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影响信道容量因素仿真分析

目录

TOC\o1-3\h\u30413影响信道容量因素仿真分析 1

248881.1引言 1

141131.2降雨衰减 1

116721.3仿真分析 5

1.1引言

卫星信号在从深空到地面的传播过程中，会受到诸多因素的影响，如自由空间传播损耗、大气衰减、降雨衰减、降雪衰减等。这些因素都会使得信号受到不同程度的衰落，从而使信号的信噪比降低，进而使通信系统的有效性、可靠性都变差。由于卫星通信的特殊性，这些因素的影响都不可彻底消除，但是我们可以通过具体措施，尽可能降低它们的影响。因此，建立准确、有效的模型，研究降雨、大气衰减等因素对通信的具体影响，对提高系统通信质量，尤其是卫星通信质量具有重要的意义。

降雨、大气损耗等都存在一定的不可预测性，具体所处的地理位置不同，衰减程度也会有很大不同。因此目前有很多模型研究不同地区的降雨、大气等衰减大小。在众多研究各种衰落对卫星影响的模型中，ITU-R模型作为国际通用标准，使用极其广泛，并且有其不可替代的优势：输入参数少，计算简洁，符合工程习惯等。

1.2降雨衰减

由于雨衰的时间、空间上的不均匀性，使得预测雨衰大小变得极为复杂。如何寻找建立简洁、有效的预测模型来描述降雨衰减成为亟待解决的问题。预测降雨衰减有多种不同模型。其中，ITU-R模型是目前国际上使用最广泛的模型。它具有诸多优点：预测雨衰准确度高、输入参数少、计算较简洁、使用符合工程习惯等。

ITU-R模型预测降雨衰减的核心思想：将路径长度进行等效，从而使得降雨衰减的非均匀性变得均匀。然后使用单位长度的降雨衰减乘以等效后的路径长度，就可以计算得出预测的降雨衰减总量。它是收集大量的当地降雨衰减统计的实验数据，进行整理、分析得出相应的计算公式，再利用降雨衰减模型得出降雨衰减的预测值。

ITU-R降雨衰减预测模型所需参数如表4-1所示，具体计算步骤如下REF_Ref3299\r\h[15]REF_Ref3305\r\h[16]REF_Ref3309\r\h[17]：

第一步：通过所使用的地球站的纬度Ψ来计算雨顶高度hR，单位为km：

hR(km)5?0.075(φ?23)

表4-1降雨衰减预测模型所需参数

R0.01:地面站年均0.01%时间分钟降雨率

Hs：所使用的地面站的海拔高度

Φ1：所使用的卫星所在点的经度

Φ2：所使用的地面站的经度

Θ：所使用的天线的仰角

Ψ：所使用的地面站的纬度

f：卫星通信系统所使用的工作频率

Re：地球等效半径，默认为8500km

第二步：通过上式计算出的雨顶高度，计算雨顶下斜路径长度，单位为km：

θ≥5o

第三步：通过上式计算出的雨顶下写路径长度，计算斜路径的水平投影LG，单位为km：

LG=

第四步：根据通过实验获得的地面站年平均0.01%时间分钟降雨率，计算0.01%时间概率点降雨率的特征衰减，单位为dB/km：

γR=

第五步：计算0.01%时间概率的水平缩短因子：

γ0.01=

第六步：根据之前计算得出的雨顶高度hR等，计算0.01%时间概率的垂直因子：

v0.01=

第七步：通过之前计算出的相关数值，计算有效路径长度，单位为km：

LE=LRv

第八步：计算0.01%时间概率降雨衰减A0.01，单位为dB：

A0.01=

第九步：通过上式计算出的A0.01，预测时间概率为0.001%-10%的降雨衰减Ap

由上述分析，最终可以得出，p%时间的降雨衰减为：

如果p≥1%，则β=0；

如果p1%，

β=0|φ

则p%时间内的降雨衰减为：

Ap=

1.3大气损耗

大气损耗时信号在传播途中，发生的连续性的损耗。同降雨衰减相同，计算大气损耗时也应该先计算出大气损耗率再对路径进行积分，最终计算出整个路径上的损耗。

具体计算步骤如下REF_Ref3299\r\h[15]REF_Ref3305\r\h[16]：

干燥空气中的衰减率为：

γ0=[

上式中,f表示为品味，GHz，rp表示大气的相对压强，rt

其中，剩下的参数计算方式如下：

ξ1=

ξ2=

ξ3=

其中，φ表示为：

φ（r

水汽吸收衰减率为：

γw

其中系数表示为：

η1

η1

g(f,f

其中ρ为水汽密度。

对于卫星地面间的链路而言，总衰减为：

A=γ0

h0以及hw表示干燥空气和水汽的等效高度。

在频率小于70GHz时：

?o=10.7

当频率小于350Ghz时，hw表示为：

?w=1.66(1+

其中,σw

σw=

1.3仿真分析

根据上述ITU-R模型对于降雨衰减的具体计算步骤，仿真分析了降雨量为50mm/h时不同频率下各种衰减的具体大小，如图4-1所示。根据分