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        面向風(fēng)載作用的毫米波通信系統(tǒng)性能評估

        2022-05-10 01:40:22韓明超張朋波張輝明李皓琰孫國良汲書強
        無線電工程 2022年5期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速系統(tǒng)

        韓明超,張朋波,張輝明,李皓琰,孫國良,汲書強

        (中國信息通信研究院 泰爾實驗室,河北 保定 071000)

        0 引言

        拋物面天線由于結(jié)構(gòu)簡單,易于設(shè)計且性能優(yōu)越,廣泛應(yīng)用于微波中繼和衛(wèi)星毫米波通信系統(tǒng)[1],特別是在5G/B5G時代,無線回傳場景作為5G/B5G毫米波重要應(yīng)用場景之一,拋物面天線對實現(xiàn)城郊、偏遠山區(qū)和海島等“信息孤島”網(wǎng)絡(luò)覆蓋至關(guān)重要。該類型天線工作于露天狀態(tài),頻率高、天線波束角小,對風(fēng)載造成的振動位移極為敏感。風(fēng)載作用導(dǎo)致天線輻射方向偏移,進而影響毫米波系統(tǒng)性能成為一個機電耦合的問題,目前針對拋物面天線系統(tǒng)的機電耦合研究多集中在天線的結(jié)構(gòu)形變和電性能方面[2-6],通過模擬計算天線受振動或環(huán)境因素產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)確定形變,仿真驗證該形變對天線方向性圖和波束寬度等電性能的影響。文獻[7-9]通過數(shù)值計算方法對拋物面天線受風(fēng)空間的隨機風(fēng)進行了時程數(shù)值模擬,并分析了拋物面天線的風(fēng)荷響應(yīng),但并未分析風(fēng)載對通信系統(tǒng)性能的影響;文獻[10]研究了不同迎風(fēng)姿態(tài)、不同風(fēng)速下天線結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)荷載響應(yīng),以及天線面形精度和指向精度的變化,但未考慮風(fēng)載的隨機性。風(fēng)載荷作為隨機載荷,其載荷時程分布直接影響拋物面天線最大偏移角度,天線的角度偏移是隨風(fēng)載作用變化的隨機量,目前隨機風(fēng)對通信系統(tǒng)性能的影響在學(xué)術(shù)上未見相關(guān)研究。本文引入動力增量法,創(chuàng)新性地提出了基于概率可靠度的研究方法,以某單管塔為算例,分析并仿真了隨機風(fēng)對通信系統(tǒng)性能的影響。

        1 分析模型

        1.1 結(jié)構(gòu)模型

        本文分析建模的單管塔塔高19.2 m,由2個塔段構(gòu)成,塔段1和塔段2長度分別為9.4 m和9.8 m,鐵塔主材材料均為Q345,塔體壁厚均為6.2 mm。為精確模擬塔身風(fēng)載荷,對塔身進行分層建模,塔段1自下而上分為10層進行建模,層高和截面積如表1所示。塔段2自下而上同樣分為10層,層高和截面積如表2所示。鐵塔平臺位于第20層,用于掛載移動通信天線、射頻拉遠單元(RRU)等通信設(shè)備。

        表1 塔段1層高與截面積Tab.1 Floor height and sectional area of tower section 1

        表2 塔段2層高與截面積Tab.2 Floor height and sectional area of tower section 2

        本文分析的毫米波系統(tǒng)采用的拋物面天線直徑0.6 m,故拋物面天線截面積為0.283 m2,天線安裝于單管塔第20層平臺處,假設(shè)拋物面天線與鐵塔為剛性連接,并設(shè)平臺處其他移動通信天線等設(shè)備的等效面積為0.7 m2。故鐵塔第20層的迎風(fēng)面積為:

        s20=s′20+s′1+s′2,

        (1)

        式中,s′1,s′2,s′20分別為拋物面天線面積、移動通信天線等設(shè)備截面積和第20層鐵塔截面積。令鐵塔每層的迎風(fēng)面積為si(i=1,2,3,…,20)。

        1.2 風(fēng)載荷模擬

        大氣邊界層內(nèi)自然風(fēng)由平均風(fēng)和脈動風(fēng)2部分組成[11],平均風(fēng)在給定時間內(nèi)方向和強度不隨時間變化,可看作常量;脈動風(fēng)則具有顯著隨機性。針對脈動風(fēng),本文采用工程中最常用的Davenport功率譜進行分析[12],其表達式為:

        (2)

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)10 m處的脈動風(fēng)速時程Fig.1 Time history of fluctuating wind speed at standard 10 m

        圖2 模擬的風(fēng)速功率譜和目標(biāo)譜比對Fig.2 Comparison between simulated wind speed power spectrum and target spectrum

        (3)

        (4)

        式中,α為地面粗糙度指數(shù),本文取0.16,適用于城郊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)。

        綜合以上分析,可得到不同模擬點處的風(fēng)載時程為[14]:

        (5)

        2 角度偏移與功率衰減分析

        2.1 天線角度偏移

        安裝于鐵塔上的拋物面天線由于受到風(fēng)載作用影響會產(chǎn)生位置變化,進而導(dǎo)致輻射方向圖角度偏移。假設(shè)該拋物面天線裝載于單管鐵塔平臺,即第20層處,如圖3所示。第20層鋼材長度為l,在t0時刻天線上邊緣點受風(fēng)載作用偏移距離為Δl2(t0),下邊緣點偏移距離為Δl1(t0),天線輻射法線方向由OA變?yōu)镺′A′,產(chǎn)生的角度偏移為Δθ。分析可知,相對位移Δl(t0)=Δl2(t0)-Δl1(t0)?l,可得:

        (6)

        2.2 系統(tǒng)功率衰減推導(dǎo)

        計算中假設(shè)ezt和ezr分別為發(fā)射天線和接收天線匹配率,e0為電磁傳播中的其他損耗,ep為極化率,有:

        (7)

        發(fā)射天線發(fā)射功率為Pt,在相距r處產(chǎn)生的功率密度為:

        (8)

        接收天線接收到的功率為:

        Pr=St·Ae·ezr·ep,

        (9)

        式中,Ae為接收天線有效面積。

        將式(7)和式(8)帶入式(9)可得接收功率:

        (10)

        式中,ft(θ,φ)和fr(θ,φ)分別為發(fā)射天線和接收天線的歸一化方向圖;Gt和Gr分別為發(fā)射和接收天線最大方向上增益。

        發(fā)射天線受到風(fēng)載作用時,產(chǎn)生了角度偏移Δθ,此時接收天線接收功率值為:

        (11)

        假設(shè)風(fēng)載對天線發(fā)射和接收阻抗無影響,即e′zr=ezr且e′zt=ezt。由于風(fēng)載作用影響,通信系統(tǒng)接收功率衰減對數(shù)值為:

        (12)

        工程實踐中,為獲得最大信噪比,提升系統(tǒng)信道容量,接收天線的最大增益方向指向發(fā)射端,即θ=0,此時ft(0,φ)=1,則式(12)可化簡為:

        Ploss=20|lgft(Δθ,φ)cos Δθ|。

        (13)

        3 風(fēng)載作用下天線偏移計算

        表3 不同風(fēng)速下天線位移對數(shù)正態(tài)分布參數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Parameter statistics of lognormal distribution of antenna displacement under different wind speeds

        由表3可知,

        (14)

        進而可得到Δl的概率密度函數(shù)為:

        (15)

        4 系統(tǒng)性能分析結(jié)果

        4.1 系統(tǒng)可靠度分析

        假定某毫米波通信系統(tǒng),發(fā)射天線為某型號拋物面天線,天線直徑d=0.6 m,焦距比f=0.45,中心頻點f0=75 GHz,且饋源方向圖軸對稱,如圖4所示,其中O為拋物面截面中心點,F(xiàn)為拋物面焦點,則其方向圖函數(shù)為[15]:

        (16)

        圖4 拋物面天線幾何關(guān)系Fig.4 Geometric relationship of paraboloid antenna

        式中,θm為拋物面天線張角,且:

        (17)

        將式(16)進行歸一化并與式(17)帶入式(13),可得風(fēng)載作用下系統(tǒng)功率衰減值:

        (18)

        式中,歸一化因子

        β=fmax(θ,φ)=f(0,φ)=0.405 4。

        (19)

        在無線通信系統(tǒng)中,一般采用系統(tǒng)中斷概率來衡量通信系統(tǒng)可靠度,中斷概率定義為系統(tǒng)的信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)γ小于解調(diào)信噪比門限γd的概率,系統(tǒng)信噪比容限用γlimit表示,則γlimit=γ-γd,風(fēng)載作用影響下系統(tǒng)的功率衰減超過系統(tǒng)容限時,會導(dǎo)致系統(tǒng)通信中斷,中斷概率為:

        (20)

        由式(6)、式(13)和方向圖函數(shù)式(18)可知,功率衰減值Ploss是Δl的單調(diào)函數(shù),則式(20)可寫成:

        站在2018年的歲尾回望一路走來的歷程,我相信,自豪感會充斥在每一個人的心中。而面對未來,我們的任務(wù)將更加艱巨,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和智慧工廠等全新的詞匯出現(xiàn)在大眾視野中,學(xué)習(xí)創(chuàng)新是必不可少的,這一代人肩負著由大到強的光榮使命,站在新的轉(zhuǎn)折點上,很多企業(yè)都積極進行技術(shù)改革創(chuàng)新,抓住時代機遇。

        (21)

        圖5 不同風(fēng)速和信噪比容限下系統(tǒng)中斷概率Fig.5 System outage probability under different wind speeds and SNR tolerance

        圖6 不同風(fēng)速和信噪比容限下系統(tǒng)中斷概率Fig.6 System outage probability under different wind speeds and SNR tolerance

        信噪比容限為5 dB時,系統(tǒng)的中斷概率擬合函數(shù)為:

        (22)

        信噪比容限為10 dB時,系統(tǒng)的中斷概率擬合函數(shù)為:

        (23)

        信噪比容限為20 dB時,系統(tǒng)的中斷概率擬合函數(shù)為:

        (24)

        4.2 系統(tǒng)信道容量分析

        (25)

        式中,γ為信噪比;B為信道帶寬;功率衰減值Ploss是Δl的單調(diào)函數(shù),則退化信道容量可達到原容量DC時的概率為:

        (26)

        式中,Δl′limit為信道容量退化為DC時的天線相對位移。依據(jù)表3、式(18)和式(26)可分別計算得到當(dāng)信噪比γ為10,20,30 dB時,退化信道容量可達到DC時的概率,結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。

        圖9 信噪比30 dB時風(fēng)速與信道容量退化概率關(guān)系Fig.9 Relationship between wind speed and channel capacity degradation probability under 30 dB SNR

        5 結(jié)束語

        針對風(fēng)載作用的隨機性,創(chuàng)新性地提出了一種基于概率可靠度的毫米波通信系統(tǒng)性能評估和計算方法,通過本文的評估方法實例分析可得到以下結(jié)論:

        ① 風(fēng)載作用會造成毫米波系統(tǒng)接收功率衰減,隨著風(fēng)速的增加系統(tǒng)中斷概率增大,系統(tǒng)的信噪比容限越高,受風(fēng)載作用時中斷的概率越小,即系統(tǒng)通信可靠度越高。

        ② 風(fēng)載作用會導(dǎo)致系統(tǒng)信道容量退化,相同信噪比時,風(fēng)速越大,信道維持特定通信容量的概率越低;當(dāng)風(fēng)速一定時,信道信噪比越高,信道維持特定通信容量的概率越高。

        ③ 從系統(tǒng)中斷概率和信道容量角度,給出了風(fēng)載作用下毫米波系統(tǒng)性能的評估結(jié)果,根據(jù)評估結(jié)果可合理調(diào)整系統(tǒng)天線掛高來減小風(fēng)載作用時天線的偏移角度,或提高系統(tǒng)發(fā)射功率余量來增大系統(tǒng)信道信噪比,以保證系統(tǒng)的無線通信可靠度和通信容量。

        ④ 計算實例中設(shè)定單管塔為系統(tǒng)天線安裝載體,對三管塔和角鋼塔工況同樣適用,可覆蓋我國所有主流塔型掛載場景。該方法可用于評估5G毫米波回傳系統(tǒng)的可靠度和信道容量,亦適用于微波中繼系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能評估,對毫米波系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)評估和規(guī)劃具有較強的工程指導(dǎo)意義。

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