C頻段空地鏈路無線信道大尺度衰落模型

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

1 引 言

隨著戰(zhàn)事通信和民用通信需求的提高，地域通信網(wǎng)可以通過空中通信節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展，延伸通信范圍，但由于無線頻段資源目前已經(jīng)非常稀有，要同時(shí)完成空空、空地、地地通信鏈路要求的寬帶無線通信，必須在C頻段甚至Ku/Ka頻段這種比較高的頻段上來構(gòu)建通信骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的信道研究多為地面?zhèn)鬏斝诺?，針對大尺度路徑損耗的模型，在3.5 GHz以下頻段已經(jīng)有了大量的研究工作，地面信道的路徑損耗預(yù)測模型有很多經(jīng)驗(yàn)公式，如Okumura-Hata、COST 231、Lee、Erceg等[1-3]， C頻段(5 GHz)以上的路徑損耗則缺乏經(jīng)驗(yàn)公式支持?，F(xiàn)有的空地信道研究大多以計(jì)算機(jī)仿真和理論分析為主，受限于空中機(jī)載測試的成本，基于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模的研究比較少，目前可以查到只有文獻(xiàn)[4]中給出了空地鏈路5.8 GHz頻段的測試數(shù)據(jù)，但該文獻(xiàn)中未深入研究其電波傳播特征。本文在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究C頻段空地信道的電波傳播特性，提出可供實(shí)際通信系統(tǒng)參考的空地信道模型。

2 空地信道測量

本文的信道測試環(huán)境為野外開闊地，地面接收天線高4 m，為定向天線，空中飛機(jī)搭載發(fā)射天線。頻段為C頻段，5.1 GHz。在發(fā)射機(jī)發(fā)送信號，測試接收機(jī)得到接收信號的場強(qiáng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和后端分析處理，地面基站通過GPS定位飛機(jī)的高度和距離。信道測量的裝置如圖1所示。

圖1 信道測量裝置Fig.1 Channel measurement system

本文提取了信道測試數(shù)據(jù)中飛機(jī)高度為600～1 500 m的一段數(shù)據(jù),該段數(shù)據(jù)飛機(jī)和地面基站的距離、高度以及仰角的關(guān)系見圖2。飛機(jī)經(jīng)歷了高度由600 m升到1 500 m，仰角由35°降到0.7°的過程，通信距離為100 km以內(nèi)。

圖2 飛機(jī)高度、仰角與距離的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between aircraft height elevation angle and distance

由于本測試的環(huán)境為野外開闊地，阻礙物比較少，又使用了定向天線保證直視路徑(LOS)的存在，而且所取數(shù)據(jù)段里飛機(jī)的高度較高(600～1 500 m)，從理論上分析，該段數(shù)據(jù)應(yīng)該和自由空間傳播特性比較接近，如圖3所示?？梢钥吹?，實(shí)測數(shù)據(jù)和自由空間差值約為5～20 dB，和自由空間傳播比較接近，距離d>45 km時(shí)，飛機(jī)高度一直維持在1 500 m，隨著距離的增大，收發(fā)端之間的仰角小于2.5°，進(jìn)入低仰角區(qū)域，和自由空間傳播特性的差異變大，而接近地面鏈路傳播特性。為驗(yàn)證d>45 km的低仰角區(qū)域傳播特性是否符合地面鏈路傳播特性，本文第三節(jié)將通過地面鏈路的路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖3 自由空間接收功率場強(qiáng)與測試數(shù)據(jù)Fig.3 Free space received power prediction and measured data

3 路徑損耗預(yù)測模型

由于缺少C頻段的路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式，本文根據(jù)本信道測試的環(huán)境，選取了1～3 GHz頻段的宏蜂窩模型中Okumura-Hata模型的開闊地經(jīng)驗(yàn)公式、Egli模型公式、Carey模型以及Lee模型的郊區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

電波傳播的接收功率(單位dB)的對數(shù)公式為

Pr=Pt+Gt+Gr-Lb

(1)

式中，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，Lb為路徑損耗值。各模型的路徑損耗值公式如下所示。

(1)Okumura-Hata模型[3]

Lb=28.61+A+18.33 lgf-4.78(lgf)2(開闊地)

(2)

A=26.16 lgf-13.82 lght+

(44.9-6.55 lght)(lgd)β-a(hr)

(3)

式中，β為距離大于20 km時(shí)的修正指數(shù)，a(hr)是體現(xiàn)移動(dòng)臺天線高度影響的修正項(xiàng)。

(2)Egli模型[3]

(4)

(3)Carey模型[4]

(5)

(4)Lee模型[3]

(6)

其中：

α=20 lg(ht×0.3048)+10 lg(hr×0.3048)-64

(7)

式中，d為通信距離，單位km；f為頻率，單位MHz；ht、hr為發(fā)端和收端天線高度，單位m。

圖4 地面鏈路路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)比較Fig.4 Comparison of measured data and classical terrestrial channel model predictions

各模型的接收功率預(yù)測值如圖4所示?？梢钥吹?，d<40 km范圍內(nèi)，Okumura-Hata模型和Carey模型的接收功率預(yù)測值大于自由空間，在本測試環(huán)境中d<40 km的范圍內(nèi)是不適用的。因?yàn)镺kumura-Hata模型適用的距離范圍本身就有一個(gè)下限(比如d>1 km)，天線適用范圍為30～200 m，而本文所選取的測試數(shù)據(jù)的天線高度比較高(600～1 500 m)，影響了路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式天線高度因子，使得適用的距離范圍的下限提高，因此該模型的路徑損耗預(yù)測和測試數(shù)據(jù)差距較大。Carey模型在d<45 km范圍預(yù)測值大于自由空間是因?yàn)镃arey模型中沒有頻率修正因子，因此在高頻段的適用距離范圍也改變了。在d>40 km范圍， Egli模型、Carey模型以及Lee模型的預(yù)測數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)還是比較接近的，這正驗(yàn)證了前文中提到，在d>45 km，仰角φ≤2.5°的低仰角區(qū)域傳播特性是符合地面鏈路傳播特性。分析結(jié)果表明，根據(jù)收發(fā)端的仰角，可以將空地信道分為高仰角和低仰角區(qū)域，具體特性如表1所示。

表1 空地信道不同仰角區(qū)域電波傳播特性分類Table 1 Radio propagation characteristics of air-to-ground channel in different elevation angle district

4 空地信道二徑模型

從第三節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，Egli模型是和測試數(shù)據(jù)比較接近的模型，Egli模型是利用FCC(美國聯(lián)邦通信委員會(huì))所收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對二反射引起的兩射線平地模型進(jìn)行了修正，因此說明了空地信道具有二反射(Two-ray)模型的特征。對于空地信道的二徑模型特性，文獻(xiàn)[5,6]進(jìn)行了理論分析和比較,以小尺度特性為主。本文提出結(jié)合實(shí)測的空地信道的測試數(shù)據(jù)，研究空地信道大尺度的二徑模型特征。

文獻(xiàn)[3,7]中給出了二徑模型的接收功率，是全向天線模式的，參考文獻(xiàn)[8]，適用定向天線模式并考慮地球曲率影響的接收功率為

(8)

由于本信道測試的天線模式為定向-全向天線，分別將各天線增益代入公式(8)，當(dāng)Re取0.7時(shí)，結(jié)果如圖5所示，二徑模型的預(yù)測值和實(shí)測數(shù)據(jù)在距離d<45 km范圍內(nèi)比較接近；在d>45 km范圍誤差比較大，這是由于通信頻段的提高，大氣效應(yīng)影響越大，主要包括吸收衰減、雨霧衰減和大氣折射，造成高頻段電磁波的損耗越大，因此對于C頻段以上高頻段的場強(qiáng)預(yù)測，需要在公式(8)基礎(chǔ)上再加上高頻段大氣層傳播衰減因子，修正后如下：

(9)

式中，α為大氣層傳播衰減因子，與頻率、天氣等因素有關(guān)，頻段越高，衰減因子越大，雨霧天氣時(shí)α值比晴空天氣時(shí)α值大。參考文獻(xiàn)[9]，5 GHz頻段的大氣層衰減因子為10-1量級。

根據(jù)公式(9)計(jì)算得到的接收功率見圖5，其中α=0.15時(shí)，修正后的二徑模型電波傳播預(yù)測值和實(shí)測數(shù)據(jù)比較符合，在低仰角和中仰角區(qū)都表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度。

圖5 二徑模型接收功率預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)比較Fig.5 Comparison of measured data and two-ray model prediction

5 結(jié)束語

現(xiàn)有的無線信道模型缺乏C頻段以上高頻段的研究，因此本文通過現(xiàn)有路徑損耗預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式和C頻段實(shí)測信道數(shù)據(jù)的分析比較，提出高頻段空地鏈路無線信道高低仰角區(qū)域不同的電波傳播特性，并基于傳統(tǒng)二徑模型提出一種新的C頻段空地鏈路大尺度衰落預(yù)測參考模型，通過和實(shí)測數(shù)據(jù)的分析比較，表明本文提出的模型更符合實(shí)測數(shù)據(jù)，為未來高頻段空地鏈路通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)測分析依據(jù)。

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