论文研究-1-10GHz大气信道传输损耗及其特性分析 .pdf-资料库

5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1-10GHz 大气信道传输损耗及其特性分析 # 张秀再* （南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044；江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044）摘要：本文研究了大气通道对 1～10GHz 范围的信号造成影响。通过研究大气损耗、电离层效应、云雾损耗、降雨损耗和降雪损耗，这些类型的损耗量都较小而且可以在无线信道链路设计时通过增加信号功率预算进行补偿。而云层作为信道传输时的主要障碍物会对信号产生多径效应和阴影效应，使得信号在无线信道传播过程中发生随机变化。由 1～10GHz 无线大气信道特性的分析结果，结合大气层的垂直分层及信号在不同的大气分层中所受到的损耗类型不同，给出了其信道特性的划分方案，为建立 1～10GHz 无线信道仿真模型提供了技术依据。关键词：大气信道；大气损耗；电离层效应；云雾、雨和雪损耗；信道特性中图分类号：TN011 1-10GHz atmospheric transmission loss and channel characterization analysis ZHANG Xiuzai Technology, Nanjing 210044; ( School of Electronic & Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Jiangsu Collaborative innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing 210044) Abstract: This paper studies the influence of the atmosphere channel on 1-10GHz signal. The effects of rain and snow, oxygen, water vapor, clouds and ionospheric scintillation on the meteorological satellite downlink signal mainly include energy loss, according to analyze the impact of the physical environment of atmospheric space on wireless signals. Accordingly, this loss can be solved by increasing the link power budget designing meteorological communication systems. The clouds as the main obstacle in the atmosphere channel will cause multipath signal effects and shadow effects. In order to describe these effects, the appropriate statistical channel model based on specific physical characteristics channel is established and the numerical simulation experiments are carried out. By the results of analyzing atmospheric channel characteristics, and the different types of losses suffered of signal at different atmospheric stratification, the division scheme of the channel characteristics is given. That provides a technical basis to establish wireless channel simulation model. Keywords: atmospheric channel; atmospheric loss; ionospheric effects; clouds, rain and snow loss; channel characteristics 0 引言无线通信是通过电波在各种不同媒质空间中传播以达到信息传输的目的，而信号通过任何传输媒介都不可避免的受其影响会产生衰减、延迟、畸变、时域和频域失真等。大气传输通道会对卫星通信信号造成一定的影响，特别是近地空间复杂的物理环境对电磁波传播产生的影响更为严重。而大气通信信道特性就是通信过程中所使用的频带资源和实际的大气物理传播环境决定，大气信道也具有一定的频谱特征。基金项目：高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012-9）；江苏省自然科学青年基金项目（BK20141004）；国家自然科学青年基金项目（11504176）；国家自然科学青年基金项目（61601230）；江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介：张秀再（1979-），男，副教授、硕导，主要研究方向：通信系统与信号处理. E-mail: xz_zhang@nuist.edu.cn - 1 -

45 50 55 60 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 目前，对于 10GHz 以下频段的无线信道建模研究主要涉及陆地通信卫星，建模时考虑的信道特性均受地面环境的影响[1-7]；对于 10GHz 以上的 Ku 和 Ka 频段的卫星信道建模，主要考虑天气因素的影响，特别是信道的雨衰损耗特性[8-13]。但对于 1-10GHz 频段范围的大气信道特性分析和信道建模时考虑大气层影响的相关研究工作还十分匮乏。信道传播特性和信道模型的研究是无线通信系统的研究开发和工程设计中非常重要的一个方面[14]。因为信道传播特性决定了系统的性能,包括调制方式、多址访问方式、编码方式以及功率控制技术等。同时, 由于条件所限不可能在设备研制的全过程中都可以随时进行现场实验。因此，有良好近似效果的信道模型是一种理想的解决方法。就 1～10GHz 频段范围的应用而言，主要应用 L（1～2GHz）、S（2～4GHz）、C（4～8GHz）和 X（7.5～8.5 GHz）频段作为卫星使用频段。大气通信信道模型的建立是以其信道特性为基础的，分析大气信道特性为信道模型的建立提供了基本依据。因此对于研究 1～10GHz 大气信道特性的问题，主要在 L、S、C 和 X 频段的大气信道特性上开展。 1 大气损耗大气损耗是由地球大气层的气体吸收能量引起的无线电波传输能量的损失，这种损耗要区别于不同天气条件产生信号能量衰减。与天气条件有关的信号传输能量损失称为大气衰减，由气体吸收能量引起的信号损耗称为大气吸收。大气吸收造成的无线电波能量损失随电波的频率变化而变化。水蒸气分子、氧气分子的吸收在大气损耗中占主要地位。产生于氧分子和水蒸气分子的吸收的星地传输路径损耗，按 ITU-R 有关报告[15]，基本上都可以按各自的地面损耗与穿过对流层的等效路径长度的乘积计算，而总的路径损耗为这两项损耗之和。氧分子损耗率，对于 57GHz 以下的频段，可按下式近似计算 1-10GHz atmospheric transmission loss and channel characterization analysis  o     7.19 10  3   6.09  0.227  2 f ( f  4.81 57) 2  1.50     f 2 3  10  dB/km (1) 水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度 pw(g/m3)有关，对于 350GHz 以下频段，都可以 65 用下式计算  w  [0.05 0.0021  p  w 3.6 22.7) ( f  2  8.5  ( f  10.6 183.3) 2  9.0  ( f  8.9 325.4) 2  26.3 2 ]  f  p w 4  10  dB/km (2) 氧气分子、水蒸气分子损耗率在 1～10GHz 频率上的损耗率曲线如图 1 所示。由图可知，在 1～10GHz 频段范围内氧分子的吸收损耗率均比水蒸气的吸收损耗率大；氧分子、水蒸气分子的吸收损耗率随频率增加呈递增趋势，但是这种增加的趋势有所不同。氧分子、水蒸气分子对 L、S、C、X 波段的吸收损耗率大小范围见表 1。 70 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ) m k / B d （率耗损 x 10-3 氧气分子、水蒸气分子在不同频率上的损耗率曲线氧气分子损耗率水蒸气分子损耗率 0 1 2 3 4 5 频率(GHz) 6 7 8 9 10 图 1 氧气分子、水蒸气分子损耗率在 0～10GHz 频率上的损耗率曲线表 1 氧分子、水蒸气分子对 L、S、C、X 波段的吸收损耗率大小 L 波段 5.0 10 3     5.8 10 3  S 波段 5.8 10 3     6.1 10 3  C 波段 6.1 10 3     6.5 10 3  X 波段 6.6 10 3     6.7 10 3  氧气分子损耗率 (dB/km) 水蒸气分子 0.06 10  3  0.22 10  3  0.91 10  3  3.40 10  3    0.22 10 3    0.91 10 3    3.00 10 3    4.50 10 3  75 80 85 电磁波穿过大气层的路径损耗主要考虑到无线电波以斜路径穿过对流层的路径长度与对流层高度的关系，ITU-R 给出了气体吸收产生的倾斜路径损耗的计算方法[15]。根据氧气、水蒸气吸收产生的路径损耗表达式，对 L、S、C、X 波段的路径损耗进行仿真。L 波段的频率选取 1.7GHz，S 波段的频率选取 3.0GHz，C 波段的频率选取 5.0GHz，X 波段的频率选取 8.0GHz；仰角选取最低值 5o。通过对氧气和晴空时、降雨时水蒸气吸收造成的路径损耗进行仿真，氧气、降雨时水蒸气的等效距离与 L、S、C、X 波段吸收损耗的关系分别如图 2、3 所示。由图 2 可知，随着频率的增加氧气在等效距离上对电磁波的路径损耗是递增的但增量很小；由图 3 可知，随着频率的增加水蒸气在等效距离上对电磁波的路径损耗是递增的，L、S、C、X 波段之间的路径损耗差别明显；因晴空时和降雨时水蒸气的等效高度值差别不大，所造成的路径损耗相差也很小。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 氧气等效距离与损耗关系波段L 波段S 波段C 波段X 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 ) B d （耗损 0 1 图 2 5o 仰角氧气等效距离与不同波段吸收损耗的关系 3 2 4 氧气等效距离(km) 5 6 水蒸气等效距离与损耗关系波段L 波段S 波段C 波段X 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 ) B d （耗损 0 0 0.5 1 1.5 水蒸气等效距离 (km) 2 2.5 图 3 降雨时 5o 仰角水蒸气等效距离与不同波段吸收损耗的关系 90 95 根据气体吸收产生的斜路径损耗的计算式[15]，采用典型的水蒸气密度 7.5g/m3，对最低仰角 5o 时，晴空和降雨条件下的气体吸收总损耗随频率变化曲线如图 4 所示。由图 4 可知，在 10GHz 通信频点上，晴空和降雨条件下的气体吸收总损耗分别为 0.60dB 和 0.64dB，因此对于 1～10GHz 范围内的电磁波在晴空和降雨条件下通过大气层时总的路径损耗均很小，甚至可以忽略。频率与总损耗关系降雨晴空 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 ) B d （耗损总 0 0 2 4 6 频率 (GHz) 8 10 图 4 5o 仰角 0~10GHz 气体吸收造成的路径总损耗 100 为考察总的气体吸收损耗随天线仰角的变化情况，对降雨时总的气体吸收损耗随天线仰角的变化曲线进行仿真如图 5 所示。由图 5 可知，随着仰角的增加，气体吸收损耗逐步降低；并且在整个数据传输过程中，因气体吸收造成的路径损耗很小；相同的结论也适用于晴空时 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 总的气体吸收损耗随天线仰角的变化情况。仰角与总损耗关系波段L 波段S 波段C 波段X 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 ) B d （耗损 0 0 20 40 仰角(o) 60 80 100 图 5 降雨时总的气体吸收损耗随天线仰角的变化 105 2 电离层效应 110 115 120 125 电离层是地球大气层上部由于受到太阳辐射而产生离子化的区域，电离层中的自由电子不是均匀分布的，而是呈层式分布。无线电波在卫星和地面接收站之间传播时必须要穿过电离层，受电离层结构的不均匀性和随机时变性的影响，造成信号的振幅、相位、达到角和极化状态等发生短周期的不规则变化，形成电离层闪烁效应[16]。这些效应与卫星移动通信系统的工作频率、地理位置、地磁活动情况以及当地季节、时间等有关，且与地磁纬度和当地时间关系最大。对于卫星通信而言，最主要的是电离层闪烁、极化旋转和群时延的影响，而这些影响均随着频率增加而减小[14]。 2.1 电离层闪烁电离层闪烁包括无线信号幅度和相位的快速波动，主要由电离层电子密度分布不规则引起。经实验观测大量的幅度闪烁主要在 VHF 频段（30MHz～300MHz）。在某些大气条件下，闪烁较为严重会影响到可靠的通信。对于通过赤道、极光、极地区域的传输以及每天日出日落时段的传输，电离层闪烁更加严重[17]。两个电离层闪烁强度最大的地理区域是高纬度地区和靠近赤道的地磁区域。电离层闪烁强度 S 的大小与电磁波频率和地理位置有关，可以近似按照下式计算 f （dB）(3) f 为频率（GHz），一般工程上 n 取-1.5。对于 GHz 频率（L 波段和 C 波段）以上，多地实测结果的指数 n 在-1.6～-1.9 范围内，n 的平均值为-1.7[18]。由此，可以定性得到电离层闪烁导致的信号衰减与频率之间的对应关系如图 6 所示。 S n 由图 6 可知，当指数 n 为-1.7 时，在无线通信频段上因电离层闪烁对信号的衰减分别为： L 波段的信号衰减为 0.40dB 左右；S 波段的信号衰减为 0.15dB 左右；C 波段的信号衰减为 0.05dB 左右；X 波段的信号衰减为 0.03dB 左右；因此，频率高于 1GHz 时电离层闪烁的影响已经大大降低，基本可以忽略其影响。 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 100 10-1 ) B d （数指烁闪 10-2 1 电离层闪烁与频率的关系 n=-1.6 n=-1.7 n=-1.8 n=-1.9 2 4 频率(GHz) 6 8 10 图 6 电离层闪烁与频率关系 130 2.2 Faraday 旋转效应 135 140 145  2.36 线极化波通过电离层时由于电磁场的存在和等离子体媒质的各向异性，会使其极化面相对于入射波方向产生缓慢的旋转，这种现象称为法拉第（Faraday）旋转效应。Faraday 旋转角度 θ 的大小与电波频率、地球磁场强度、等离子体的电子密度和传播路径长度等有关。 Faraday 旋转角度 θ 的表达式为  (rad) (4) 式中，Bav 为地球平均场强(Wb/m2)；f 为频率(GHz)；NT 为电子含量(el/m2)。电子含量 TEC(Total electron content)为电磁波传播路径上累计的总电子量，与电子浓度有密切的关系，Faraday 旋转角度 θ 近似地正比于 TEC。由于电子浓度随昼夜、季节、太阳周期的变化而变化，即使有精确的传播路径也很难计算获得电子含量 TEC。根据 TEC 的数学计算模型[18]，TEC 的值定义为 1m2 截面积的天顶路径上的电子总量，其值一般在 1016～1019 el/m2 之间变化，且在阳光较好的白天会出现峰值。而地球磁场强度在两极的强度小于 10-4 特斯拉(Telsla)，平均强度为 0.6*10-4T。 B av N  10  14    2  f T Faraday 旋转角度值与 TEC 和频率的对应关系如图 7 所示。由式（4）、图 7 可知，Faraday 旋转角度与频率的平方成反比，频率越大旋转角度越小；旋转角度与电离层电子密度成正比，因白天的电子密度较大，造成白天的选择角度也较大；而晚上的电子密度较小，造成晚上的选择角度也较小；因旋转角度正比于地球磁场强度，沿地球磁场线传播路径上的旋转角较大，在地面接收站接收仰角最低时，通过电离层的路径也最长，旋转角最大。 ) a d r （角转旋 t a d a r a F 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 1 Faradat 旋转角与 TEC 和频率的关系 TEC=1016(el/m2) TEC=1017(el/m2) TEC=1018(el/m2) TEC=1019(el/m2) 2 频率 (GHz) 4 6 8 10 图 7 Faraday 旋转角度值与 TEC、频率的关系 - 6 -

150 155 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 当电磁波频率低于 1GHz 时，为了克服法拉第旋转效应，必须采用圆极化天线接收或者采用极化跟踪技术；频率高于几个 GHz 时，旋转角变小，可以采用线极化天线接收。无论是圆极化还是线性极化，都可以用交叉极化鉴别度(XPD)来度量极化纯度。XPD 与 Faraday 旋转角度的关系式为 (dB) (5) XPD 与 TEC 和频率的对应关系如图 8 所示。由图 8 可知，1～10GHz 频段内，所估算的极化纯度在 39～269dB 范围内，且频率越大，极化纯度越大，天线系统受到电离层的影响就越小。 20log(tan )  XPD  ) B d （度纯化极 300 250 200 150 100 50 0 1 极化纯度与 TEC 和频率的关系 TEC=1016(el/m2) TEC=1017(el/m2) TEC=1018(el/m2) TEC=1019(el/m2) 2 频率 (GHz) 4 6 8 10 图 8 XPD 与 TEC 和频率的关系 160 另外，电离层造成的 Faraday 效应对通信的影响也可以用天线系统的极化损耗表示，即极化损耗在一定程度上会造成接收能量的减少。极化损失与 Faraday 旋转角度的关系式为 (dB) (6) 极化损失与 TEC 和频率的对应关系如图 9 所示。由图 9 可知，1～10GHz 频段内，估算的极化损耗均小于 0.1dB，且频率越大，极化损耗越小。 10log(cos )    lossP ) B d （耗损化极 100 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1 极化损耗与和频率的关系 TEC TEC=1016(el/m2) TEC=1017(el/m2) TEC=1018(el/m2) TEC=1019(el/m2) 2 频率(GHz) 4 6 8 10 图 9 极化损耗与 TEC、频率的关系 3 云雾损耗云和雾对电磁波信号也存在一定的能量损耗。云和雾通常由直径小于 0.1mm 的小水滴组成，而雨滴的直径通常在 0.1-10mm 范围内。由小水滴组成的云内部的相对湿度通常接近 100%。由冰晶组成的高层云，如卷云等，对无线电波的衰减微乎其微。雾对低于 100GHz 的无线电波带来的衰减极小。中雾（300m 量级的能见距离）中液态 - 7 - 165 170

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 水密度通常为 0.05g/m3；大雾（50m 量级的能见距离）中液态水密度通常为 0.5g/m3。即使低仰角时，链路穿过雾的总路径也比较短，所以对于 100GHz 以下的无线电波，由雾造成的总衰减可以忽略不计[19]。因此，对于近地面的雾水对无线电信号的衰减问题，在无线信道建模时可以不作考虑。而云层对于无线电信号的影响可以利用相关计算模型进行计算分析。 3.1 云损耗率系数云的平均液态水含量变化范围很大，为 0.05g/m3～2g/m3。在雷暴天气的大堆积云中已经观测到了超过 5g/m3 的峰值；对于晴天堆积云来说，峰值通常小于 1g/m3。表 2 给出了一系列典型云的浓度、液态水含量和小水滴直径[20]。表 2 系列典型云的浓度、液态水含量和小水滴直径参数 175 180 云类型浓度 (小水滴数量/ 3cm ) 晴天堆积云层积云层云（陆地上方）层云（水面上方）高层云浓积云积雨云雨层云 300 350 464 260 450 2~7 72 330 ( 液态水含量 /g m ) 3 0.15 0.16 0.27 0.49 0.46 0.67 0.98 0.99 平均半径 ( m ) 4.9 4.8 5.2 7.6 6.2 9.2 14.8 9.0 由 ITU-R 提供的计算数学模型[21]对云的损耗率系数在不同温度下随频率的变化情况进行了仿真，损耗率系数 kc 在不同温度下随频率的变化关系如图 10 所示。由图 10 可知，在 1～ 10GHz 频段范围，损耗率系数随频率的增加而增加；损耗率系数随温度的增加而降低。 ) 3 m / g ( / ) m k / B d ( 数系率耗损云 100 10-1 10-2 10-3 10-4 1 -10℃ 0℃ 10℃ 20℃ 2 6 8 10 图 10 在不同温度下的云损耗率系数 kc 和频率的关系 4 频率(GHz) 由表 2 给出的系列典型云的液态水含量参数，并根据 ITU-R 推荐的云衰减计算数学模型可以计算出不同种类的云，在任意温度下对一定频率的电磁波信号的衰减量。图 11 给出了在 0℃温度下的层积云、高层云、浓积云和积雨云的云衰减随频率的变化关系。由图 11 可知，在相同频率点上云衰减随云中液态水含量的增加而增加；云中液态水含量一定时，云衰减随频率的增大而增大。在 1～10GHz 频段范围，造成无线电波衰减较大的积雨云的云衰减在 0.0013～0.1342dB/km 范围，若已知电磁波信号穿过云层的路径长度，即可计算出该积 - 8 - 185 190

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