一、雨衰的概念

在無線通信中，當(dāng)工作頻率高于1GHz以上，除了存在自由空間損耗和大氣吸收外，還必須考慮另一種衰減，即降雨引起的衰減，稱為雨衰減。工作頻率越高，其雨衰對電波傳播的影響越嚴(yán)重。依據(jù)國際電聯(lián)（ITU）《無線電規(guī)則》頻段的劃分，1GHz以上頻段正好屬于微波頻段。在微波頻段，我們常用的通信系統(tǒng)有：視距微波接力通信系統(tǒng)；地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)；固定無線接入系統(tǒng)；等等。尤其是像工作在Ku、Ka的衛(wèi)星通信等，雨衰將嚴(yán)重的影響著衛(wèi)星鏈路的性能。

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1、關(guān)于雨衰的吸收衰減雨散射衰減

雨衰，是指無線電波進(jìn)入雨層中引起的衰減。它包括雨粒吸收引起的衰減和雨粒散射引起的衰減。雨粒吸收引起的衰減是由于雨粒具有介質(zhì)損耗引起的，雨粒散射引起的衰減是由于電波碰到雨粒時(shí)被雨粒反射而再反射引起的。這種二次發(fā)射的電波入射波與反射波方向無關(guān)，這是四面八方發(fā)射的，這就是所謂的二次散射。由于二次散射，在原來的方向上入射的電波就被衰減了。雨衰的大小與雨滴直徑與波長的比值有著可比性關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。

雨衰主要是吸收衰減，大部分表現(xiàn)為熱損耗。當(dāng)電波的波長可以和雨粒的幾何尺寸相比擬時(shí)，將引起雨粒共振，則產(chǎn)生最大的衰減。但實(shí)際上雨粒有大有小，而作為介質(zhì)，無論雨粒大小它都要吸收能量的。所以根據(jù)實(shí)測與統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，雨粒的吸收衰減比散射衰減要大。

嚴(yán)格來講，雨對電磁波傳播的影響不單純是對其衰減，還會(huì)引起噪聲溫度的增加和產(chǎn)生去極化現(xiàn)象。這些都影響電磁波的傳輸質(zhì)量，所以廣義的雨衰應(yīng)包括三方面，即降雨衰減、降雨噪聲及去極化現(xiàn)象。但降雨衰減是主要的。

2、關(guān)于雨衰預(yù)測的兩個(gè)參數(shù)：雨強(qiáng)（R_P）和降雨出現(xiàn)概率（p%）

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮一定的鏈路余量，此時(shí)就要進(jìn)行雨衰的預(yù)測和計(jì)算等分析。與降雨衰減大小密切相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)是降雨率R_P（mm/h，每小時(shí)毫米）和降雨出現(xiàn)時(shí)間概率p%（無量綱）。R_P也稱為雨強(qiáng)，當(dāng)p取值0.01時(shí)，雨強(qiáng)R_P應(yīng)為R_0.01，表明全年0.01%時(shí)間超過1mm的雨強(qiáng)。

二、Crane模型

為了降雨衰減預(yù)測，有關(guān)國際組織已經(jīng)提出了多個(gè)全球氣候模型。下圖2是一種Crane模型，它依據(jù)多年的降雨統(tǒng)計(jì)資料，將全球劃分為極區(qū)、溫帶、熱帶、大陸性、海洋性、潮濕、干燥等8類地區(qū)，即A、B、C、D、E、F、G、H類，又將D類細(xì)分為D₁、D₂、D₃三個(gè)小區(qū)。Crane模型下，各類降雨地區(qū)的R_P與出現(xiàn)年時(shí)間概率p%的關(guān)系詳見下表2。

圖2：全球降雨率氣候區(qū)分布圖（Crane模型）

表2：各類降雨地區(qū)的RP與出現(xiàn)年時(shí)間概率p%的關(guān)系（Crane模型）

三、ITU的相關(guān)要求

1、雨區(qū)的劃分

由于世界各地的降雨量、降雨概率差別很大，后來ITU又進(jìn)行了雨區(qū)劃分，將全球分為從A到Q等15類區(qū)域，其中亞洲區(qū)域的降雨分布圖詳見下圖3-1，由圖可知，由于我國幅員遼闊，就占了C、E等5個(gè)區(qū)。ITU發(fā)布的各類區(qū)降雨率R_P與年時(shí)間概率p%的關(guān)系詳見下表3-1。

圖 3-1：亞洲地區(qū)的降雨率氣候區(qū)分布圖（ITU發(fā)布）

表 3-1：ITU發(fā)布的各類區(qū)降雨率RP與年時(shí)間概率p%的關(guān)系

2、雨衰的計(jì)算

影響降雨衰減大小的主要因素，除了與當(dāng)?shù)氐慕涤曷史植加嘘P(guān)外，還與降雨區(qū)云層厚度、降雨區(qū)范圍雨點(diǎn)大小、電磁波工作頻率和極化方式等因素。ITU推薦的降雨衰減計(jì)算公式為：

Ar (dB) = aR_P^b·Le = α·Le

其中，α為雨區(qū)單位長度的衰減（dB/km）；系數(shù)a、b與工作頻率、雨點(diǎn)大小、極化方式有關(guān)，其對應(yīng)關(guān)系數(shù)值詳見下表3-2；Le為有效傳輸路徑長度（km），它與降雨云層厚度、降雨區(qū)范圍、地球站天線仰角等數(shù)值有關(guān)。

表 3-2：用于計(jì)算雨衰的工作頻率、極化方式和系數(shù)a、b值對應(yīng)關(guān)系表

實(shí)測結(jié)果表明：雨滴的半徑約在0.025cm~0.3cm。C波段的電波波長在7.5cm左右，與雨滴半徑相關(guān)較大，因此受降雨影響較小，一般小于2dB；Ku波段內(nèi)電波的波長在2.5cm左右，故降雨對電波產(chǎn)生的影響比較明顯，最大可達(dá)20dB。 因此，Ku波段信號由于波長的原因比C波段信號受雨水的影響大。

四、我國的相關(guān)要求

在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14617.3《陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)傳播特性 第3部分：視距微波接力通信系統(tǒng)傳播特性》中，直接給出了我國全年p%時(shí)間超過的雨衰減A_p的計(jì)算公式。同時(shí)，在其附錄A《中國雨強(qiáng)和水汽密度分布》（規(guī)范性附錄）中，給出了我國在雨強(qiáng)和水汽密度方面的相關(guān)數(shù)據(jù)（如：雨強(qiáng)等值線圖、雨氣候區(qū)劃分、典型站點(diǎn)雨強(qiáng)積累分布、最壞月份雨強(qiáng)分布、雨區(qū)尺度、雨反射率因子及其等值線圖、水汽密度等值線圖，等等）。另外，在其附錄B《雨強(qiáng)分布和衰減率參數(shù)的確定》（資料性附錄）中又給出有關(guān)雨強(qiáng)的相關(guān)內(nèi)容要求。

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