰減建模方法,可以保證模型調整因子在短距離時趨于1,能夠滿足雨衰減建模物理基礎和毫米波短距離鏈路系統的應用需求.

3 結 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測模型在短距離時調整因子大于1和預測結果隨路徑變短而增大的不合理現象,揭示了濕天線衰減是造成這一現象的原因.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.研究結果可為5G毫米波短距離鏈路系統設計提供支撐,也可為發展新的適用于短距離鏈路的地面視距鏈路雨衰減預測模型提供依據.

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理和模型還有待進一步研究和驗證.為滿足5G系統發展和應用需求,應加快開展針對5G頻段和場景的相關傳播測試和研究工作.

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