面向风载作用的毫米波通信系统性能评估

2022-05-10韩明超张朋波张辉明李皓琰孙国良汲书强

无线电工程 2022年5期

韩明超，张朋波，张辉明，李皓琰，孙国良，汲书强

(中国信息通信研究院泰尔实验室，河北保定 071000)

0 引言

抛物面天线由于结构简单，易于设计且性能优越，广泛应用于微波中继和卫星毫米波通信系统[1]，特别是在5G/B5G时代，无线回传场景作为5G/B5G毫米波重要应用场景之一，抛物面天线对实现城郊、偏远山区和海岛等“信息孤岛”网络覆盖至关重要。该类型天线工作于露天状态，频率高、天线波束角小，对风载造成的振动位移极为敏感。风载作用导致天线辐射方向偏移，进而影响毫米波系统性能成为一个机电耦合的问题，目前针对抛物面天线系统的机电耦合研究多集中在天线的结构形变和电性能方面[2-6]，通过模拟计算天线受振动或环境因素产生的结构确定形变，仿真验证该形变对天线方向性图和波束宽度等电性能的影响。文献[7-9]通过数值计算方法对抛物面天线受风空间的随机风进行了时程数值模拟,并分析了抛物面天线的风荷响应，但并未分析风载对通信系统性能的影响；文献[10]研究了不同迎风姿态、不同风速下天线结构的平均风荷载响应，以及天线面形精度和指向精度的变化，但未考虑风载的随机性。风载荷作为随机载荷，其载荷时程分布直接影响抛物面天线最大偏移角度，天线的角度偏移是随风载作用变化的随机量，目前随机风对通信系统性能的影响在学术上未见相关研究。本文引入动力增量法，创新性地提出了基于概率可靠度的研究方法，以某单管塔为算例，分析并仿真了随机风对通信系统性能的影响。

1 分析模型

1.1 结构模型

本文分析建模的单管塔塔高19.2 m，由2个塔段构成，塔段1和塔段2长度分别为9.4 m和9.8 m，铁塔主材材料均为Q345，塔体壁厚均为6.2 mm。为精确模拟塔身风载荷，对塔身进行分层建模，塔段1自下而上分为10层进行建模，层高和截面积如表1所示。塔段2自下而上同样分为10层，层高和截面积如表2所示。铁塔平台位于第20层，用于挂载移动通信天线、射频拉远单元(RRU)等通信设备。

表1 塔段1层高与截面积Tab.1 Floor height and sectional area of tower section 1

表2 塔段2层高与截面积Tab.2 Floor height and sectional area of tower section 2

本文分析的毫米波系统采用的抛物面天线直径0.6 m，故抛物面天线截面积为0.283 m2，天线安装于单管塔第20层平台处，假设抛物面天线与铁塔为刚性连接，并设平台处其他移动通信天线等设备的等效面积为0.7 m2。故铁塔第20层的迎风面积为:

s20=s′20+s′1+s′2,

(1)

式中，s′1，s′2，s′20分别为抛物面天线面积、移动通信天线等设备截面积和第20层铁塔截面积。令铁塔每层的迎风面积为si(i=1,2,3，…，20)。

1.2 风载荷模拟

大气边界层内自然风由平均风和脉动风2部分组成[11]，平均风在给定时间内方向和强度不随时间变化，可看作常量；脉动风则具有显著随机性。针对脉动风，本文采用工程中最常用的Davenport功率谱进行分析[12]，其表达式为：

(2)

图1 标准10 m处的脉动风速时程Fig.1 Time history of fluctuating wind speed at standard 10 m

图2 模拟的风速功率谱和目标谱比对Fig.2 Comparison between simulated wind speed power spectrum and target spectrum

(3)

(4)

式中，α为地面粗糙度指数，本文取0.16，适用于城郊和乡镇地区。

综合以上分析，可得到不同模拟点处的风载时程为[14]：

(5)

2 角度偏移与功率衰减分析

2.1 天线角度偏移

安装于铁塔上的抛物面天线由于受到风载作用影响会产生位置变化，进而导致辐射方向图角度偏移。假设该抛物面天线装载于单管铁塔平台，即第20层处，如图3所示。第20层钢材长度为l，在t0时刻天线上边缘点受风载作用偏移距离为Δl2(t0)，下边缘点偏移距离为Δl1(t0)，天线辐射法线方向由OA变为O′A′，产生的角度偏移为Δθ。分析可知，相对位移Δl(t0)=Δl2(t0)-Δl1(t0)≪l，可得：

(6)

2.2 系统功率衰减推导

计算中假设ezt和ezr分别为发射天线和接收天线匹配率，e0为电磁传播中的其他损耗，ep为极化率，有：

(7)

发射天线发射功率为Pt，在相距r处产生的功率密度为：

(8)

接收天线接收到的功率为：

Pr=St·Ae·ezr·ep，

(9)

式中，Ae为接收天线有效面积。

将式(7)和式(8)带入式(9)可得接收功率：

(10)

式中，ft(θ,φ)和fr(θ,φ)分别为发射天线和接收天线的归一化方向图；Gt和Gr分别为发射和接收天线最大方向上增益。

发射天线受到风载作用时，产生了角度偏移Δθ，此时接收天线接收功率值为：

(11)

假设风载对天线发射和接收阻抗无影响，即e′zr=ezr且e′zt=ezt。由于风载作用影响，通信系统接收功率衰减对数值为：

(12)

工程实践中，为获得最大信噪比，提升系统信道容量，接收天线的最大增益方向指向发射端，即θ=0，此时ft(0,φ)=1，则式(12)可化简为：

Ploss=20|lgft(Δθ,φ)cos Δθ|。

(13)

3 风载作用下天线偏移计算

表3 不同风速下天线位移对数正态分布参数统计Tab.3 Parameter statistics of lognormal distribution of antenna displacement under different wind speeds

由表3可知，

(14)

进而可得到Δl的概率密度函数为：

(15)

4 系统性能分析结果

4.1 系统可靠度分析

假定某毫米波通信系统，发射天线为某型号抛物面天线，天线直径d=0.6 m，焦距比f=0.45，中心频点f0=75 GHz，且馈源方向图轴对称，如图4所示，其中O为抛物面截面中心点，F为抛物面焦点，则其方向图函数为[15]：

(16)

图4 抛物面天线几何关系Fig.4 Geometric relationship of paraboloid antenna

式中，θm为抛物面天线张角，且:

(17)

将式(16)进行归一化并与式(17)带入式(13),可得风载作用下系统功率衰减值：

(18)

式中，归一化因子

β=fmax(θ,φ)=f(0,φ)=0.405 4。

(19)

在无线通信系统中，一般采用系统中断概率来衡量通信系统可靠度，中断概率定义为系统的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)γ小于解调信噪比门限γd的概率，系统信噪比容限用γlimit表示，则γlimit=γ-γd，风载作用影响下系统的功率衰减超过系统容限时，会导致系统通信中断，中断概率为：

(20)

由式(6)、式(13)和方向图函数式(18)可知，功率衰减值Ploss是Δl的单调函数，则式(20)可写成：

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(21)