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cranerainpl

Crane モデルを使用した降雨による RF 信号の減衰

R2020a 以降

構文

L = cranerainpl(range,freq,rainrate)

L = cranerainpl(range,freq,rainrate,elev)

L = cranerainpl(range,freq,rainrate,elev,tau)

説明

L = cranerainpl(range,freq,rainrate) は、Crane 降雨モデル[1]に基づく降雨による信号の減衰 L を返します。信号の減衰は、信号のパス長 range、信号周波数 freq および降雨強度 rainrate の関数です。降雨強度は、長期統計の降雨強度として定義されます。減衰モデルは 1 GHz ～ 1000 GHz の周波数に対してのみ適用され、22.5 km までの範囲で有効です。Crane モデルでは、暴風雨のセル (細胞) 的な特性が考慮されます。

L = cranerainpl(range,freq,rainrate,elev) は、信号パスの仰角 elev も指定します。

L = cranerainpl(range,freq,rainrate,elev,tau) は、信号の偏波角 tau も指定します。

例

Crane モデルを使用した 2 つの降雨強度の減衰の比較

Crane 降雨モデルを使用して、10 km の距離にわたって送信される 20 GHz の信号に対する降雨による信号減衰を計算します。降雨強度 10.0 および 100.0 mm/hr を使用します。

まず、降雨強度を 10 mm/hr に設定します。

rr = 10.0;
L = cranerainpl(10e3,20.0e9,rr)

L = 12.5988

降雨強度 100.0 mm/hr を使用して計算を繰り返します。

rr = 100.0;
L = cranerainpl(10e3,20.0e9,rr)

L = 73.1912

Crane モデルを使用した周波数の関数としての降雨減衰

周波数範囲が 1-1000 GHz の信号について、降雨による信号の減衰をプロットします。Crane モデルを使用して、降雨強度が 30.0 mm/hr、信号パスの距離が 10 km の場合の減衰を計算します。

rr = 30.0;
freq = [1:1000]*1e9;
L = cranerainpl(10e3,freq,rr);
semilogx(freq/1e9,L)
grid
xlabel('Frequency (GHz)')
ylabel('Attenuation (dB)')

Crane モデルを使用した仰角の関数としての降雨減衰

仰角の関数として、降雨による信号の減衰をプロットします。仰角は、0 度から 90 度に変化します。パスの距離を 10 km とし、信号の周波数を 10 GHz とします。降雨強度は 100 mm/hr です。

rr = 100.0;

仰角、周波数、パス長を設定します。

elev = [0:1:90];
freq = 10.0e9;
rng = 10e3*ones(size(elev));

損失を計算およびプロットします。

L = cranerainpl(rng,freq,rr,elev);
plot(elev,L)
grid
xlabel('Path Elevation (degrees)')
ylabel('Attenuation (dB)')

Crane モデルを使用した偏波の関数としての降雨減衰

偏波角の関数として、降雨による信号の減衰をプロットします。パスの距離を 10 km とし、信号の周波数を 10 GHz、パスの仰角を 0 度とします。降雨強度を 70 mm/hr に設定します。偏波角に対する信号の減衰をプロットします。

偏波角は、0 度から 90 度に変化するように設定します。

tau = -90:90;

仰角、周波数、パスの距離、および降雨強度を設定します。

elev = 0;
freq = 10.0e9;
rng = 10e3*ones(size(tau));
rr = 70.0;

減衰を計算およびプロットします。

L = cranerainpl(rng,freq,rr,elev,tau);
plot(tau,L)
grid
xlabel('Tilt Angle (degrees)')
ylabel('Attenuation (dB)')

入力引数

range — 信号のパス長

正のスカラー | 正の値の実数値 1 行 M 列ベクトル | 正の値の実数値 M 行 1 列ベクトル

信号のパス長。正のスカラー、正の値の実数値 1 行 M 列ベクトル、または正の値の実数値 M 行 1 列ベクトルとして指定します。単位はメートルです。

例: [13000.0,14000.0]

freq — 信号周波数

正のスカラー | 正の値の実数値 1 行 N 列ベクトル | 正の値の実数値 N 行 1 列ベクトル

信号周波数。正のスカラー、正の値の実数値 1 行 N 列ベクトル、または正の値の実数値 N 行 1 列ベクトルとして指定します。単位は Hz です。周波数は 1-1000 GHz の範囲でなければなりません。

例: [2.0:2:10.0]*1e9]

rainrate — 降雨強度

非負のスカラー

降雨強度。非負のスカラーとして指定します。降雨強度は、Crane が提供している長期統計の降雨強度を表します ([1]を参照)。単位は mm/hr です。

例: 100.5

elev — 信号パスの仰角

0.0 (既定値) | スカラー | 実数値 1 行 M 列ベクトル | 実数値 M 行 1 列ベクトル

信号のパスの仰角。実数値スカラー、実数値 M 行 1 列ベクトル、または実数値 1 行 M 列ベクトルとして指定します。単位は –90°から 90°までの度数です。

• elev がスカラーの場合、すべての伝播パスが同じ仰角をもちます。

• elev がベクトルの場合、その長さは range の長さに一致しなければならず、elev 内の各要素は伝播範囲に対応します。

例: [0,45]

tau — 信号の楕円偏波の傾斜角

0.0 (既定値) | スカラー | 実数値 1 行 M 列ベクトル | 実数値 M 行 1 列ベクトル

信号の楕円偏波の傾斜角。スカラー、実数値 1 行 M 列ベクトル、または実数値 M 行 1 列ベクトルとして指定します。傾斜角の値は、–90° 以上 90° 以下の範囲内です。単位は度数です。

• tau がスカラーの場合、すべての信号が同じ傾斜角をもちます。

• tau がベクトルの場合、その長さは range の長さに一致しなければなりません。この場合、tau の各要素は、range の伝播パスに対応している必要があります。

傾斜角は、楕円偏波の長半径と x 軸の間の角度として定義されます。楕円は対称であるため、10° の傾斜角は、-80° の状態の偏波に対応します。したがって、傾斜角は ±90°の間の指定しか必要としません。

例: [45,30]

出力引数

L — 信号の減衰

実数値の M 行 N 列の行列

信号の減衰。実数値の M 行 N 列の行列として返されます。各行列の行は、異なるパスを表します。ここで、M はパスの数です。各列は、異なる周波数を表します。ここで、N は周波数の数です。単位は dB です。

詳細

Crane 降雨減衰モデル

Crane モデルは、降雨領域を通って伝播する信号の減衰を計算します。このモデルは、地球と宇宙間または地球上の伝播パスに対して使用するために開発された、降雨減衰の計算に広く使用されている手法です。このモデルは、降雨強度、降雨構造、および大気温度の鉛直変動の観測値に基づきます。Crane モデル (『Electromagnetic Wave Propagation through Rain』を参照) は、主に北米に適用されます。Crane モデルでは一般に、関数 rainpl で使用される ITU 降雨減衰モデルを上回る損失が予測されます。ただし、両方のモデルの不確実性とフェージングの短期的変動は大きくなる可能性があります。

ITU モデルと Crane モデルはよく似ていますが、違いがいくつかあります。ITU と Crane の降雨減衰モデルはどちらも降雨強度の年間統計を必要とし、暴風雨のセル (細胞) 的な特性を考慮するために有効なパス長の減少係数を利用します。Crane と ITU が提供する降雨強度の 0.01% 値の表は異なります。Crane 降雨ゾーンは ITU 降雨ゾーンと似ていますが、ITU モデルよりも多くのゾーンが米国に定義されています。ITU 降雨ゾーンについては、次で説明されています。『ITU-R P.838-3: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods』。Crane モデルの方が複雑で、指数関数からなるパス プロファイルの区分的な組み合わせで構成されます。

Crane モデルは、2 つの指数関数を利用して 0 ～ 22.5 km の距離に対応します。

• δ < D < 22.5 の場合:

  $$L=\gamma \left(\frac{e^{y\delta }-1}{y}-\frac{b^{\alpha }{e}^{z\delta }}{z}+\frac{b^{\alpha }{e}^{zD}}{z}\right)$$

• 0 < D < δ の場合:

  $$L=\gamma \left(\frac{e^{yD}-1}{y}\right)$$

ここで

• L = パス減衰 (dB)

• 𝐷 = 伝播距離 (km)

• R = 統計上の降雨強度の 0.01% 値 (mm/hr)

• γ = rainpl (Phased Array System Toolbox) で計算されるものと同じ特定の減衰。

  $${\gamma }_R=k{R}^{\alpha },$$

  パラメーター k および α は、周波数、偏波の状態、信号パスの仰角によって異なります。これらの係数は、Crane の『Electromagnetic Wave Propagation through Rain』と、『ITU-R P.838-3: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods』の両方で同一のものが指定され、1 ～ 1000 GHz の範囲で有効です。特定の減衰モデルは、1–1000 GHz の周波数に対して有効です。降雨固有の減衰は、次の ITU 降雨モデルに従って計算されます。『ITU-R P.838-3: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods』。

残りのパラメーターは、次のように定義される実験定数です。

• b = 2.3R^-0.17

• c = 0.026 - 0.03ln R

• δ = 3.8 - 0.6 ln R

• u = ln (be^cδ)/δ

• y = αu

• z = αc

パスに沿った狭帯域信号の合計の減衰を計算するために、関数は伝播距離を特定の減衰にかけます。

この減衰モデルは、広帯域信号にも適用できます。最初に、広帯域信号を周波数サブバンドに分割し、各サブバンドに減衰を適用します。次に、すべての減衰したサブバンド信号を足して、合計の減衰した信号を算出します。

参照

[1] Crane, Robert K. Electromagnetic Wave Propagation through Rain. Wiley, 1996.

[2] Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P.838-3: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods. P Series, Radiowave Propagation 2005.

[3] Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P.530-17: Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems. 2017.

[4] Radiocommunication Sector of International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P.837-7: Characteristics of precipitation for propagation modelling. 6/2017

拡張機能

C/C++ コード生成

MATLAB® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

使用上の注意および制限:

可変サイズ入力はサポートしません。

バージョン履歴

R2020a で導入

参考

fspl | gaspl | fogpl | rainpl