（通信与信息系统专业论文）微波信道的研究与仿真(1).pdf

哈尔演t 业大学工学硕卜学位论文 摘要 数字微波通信系统中，影响通信质量大体上分为两个方面，首先是数字 微波收发系统本身的物理参数，另一个就是无线传输部分，它在空中传输首 先主要受对流层中的气象情况决定，如雨、云雾、大气吸收等等。同时电波 在空中传输还受地面和地形的影响，其中地面反射也是造成多径的主要因素 之。 无线电波传播特性对信道的影响主要是在两个方面一个是接收电平的下 降，它表现在信道传输损耗上，另一个方面是由于信道的频率选择性而导致 的接收波形的失真。这些就是本文进行信道仿真的出发点，先建立信道传输 损耗模型，得到信道的传输信噪比，然后再对频率选择性衰落对系统造成的 影响进行仿真。 本文首先研究造成这些衰减损耗的物理成因和理论，介绍对流层中的散 射体以及它们对电波传输的作用。然后着重对各种衰减形式的经验公式进行 仿真计算以显示各种不同气象环境对电波传输的影响，同时为后面仿真计算 微波链路做准备。主要涉及的方面包括雨衰，云雾衰减，大气吸收损耗等三 个方面。都采用在一般情况下计算和仿真衰减率，然后在视距信道通信时具 体计算衰减。 另外，本文还包含对微波视距信道的多径模型进行介绍和仿真，主要有 二径传输模型和简化三径模型。同时，为了计算链路需要，具体仿真了在二 径传输信道模型下，多径衰落对q p s k 调制解调数字微波系统误码率性能的 影响。最后分别计算在有多径衰落和无多径衰落情况下，数字微波信道的误 码率情况，得出了在有多径衰落影响时，信噪比不能决定性的唯一确定链路 的传输性能。所以在进行微波系统设计时，要多考虑使用抗多径的技术，如 分集等等。 关键词电波传播；视距信道；多径衰落；微波链路计算 堕垒堡三些奎兰：；兰丝! ：耋竺尘冬 a b s t r a c t i nt h ed i g i t a lm i c r o w a v es y s t e m s ，t h e r ea r em a i n l yt w of a c t o r st h a ta f f e c tt h e q u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n o n ei s t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f d i g i t a lm i c r o w a v e s y s t e m s s u c ha sa n t e n n a g a i n s a n df e e d b a c kl o s se t c t h eo t h e ro n ei st h e c h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h ep r o p a g a t i o ni ns p a c ei sf i r s t l yd e c i d e d b y t h ew e a t h e rc o n d i t i o n so ft h et r o p o s p h e r es u c ha sr a i n ，c l o u d ，f o g ，o x y g e na n d w a t e rv a p o u re t c m e a n w h i l et h ep r o p a g a t i o ni sa l s oi n f l u e n c e db yt h ee a r t h s u r f a c ea n dt h et e r r a i n t h er e f l e c t i o nc a u s e d b yt h e s u r f a c ei so n eo ft h e s i g n i f i c a n tf a c t o r s t h ew i r e l e s sp r o p a g a t i o ne f f e c t so nt h em i c r o w a v ec h a n n e l sm a i n l yr e s u l ti n t w op h e n o m e n o n s f i r s t l y , t h er e c e i v i n gv o l t a g ei sr e d u c e da n di ti sr e p r e s e n t e d b yt h ec h a n n e lt r a n s m i s s i o nl o s s s e c o n d l yt h er e c e i v i n gw a v e f o r mi s d i s t o r t e d d u et ot h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g i ti st h eb a s i so ft h ec h a n n e ls i m u l a t i o ni n t h i st h e s i s a tf i r s t w ee s t a b l i s ht h ec h a n n e lt r a n s m i s s i o n1 0 s s m o d e la n d c a l c u l a t et h em i c r o w a v ec h a n n e ll i n ka n dt h e ng e tt h es n rb e y o n dm u l t i p a t h f a d i n g t h e nw es i m u l a t et h ee f f e c t sc a u s e db yt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gt o t h es y s t e m s w ef i r s ts t u d yt h ep h y s i c a lc a u s ea n dt h e o r yo ft h el o s s e ss u c ha sr a i ne t ci n t h i st h e s i s a l s ot h es c a t t e r i n gs o l i d si nt r o p o s p h e r el a y e ra n dt h e i ra f f e c t so n p r o p a g a t i o na r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , w ee m p h a s i z e do nt h es i m u l a t i o no f t h e e x p e r i e n c ef o r m u l a so ft h e s ea t t e n u a t i o n si n o r d e rt o d i s p l a yd i f f e r e n tw e a t h e r e n v i r o n m e n t sa f f e c t i o no np r o p a g a t i o n a tt h es a l t l et i m e ，w ea r ep r e p a r e df o rt h e f o l l o w i n gc a l c u l a t i o no fm i c r o w a v el i n k s w em a i n l yf o c u s e do nt h r e e f a c t o r s i n c l u d i n gr a i n ，f o ga n dc l o u da n do x y g e na n dw a t e rv a p o u r w es i m u l a t e t h e s p e c i f i ca t t e n u a t i o na n d t h e nm a k et h ec a l c u l a t i o no fa t t e n u a t i o nf o rl i n e - o f - s i g h t c h a n n e l b e s i d e st h o s e w ea l s oi n t r o d u c ea n ds i m u l a t e t h em i c r o w a v ec h a n n e l m o d e l si n c l u d i n gt w o - r a ym o d e la n ds i m p l i f i e dt h r e e r a ym o d e l f o rt h ep u r p o s e o fc a l c u l a t i n gt h ec h a n n e ll i n k ，w e i nd e t a i ls i m u l a t et h ei n f l u e n c eo ft h e f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n go nt h eq p s k m o d u l a t i o nd e m o d u l a t i o ns y s t e m s a t i i 窒尘鋈三些奎兰三兰竺! ；兰堡丝兰 l a s tw ec a l c u l a t et h eb i tr a t e so fm i c r o w a v ec h a n n e lw i t hm u l t i p a t h f a d i n g o r w i t h o u t w ec o n c l u d et h a ti nt h ec o n d i t i o no f m u l t i p a t hf a d i n g ，e v e ns n r c a r t t d e c i d et h ec h a n n e lt r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e s ow h e nw ea r ed e s i g n i n g t h e m i c r o w a v e s y s t e m s ，w en e e de n d u r e t o e m p l o yt e c h n i q u e s t o a n t i m u l t i p a t h f a d i n g k e y w o r d sm u l t i p a t hf a d i n g ，p r o p a g a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no fm i c r o w a v el i n k l i n e o f - s i g h tc h a n n e l i i i 哈尔滨工业人学t 学领十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景来源及意义 微波通信相对卫星通信而言，主要是指地面微波通信，工作在 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 频段，是利用分米波、厘米波和毫米波的无线电波作为“载 波”传送信号的通信方式。微波通信按其传送信号可分为模拟微波通信和数 字微波通信。由于数字微波通信有诸多优点，近年来得到了快速发展，大容 量p d h 数字微波传输系统和具有全球统一标注接口的s d h 微波通信系统相 继出现。s d h 技术的应用，使微波通信步入一个新的里程碑，翻开了微波通 信新的一页。 微波通信主要有以下几个特点： 首先，微波是以“直接波”的方式在大气中以视线距离传播，其传输特 性受地形、地貌和大气层影响。在大气层中，微波通信视距的一般传输距离 大约5 0 k m ，决定了微波通信必须采用中继接力方式传输。 其次，微波通信容量大，可传送综合业务信息。根据原c c i t t 建议， 1 - 4 0 g h z 的频段用作微波通信的频段，它占有3 9 g h z 的频宽，具有较大的 通信容量，可以传送综合业务。现在我国主要使用微波通信的频段为2 、4 、 6 、7 、8 、1 l g h z ，其中2 、4 、6 g h z 用作国家一级干线，7 、8 、1 l g h z 作为 省内二级干线用。同时信号速率也较以前大幅度提高，现在商用s d t t 电路速 率可达6 2 0 m b i t s ，预计最高速率可达1 0 g h z s 。 第三，微波天线可获得高增益和强方向性。当微波天线的口径一定时， 波长越短，天线的增益越大。而微波通信的波长一般比较短，意味着微波 天线可以获得较高的增益。一般天线增益都在4 0 d b 以上。 最后，微波系统建设速度快、灵活性大、投资少。相对于传统的同轴电 缆通信和现代光纤通信而言，微波通信由于不需要铺设电缆和光缆，所以建 设速度快，灵活性大，对于，微波通信的灵活性更大。另外，雷电、宇宙辐 射、太阳黑子等干扰对微波系统没有影响。 所以数字微波通信系统具有频带宽、容量大、上下电路方便、传输质量 高、建站快、投资省等优点，是组织长途干线通信的重要手段之一。在7 0 竺堡堡三些奎兰三茎丝! ：兰堡芝主 年代和8 0 年代，第一代数字微波通信系统( 采用q p s k ，8 p s k 调制技术) 和第 二代数字微波通信系统( 采用1 6 q a m ，6 4 q a m 调制技术) 先后问世。9 0 年代， 美国、日本和西欧一些国家着手研制第三代数字微波通信系统。第三代产品 要求解决一系列技术难题，如开辟新的更高的波段( 2 0 3 0 g h z ) ，采用超多电 平调制技术f 1 0 2 4 q a m ) ，采用双极化频率再生技术和单频中继频率再用技术， 采用先进的自适应抗多径衰落技术，以及广泛使用其它最新电子技术。 鉴于微波占有这么多的优势以及数字微波技术的快速发展，数字微波系 统的应用也就极为广泛，在数字微波的设计过程中，微波信道的传播特性也 是设计研究的一个重要方面。在通信过程中，中断率是微波数字系统的一个 重要指标，它直接影响着通信质量的好坏。同时，编码方式，调制解调的选 择以及各种抗多径方式的选择也会有助于通信质量的提高。 所以对微波信道进行研究和仿真是很有意义的。在对微波技术进行改良 时，如更换调制方式将q a m 更改为q p s k 方式，不可能每次将构想硬件实 现，然后再论证是否符合要求。这时就可以采用信道模型，省时又经济。信 道仿真模型是作为对实际传播信道的近似，在需要利用信道特点进行调试和 试验而在实际建立信道又不太现实的状况下，这时使用信道模型就是很好的 选择。另外，在进行新的通信技术应用时，可以采用信道模型进行测试仿真。 总的概括来说，对微波视距信道模型的研究有助于预测信道多径衰落引 起的数字微波通信系统性能恶化而造成的通信中断。可以通过信道模型来研 究各种凋, n n 式、滤波器对通信系统性能的影响。另外就是通过信道模型来 寻求合适的均衡器或是其他的抗多径技术来校正信道的选择性衰落。 本课题主要来源于通信所与船舶系统工程部合作的项目，主要是建立微 波信道的信道仿真器，来配合其他设备的操作和运转。微波频段的广泛应用， 相应地导致了对微波信道的研究也是很必需的。对信道有很好的了解才能保 证微波通信系统达到相应的要求。 1 2 国内外研究现状及分析 无论国内外，微波频段的广泛应用引起同样的的微波信道研究高潮，由 于要建立信道模型，都需要推导出微波视距介质信道的统计模型。推导信道 统计模型基本方法是提出一个信道传输函数4 , ( 研，然后将i 皿( 脚) 1 2 与实测 篁兰堡三些奎耋三兰些占主竺鎏兰 的功率函数数据在最小均方误差准则下进行拟合，以确定够沏) 表示式中的 各个参数和它们的统计特性。由于推导出统计模型的要求不同，实测数据时 的实验方法也不同，因此有不同形式的统计模型。归结起来，可以分为二类， 即多径模型和多项式模型。 多径模型也主要包含的是后面论文中所介绍的二径模型和简化三径模 型。它先考虑用n 条路径来表示信道的传播特性，因为大延时差路径信号的 幅度比较小，r u m m i e r 发现，将n 3 的路径省略，简化成三径时幅频特性所 造成的误差比较小，群时延误差在1 0 之内。多项式模型是由g r e e n s t e i n 等 提出来的，他们建议用复多项式来模拟多径衰落响应，模型的表示式为 致( 国) = a + 艺+ 蛾) u c o ) ” ( 1 1 ) 对这种模型，只要选择足够大，该式就能以任意高的精度适用于任何 形状的多径衰落响应。应用均方误差最小准则拟合模型的过程中发现，在给 定噪声统计特性和测量带宽的情况下，最适合的多项式阶数是m = 2 。当系统 带宽和多径时延差f 的乘积w r o ，当微波射束中心现在障碍物顶点之上。为h 。f o = 0 时，不 同“值对应的绕射损耗。并且 ：丽i d , d 2 ( d 1 ) 2 舛砑而面丽( 2 _ 1 5 ) 其中与v o 的关系由拟合公式( 2 - 1 6 ) 确定 v o = 8 7 8 5 p 1 3 4 9 + 6 f 2 1 6 ) 式中a = a y l f o ，= r d ，r 表示地球面在传播方向的宽度，它是比地形 最高点低a y ( - - , 般取最) ，且平行于微波射束的只限于地球相交的两点间的距 离。 在微波传播中，绕射损耗主要考虑的是余隙珥 0 的情况，这样只是在 菲涅尔区内有些遮挡所造成的绕射损耗。 2 2 对流层传输媒质的影响 2 2 1 大气层的气体吸收 组成大气的气体通常分成两类：永久性气体和可变性气体。永久性气体 是指天气测量问世以来直至目前为止的时间内没有出现明显变化的气体。主 要成分是氮和氧。大气的不停运动使得很高高度的大气成分的混合比例都保 坠丝鎏三些当主三耋竺：兰竺丝兰 持致。可变性气体的含量较少，主要成份是臭氧、二氧化碳和水汽。但其 产生的吸收和辐射却超过永久性气体，水汽就是一例。它们的含量变化很大， 随季、闩、地理位置和离：f = 业区的远近而变化。由于它们不与其它大气很好 地混合，所以其比率随高度而变。这些变化很难知道。二氧化碳是唯一地被 认为在1 0 公早以下高度内混合均匀的可变性气体。 当无线电波的频率为数g h z 时，大气的气体并不会引起很大的衰减。这 并不意味着他们对折射指数的实部没有影响。在这个频率范围，由雨和雾引 起的衰减比大气吸收约大两个数量级。因此，对电磁波的实际应用而言，雨 衰减是主要的破坏性因素。对于1 0 g h z 以上的更高频率，由气体引起的吸收 不再可以忽视，同其它衰减因素比较，成了主要因素。在1 0 0 0 g h z 以上，由 于大气气体的吸收非常强烈，所以极大地限制了该频段的应用。 气体对电磁波的吸收和辐射起源于波的能量和气体分子内能之间的交 换。电磁波是由称为光子的基本粒子组成，由普朗克定律，光子的能量取决 于波的频率。当光子遇到原子或分子时，若被吸收，这就意味着光能转变成 了这些原子或分子的内能。首先考虑气体分子内能的不同形式，这些形式实 际上决定了可能发射发生的跃迁，因此也决定了发生波和物质相互作用的频 率范围。应该注意，光子具有完全确定的能量。因此，当波包通过介质被衰 减时，减少的不是光子的能量，而是光子的数目。现在着重讨论谱线的形状 和宽度。 谱线的形状依赖于三个因子：固有宽度、多普勒加宽和碰撞增宽。对于 氧气的谱线形状还必须考虑第四个因素，即塞曼增宽。从实用观点上说，一 条谱线是由频率五确定的，在该频率上吸收系数七( ，) 达到最大值，所以它被 称为f o 线。谱线宽度2 , f 等于曰和只两点间的频率间隔，在这两点上吸收系 数是最大值的一半。 众所周知，当脉冲持续时间减小时，脉冲的频谱将增宽，一个光子的辐 射持续一有限时间r ，这意味着辐射线在参考值工附近有v 的增宽，吸收 线也有同样的增宽。另外在事实上，吸收分子总是处于不停的热运动之中， 由统计物理知道，此时分子的速度从统计上服从麦克斯韦分布律，由于频移 是速度的线性函数，这就导致于有高斯轮廓的多普勒频移。但是多谱勒加宽 在微波频段内仍不是很重要。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 除了运动之外，分子同分子及分子同介质中另一些核素之间可能发生碰 撞，这些碰撞会扰乱甚至阻止从一种能级到另一种能级的跃迁过程。因此， 跃迁过程所持续的时间就会被缩短，从而使谱线增宽，形成碰撞增宽，道理 与固有宽度类似。 当一个原子或分子位于磁场中时，能级会被分裂，这种现象称为塞曼效 应。因此量子数j = k + s ( 轨道和自旋之和) 的总磁矩被分成2 ，十1 个次能级。 这样引起的能级之间的间隔是小的，然而，其总体效应可看作是一种谱线增 宽，称为塞曼增宽。 谱线强度是气体和吸收粒子状态变量的函数。当然，该强度与从- - “i i t ；级 跃迁到另一能级的跃迁几率有关。如果仅考虑一条谱线，实用价值极其有限， 一般在已知频率，来各个谱线的贡献应该叠加起来。美国空军剑桥研究实验 室已经出版了一本有关1 7 0 0 0 条水汽谱线的数据汇编，这些谱线都位于1 5 0 千吉赫兹。因此为了避免这种颇费时间的求和计算，必须寻求更为简单而又 精确的表达式。 2 2 2 降水对电波的散射和吸收 在地面或地空电路上，电磁波在对流层介质中传播，而对流层不是真空， 除了若干种气体之外，还包含介电粒子，如水凝体( 雨滴，冰晶体，雪，雹等 等) 。这些粒子引起的损耗与自由空间传播损耗是相加关系。除了衰减外，对 流层罩存在的散射体所引起的去极化现象会降低正交极化频率复用系统的性 能。 粒子引起电磁波的衰减有两种方式：一是散射，即将部分接收能量再辐 射到所有方向。二是吸收，即由波传播的一部分能量转变成另一种形式的能 量。从物理的观点，这可以被认为是微波光子与粒子之间的弹性碰撞。 这些效应的强弱除了依赖于散射体的浓度外，还依赖于散射体尺寸和辐 射波长。当散射体很小时，介质吸收与其尺寸无关，丽散射可以忽略。由小 水滴组成的雾和云所发生的情况就是这样，在这里波的吸收只与每单位体积 液体内水的总含量成正比。当水滴尺寸增加时( 或所用的辐射波长减小时) ， 介质吸收剧烈增加，并且与水滴尺寸的关系变得复杂。散射也就变得很重要。 在大约3 0 g h z 的频率上，散射和吸收对总衰减的贡献差不多相等。 就冰粒子而言，介质损耗比液体水引起的损耗要小很多，所以，它们产 生的衰减可以忽略，但是如果考虑的是大尺寸冰晶体，如冰雹，在高的频率， 哈尔滨工业人学工学烦| ：学位论文 由散射引起的损耗却变得很重要。另外，无沦冰粒子的尺寸如何，它们都能 引起足够严重的去极化，以致破化频率复用系统的正常工作。 沙和灰尘与水凝体一样，也通过吸收和散射而衰减电磁波，目前有关这 类散射体的实验数据仍很少。以下先主要对散射体的物理特性进行简要的描 述。 对流层中的自然散射体主要是水凝体、沙和灰尘等。水凝体是水蒸气冷 凝的产物，即云，雾，雨滴，冰晶体，冰雪，雪，冻雨。水凝体已是且 仍然是人们进行广泛研究的课题。 但对沙和灰尘研究却很少，实验数据不多。在世界的许多地区如非洲、 中东、俄罗斯、中国、南美，出现沙尘暴的时间百分数是很大的。在中国或 南美，出现沙尘暴的时间百分数是很大的。这种沙尘暴可以影响到4 0 0 到5 0 0 公里的广泛区域，或者只局限于小于1 0 公里的区域，它们的平均时间是3 小时，但有时候它们可持续几天。因此，沙尘是干扰通信系统的潜在因素。 当单独地考虑水凝体，沙和尘时，感兴趣的物理特性是其尺寸、形状、 状态( 固态、液态或混合态) 、折射率：而当作为整体考虑它们时，则是尺寸 分布和浓度占优的取向。 在水凝体中，就衰落和去极化而言，水滴无疑是主要的因素。在大多数 情况下，冰晶体只对去极化有影响。云和雾只有在很高频率( 大于1 0 0 吉赫) 才开始影响无线电电路。 2 3 本章小结 本章主要介绍微波视距传播中的备种传播影响，首先介绍视距传播中的 基本知识和理论，对地表面对电波传播的影响进行研究，包括了地面反射和 绕射。微波绕射损耗主要发生在电波传播余隙小于最小菲涅尔半径区时。然 后介绍了大气对电波传播的影响。大气中主要是氧气和水汽对电波造成衰减， 对流层中的颗粒，主要是云雾，雨对微波频段造成衰减。 哈尔演t 业大学t 学项 j 学位论立 第3 章链路传输损耗对微波信道的影响 上一章我们主要对微波链路中电波传播现象的理论进行分析和研究，这 一章我们根据经验公式和实验数据对各种传播影响进行建模分析，以对微波 链路的信噪比进行计算分析做准备。 3 1 雨衰 对于1 g h z 以上频率范围，降雨是影响电波传播的十分重要的因素，雨 不仅吸收电波能量，而且对电波产生散射，这种吸收和散射共同形成电波衰 减，这就是雨衰。散射还能导致大范围无线电干扰，并对电波存在去极化效 应。一般认为，通过较好规划，干扰是可以控制的，降雨引起的交叉极化鉴 别度恶化所异致的波道间干扰的发生与雨衰引起的电路中断基本同时发生， 不额外增加中断时间。因此，在对信道进行研究时，可以将雨衰作为主要考 虑对象。 3 1 1 微波视距信道雨衰率的计算 降雨在空问中是不均匀的，在水平方向，通常是小范围的较高强度的雨 嵌在大范围的较小的雨中，而且，长的路径还可能穿过几个雨区。目前，对 此采用的主要处理方法是基于有效路径长度的概念，有效路径长度等于实际 路径长度与一缩减因子的乘积。在垂直方向，降雨限于某一高度以下，在此 高度之上，只有冰冻粒子而没有液体水，此转移高度通常认为与o o c 等温线 高度一致，降雨条件下的o o c 等温线高度与一般条件下的高度是不一样的， 在衰减预测中，现采用的有效降雨高度是利用斜路径雨衰减数据确定l l ”。在 雨衰计算中都是以超过全年0 0 1 的时间的雨衰为基础进行计算的。衰减率 0 l = 七l ( 3 _ 1 ) 式中r 。为累积时间为1 分钟0 川时间超过的降雨量( 毫米小时) ，它 与雨强概率分布有关。它指的是实测时，雨强超过规定指标概率不能大于 0 0 1 。即在l o 万个实测雨强数据中超过规定雨强数为1 0 个( 即总数据量的 ! 竺尘堡三些查耋三兰堡圭兰堡丝塞 0 0 1 ) 其中最小的雨强就是r 。，。参数口和与频率和极化有关，对于线性 极化和水平路径，1 至5 5 g h z 的频率范围内的足够精确的口和k 值如表3 - 1 所示，其中“v ”和“日”分别表示水平极化和垂直极化。 表3 1 雨衰率估计的频率系数 频率( g h z ) k hk y d h 口 10 0 0 0 0 3 8 70 0 0 0 0 3 5 2 0 9 1 2 20 8 8 0 1 f s0 0 0 0 0 8 6 80 0 0 0 0 7 8 4 09 3 4 lo8 9 0 5 20 0 0 0 15 4 30 0 0 0 1 3 8 8 0 9 6 2 90 9 2 3 0 2 50 0 0 0 2 4 1 60 0 0 0 2 1 6 9 0 9 8 7 30 9 5 9 4 30 0 0 0 3 5 0 40 0 0 0 31 4 5 1 0 1 8 50 9 9 2 7 40 0 0 0 6 4 7 90 0 0 0 5 8 0 7 】2j 21 0 7 4 9 5o 0 0 11 0 300 0 0 9 8 2 91 2 3 3 81 18 0 5 60 o o l 8 1 30 0 0 1 6 0 31 3 0 6 81 2 6 6 2 70 0 0 2 9 1 50 0 0 2 5 6 0 1 3 3 3 41 3 0 8 6 80 0 0 4 5 6 70 0 0 3 9 9 61 3 2 7 51 3 1 2 9 900 0 6 9 1 60 0 0 6 0 5 61 3 0 4 412 9 3 7 1 00 0 1 0 0 60 0 0 8 8 5 31 2 7 4 71 2 6 3 6 1 2o 0 1 8 8 20 0 1 6 8 01 2 1 6 81 1 9 9 4 1 50 0 3 6 8 90 0 3 3 6 21 1 5 4 91 1 2 7 5 2 00 0 7 5 0 40 0 6 8 9 81 0 9 9 51 0 6 6 3 2 50 1 2 3 70 1 1 2 51 0 6 0 41 0 3 0 8 3 00 1 8 6 40 1 6 7 31 0 2 0 20 9 9 7 4 3 50 2 6 3 20 2 3 4 10 9 7 8 90 9 6 3 0 4 00 3 5 0 40 3 1 0 4 0 9 3 9 40 9 2 9 3 ：。一一 坠堡堡三些查兰三兰矍：! ：兰堡篁塞 4 5 0 + 4 4 2 60 3 9 2 2 0 9 0 4 0 0 8 9 8 5 005 3 4 6 0 、4 7 5 5 0 8 7 3 50 8 7 0 5 l o g t = 喜( 懈 _ ( 半) 2 】) + m k l o g h a = 善4 ( qe x p 【一( 半门) + m , ，l o g 厂+ 勺 表3 - 2 水平极化系数 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 口 b c m kq c g ，；1 0 3 3 6 4l - 1 2 7 4 02 9 1 6 2o 7 5 2 01 6 6 4 4o 5 1 7 51 9 9 2 5- 4 4 1 2 3 3- 0 9 4 6 62 8 4 9 6 04 3 1 5 f ；1o 5 5 6 40 7 7 4 104 0 1 l 20 2 2 3 71 4 0 2 30 3 4 7 5 - 4 ) 0 8 0 1 60 8 9 9 3 3加1 9 6 10 5 7 6 90 ，2 3 7 2 4- 0 0 2 2 1 92 2 9 5 9 02 8 0 1 表3 - 3 垂直极化系数 口 b c m kq i c d ，= 1 0 3 0 2 31 1 4 0 20 ，2 8 2 6 20 7 7 9 01 6 7 2 30 5 6 9 41 9 7 1 0_ 4 4 5 3 5 31 0 0 2 22 9 4 0 00 4 8 2 3 i = lo 5 4 6 30 8 0 1 70 3 6 5 7 20 2 1 5 81 4 0 8 00 3 6 3 6 0 0 7 0 5 90 8 7 5 6 3- o 1 6 9 30 6 3 5 3o 2 1 5 5 4_ o 0 1 8 9 52 3 1 0 50 ，2 9 3 8 式( 3 2 ) 和( 3 - 3 ) 中厂为频；g ( g h z ) ，k 为k h 或k v ，口为或a ，系数由表 喻尔浜工业大学工学硕上学位论文 3 2 和3 3 确定。 对于线性和圆极化，满足所有的几何路径，方程( 3 1 ) 中a 和k 的值由式 ( 3 - 4 ) f f l ( 3 5 ) 计算得到。 日：khan+kvav+(khan-kvav)cos2 o c o s 2 r f 3 4 1 2 七 k：kh+kv+(kh-kv)cos20cos2r r 3 5 ) 2 式中0 为路径仰角，f 为极化倾角( 水平极化时为0 ，垂直极化为9 0 ，圆 极化为4 5 。1 。 当为线性极化和垂直极化时，系数k 。或k 与频率的关系见图3 - 1 。系数 口。或与频率的关系见图3 - 2 ，为方便计算，可以从图上直接鸯取数据进行 雨衰计算。从上述讨论可以得到雨衰减率是频率、雨强等的函数。在水平极 化时，路径仰角为0 度时，它们的直观关系见图3 3 。 赫 懈 电渡飙率f ( g h z ) 图3 - 1 水平和垂直极化时系数k - ，曲线关系 藏 雌 哈尔滨工业大学丁学坝1 一学位论文 图3 - 2 水平和垂直极化时系数口- 厂曲线关系 图3 - 3 降雨衰减率与频率和雨强的关系 3 1 2 微波视距信道雨衰计算 对于视距传播信道雨衰与出现的概率相联系，超过全年尸的时间的南 1 9 一 一bp一得耀噼豫 哈尔滨工业人学工学顿十学位论文 衰由下述得到。 首先获得超过年时间0 0 1 的雨强r o 如果对于本地没有合适的资源， 可以采用i t u rp 8 3 7 4 中给定的估测值。计算路径等效系数r ，它的估计值 由式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 获得。 ，= 1 ( 1 + d 哦)( 3 - 6 ) d o = 3 5 e 。“ ( 3 7 ) 。为全年0 0 1 的时间超过的1 分钟的雨强( m m ) ，并且其值小于 1 0 0 m m h 。 然后对信道的超过年时间0 0 1 的雨强对应的路径附衰进行计算”引。 40 1 = 0 1 d x r ( 3 - 8 ) 。为全年0 0 1 的时间超过的雨衰( 抛) 。 当无线链路所处位置的纬度大于等于3 0 。( 北纬或南纬) 时，当 0 0 0 1 j d 1 时，尸时间超过的雨衰由式( 3 9 ) 得到。 4 = ao lx 0 1 2 p 删4 “o “” ( 3 - 9 ) 式中a 。的单位为d b 。该公式的系数0 1 2 对应着概率l ，同样地o 1 o 0 1 和o 0 0 1 对应着公式系数为o 3 9 ，】，2 1 4 。它们的使用必须满足使用 条件。 当无线链路所处位置的纬度低于3 0 。( 北纬或南纬) 时，当 o 0 0 1 p 0 0 1 x 0 0 7 p 一o 8 5 5 + 0 1 3 9 1 8 ( 3 一l o ) 该公式的系数o 0 7 对应着概率1 ，同样地o 1 ，o 0 1 和0 0 0 1 对应 着公式系数为o 0 3 6 ，l ，1 4 4 。它们的使用必须满足使用条件。它的使用范 围频率可以达到4 0 g h z ，路径长度可长达6 0 k m 。 根据上述讨论对微波视距传播链路进行雨衰a 。计算，通信距离和雨 强确定的情况下，雨衰与频率关系见图3 4 。 - 2 0 堕兰堡三些查兰三兰堡圭兰堡篁兰 3 2 云雾衰减 图3 4 雨强5 m m h 日寸雨衰频率的关系 云雾粒子的吸收和散射效应是考虑信道特性不可忽视的因素之一，除了 大气中几种主要气体的强吸收带以外，云雾对微波能量的吸收和散射效应比 晴空大气强得多。而云平均覆盖了5 0 的地球表面。重云浓雾不仅限制了光 波、红外、和亚毫米波的应用，对毫米波和厘米波的应用也是重要的限制因 素。在微波毫米波段除了雨衰之外，云雾是另一重要的衰减损耗。 本节给出毫米波在大气中传输受云，雾粒子吸收所导致衰减的可实用计 算模型i ”l 。由于实际环境中，云雾类型的多样性、以及粒子密度的不均匀性， 使得精确计算云雾衰减量值有一定困难，通常对于云雾衰减采用实时观测的 方法，不利于对其进行定量分析。在此采取瑞利散射近似算法，模拟计算云 雾衰减。 在2 0 0 g h z 以下，采用瑞利散射近似非常合适。该模型可由单位体积的 含水量求出电波在云雾中传播的衰减率。基于常年观测的液态水柱状含量计 算某一百分比时间超过的云衰减的量级：雾衰减的计算模型，可根据大气层 折射指数分层结构，计算电波在雾区中传播的实际距离，从而确定衰减值的 大小。 根据瑞利散射近似，在2 0 0 g h z 以下，云雾的衰减率可简化为单位体积 = = = = = = e ：。一一 堕尘堡! ；些查兰兰堡耋堡丝兰 的含水量的表达式 以= k ，m ( d b k m )( 3 1 1 1 式中巧表示云雾衰减率系数 ( d b k m ) ( g m 3 ) 】，m ( g m3 ) 为云或雾中液态 水含量。 典型z - 的液态水含量在0 1 1g m 3 之间，特殊情况下观察到的液态水含 量达1 0 9 i l l 3 。在粗略估算时，对于雨云，可以假定m 为0 5 e m 3 。 根据瑞利散射的数学模型，其中液态水介电常数占( 厂) 可以用德拜模型求 解，可以计算频率高达1 0 0 0 g h z 的衰减率系数。以下为具体的计算方法【2 0 1 。 k i ：罢装( d b k m ) ( 咖3 ) ( 3 - 1 2 ) 2 丽 g 伽 式中厂为电波频率( g 胁) ，并且玎：生錾。 液态水的复介电常数为 占。( 俨揣+ 揣 ( 3 - ，) 占( ，) 2 赫+ 赫+ 屯 ( 3 _ 1 4 ) 式中c o = 7 7 6 + 1 0 3 3 ( 0 - 1 ) ，每= 5 4 8 ，乞= 3 5 1 ，0 = 3 0 0 ( 2 7 3 1 5 + ，) 。，为 云雾层温度( 摄氏度) 。主要驰豫频率无和次要驰豫频率z 分别用式( 3 15 ) 和 ( 3 - 1 6 ) 计算： 兀= 2 0 0 9 1 4 2 ( 0 1 ) 十2 9 4 ( 0 - 1 ) 2( 3 - 1 5 ) 工= 5 9 0 1 5 0 0 ( o 一1 )( 3 一1 6 ) 根据上述讨论，可以得到云雾衰减率与频率的变化关系如图3 - 6 。 3 2 1 云衰减模型 通过上面给出了云雾衰减率的计算方式，现在先研究云衰减模型。 基于某一给定时间概率的云衰减的计算模型必须在液态水柱状含量 l ( k g m 2 ) ( 即给定地点可沉淀含水量) 的统计值 2 h 已知的情况下由式( 3 1 7 ) 哈尔滨工业大学工学帧j j 学位论文 图3 - 6 云雾衰减率系数与频率关系 给出。 爿：堡d b 9 0 。0 5 。 ( 3 一1 7 ) s l n 0 其中0 为发射角度。液态水总柱状含量统计值可以从放射性测量器或是 无线电探空仪获得。 例如根据i t u r 2 0 01 年最新标准得到某一地区液态水柱状含量统计值如 表3 - 4 。 表3 - 4 液态水柱状含量统计值 时间百分比 l 5 1 0 2 0 液态水柱状含量 12 o 805 线多项式为：y = 一1 0 1 3 1 x 3 3 5 9 1 x 2 4 8 8 1 4 x - 1 5 0 3 5 ，其中x = l 0 9