Ka 波段地面鏈路降雨效應與植被遮蔽
效應之研究

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畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

Ka 波段地面鏈路降雨效應與植被遮蔽效應之研究
(None )

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摘要(中)

隨著無線多媒體網際網路應用的日益頻繁，地面微波通訊的應用
上日趨重要，由於頻譜之擁擠，世界各國均傾向採用Ka(26~40GHz)
波段。不過此一波段信號在地表大氣通道傳播時，容易受到自然環境
因素影響，其中又以降雨和植被遮蔽造成的信號衰減情況最為嚴重，
所以本文將針對降雨和植被遮蔽的效應進行討論。
在降雨效應部分，本文利用實際架設的Ka 波段地面鏈路來量測
降雨效應所造成的信號衰減，並且統計由中央氣象局所提供的中壢地
區及台灣北、中、南三區的十數年逐時降雨分佈，並與國際上常用的
ITU-R 與Crane 模式作比較後，發現兩者皆有明顯高估之情形，所以
本文基於本地實驗結果，嘗試修正ITU-R 與Crane 模式的係數，以符
合中壢地區真實的降雨分佈與降雨衰減；另外由於中央氣象局提供的
資料為逐時資料，但在通訊上使用逐分資料較為恰當，所以發展了逐
時與逐分資料的轉換，經由轉換中壢地區十數年的逐時資料為逐分資
料後，我們建議中壢地區降雨分佈的R0.01 值為71mm/hr。
在植被遮蔽效應部分，分別針對各主要樹種(混和、闊葉、針葉
林)進行量測信號穿透的衰減與機率分佈，實驗結果發現其有效衰減
ii
分別為7.24dB/m、9.67dB/m 與1.51dB/m；而在機率分佈上，三種主
要樹種皆偏向於Gamma 分佈。

摘要(英)

Because there are more and more applied in the wireless internet
multimedia application. It is more important in the terrestrial microwave
communication. But, because the crowded of the spectrum, many people
tend to choice the Ka-band(26-40GHz) for the application. But this band
is easily to be influenced by the environment, when it transferred in the
atmosphere. Which the most obvious is the attenuation by the rain or the
vegetations. In this article, we will discuss some effect of the rain and the
vegetations.
In the rain effect. We build up a Ka-band terrestrial link to measure
the signal attenuation by rain. We also made the statistics distribution of
the hourly rain rate in Jung-Li, Taipei, Taichung, and Kaoshung(data
offered by CWB). Compared with the most used ITU-R and Crane model,
we find that both them are overestimate. So we try to modify the
coefficients in the ITU-R and Crane model to match the local experiment.
The other side, the data offered by CWB are hourly data, but it is more
appropriate to use minutely data in communication analysis. We also
develop a conversion model to convert the hourly data to minutely data.
After we convert 10 years data in Jung-Li, we suggest that the R0.01 value
in Jung-Li should be 71mm/hr.
In the vegetations effect. We measure the attenuation and made the
probability distribution pass through the mixed, deciduous, and
coniferous trees. We find the effective attenuation rate is 7.24dB/m in
mixed trees, 9.67dB/m in deciduous trees, 1.51dB/m in coniferous trees.
We also find the probability distribution is most fitted to Gamma
distribution in all three types of trees.

關鍵字(中)

★ Ka
★ 降雨
★ 植被

關鍵字(英)

論文目次

iv
摘要:...............................................................................................................................i
圖片目錄.......................................................................................................................vi
表格目錄........................................................................................................................x
第一章緒論..............................................................................................................1
1.1 研究目的........................................................................................................1
1.2 文獻回顧........................................................................................................2
1.3 內容簡介........................................................................................................4
第二章Ka 波段量測系統.........................................................................................5
2.1 信號發射端....................................................................................................6
2.2 信號接收端..................................................................................................10
2.3 雨量計..........................................................................................................15
2.4 資料儲存及控制軟體...................................................................................19
第三章降雨效應實驗與降雨率分佈統計..............................................................21
3.1 實驗使用設備...............................................................................................21
3.2 量測系統參數..............................................................................................21
3.3 實驗設備架設位置.......................................................................................22
3.4 實驗方法.......................................................................................................23
3.5 資料分析.......................................................................................................23
3.5.1 降雨分佈統計.........................................23
3.5.2 降雨衰減.............................................31
第四章降雨效應實驗結果討論與應用..................................................................35
4.1 降雨衰減模型...............................................................................................35
4.1.1 ITU-R 降雨分佈模型...................................35
4.1.2 全球降雨率模型(Crane model)..........................39
4.2 降雨效應實驗結果與應用..........................................................................44
4.2.1 實際降雨分佈與Model 之比較..........................44
4.2.2 修正ITU-R 參數與Rain rate conversion model .........45
4.2.3 修正Crane model 參數來真實描述降雨衰減..............52
第五章植被遮蔽效應實驗......................................................................................55
5.1 實驗使用設備..............................................................................................55
5.2 量測系統參數..............................................................................................56
5.3 實驗設備架設位置......................................................................................56
5.4 實驗方法......................................................................................................57
5.5 植被效應實驗數種與樹葉..........................................................................58
5.6 相關理論......................................................................................................61
v
第六章植被遮蔽效應實驗結果討論......................................................................64
6.1 功率衰減......................................................................................................64
6.2 接收功率之機率分布情形..........................................................................67
第七章結論與未來展望..........................................................................................73
7.1 結論..............................................................................................................73
7.1.1 降雨效應.............................................73
7.1.2 植被遮蔽效應.........................................74
7.2 未來展望......................................................................................................74
7.2.1 降雨效應.............................................74
7.2.2 植被遮蔽效應.........................................75
REFERENCES..................................................................................................................76
vi
圖片目錄
圖2.1 Ka 頻帶連續波信號產生器及接收器設備⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
圖2.2 Ka 頻帶連續波信號產生器外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
圖2.3 Ka 頻帶連續波信號收發器天線結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7
圖2.4 天線垂直剖面場型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
圖2.5 天線水平剖面場型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
圖2.6 Ka 頻帶連續波信號發射器內部元件結構一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
圖2.7 Ka 頻帶連續波信號發射器內部元件結構二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
圖2.8 Ka 頻帶連續信號接收器外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
圖2.9 Ka 頻帶連續波信號接收器內部元件結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11
圖2.10 Ka 頻帶連續波信號發射器電源供給與DC 信號輸出部份⋯12
圖2.11 Ka 頻帶連續波信號接收器電源供給、中頻與DC 信號輸出部
份⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
圖2.12 HP8596E 頻譜分析儀外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
圖2.13 傾斗式雨量計外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
圖2.14 傾斗式雨量計內部結構圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16
圖2.15 光學式雨量計外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
圖2.16 光學式雨量計內部結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
vii
圖2.17 信號及雨量資料接收控制軟體使用界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
圖2.18 信號及雨量資料資料接收控制軟體資料記錄格式⋯⋯⋯20
圖3.1 實驗設備架設位置圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22
圖3.2 1989~2000 中壢測站逐年逐時降雨資⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
圖3.3 1989~2000 中壢測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
圖3.4 1989~2000 中壢測站累積雨量與最大降雨率⋯⋯⋯⋯⋯⋯25
圖3.5 1989~2000 台北測站逐年逐時降雨資料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25
圖3.6 1989~2000 台北測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26
圖3.7 1989~2000 台北測站累積雨量與最大降雨率料⋯⋯⋯⋯⋯26
圖3.8 1991~2000 台中測站逐年逐時降雨資料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27
圖3.9 1991~2000 台中測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27
圖3.10 1991~2000 台中測站累積雨量與最大降雨率⋯⋯⋯⋯⋯28
圖3.11 1989~2000 高雄測站逐年逐時降雨資料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28
圖3.12 1989~2000 高雄測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯29
圖3.13 1989~2000 高雄測站累積雨量與最大降雨率⋯⋯⋯⋯⋯29
圖3.14 CWB 逐時資料與本單位所使用之逐分及逐時資料⋯⋯⋯30
圖3.15 傾斗式與光學式雨量計對於信號衰減之靈敏度⋯⋯⋯⋯32
圖3.16 降雨率51.9 mm/hr⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33
圖3.17 降雨率24.5 mm/hr⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34
viii
圖4.1 美洲氣候分佈劃分(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
圖4.2 歐洲與非洲的氣候分佈劃分(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
圖4.3 亞洲氣候分佈劃分(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37
圖4.4 ITU-R 提供的各地降雨分佈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37
圖4.5 美洲氣候分佈劃分(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39
圖4.6 歐洲與非洲的氣候分佈劃分(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
圖4.7 亞洲氣候分佈劃分(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
圖4.8 Crane 提供的各地降雨分佈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41
圖4.9 Crane model 降雨率R 與經驗常數d⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43
圖4.10 各地累積十數年逐時資料與逐分資料和model 之比較⋯44
圖4.11 將四個地區與本單位所得之R0.01 代入ITU-R model⋯⋯45
圖4.12 修正過後的ITU-R 與實驗結果的比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
圖4.13 轉換後所得之結果與實驗結果之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48
圖4.14 CWB 逐時資料與本單位所使用之逐分及逐時資料⋯⋯⋯49
圖4.15 轉換過後的逐時資料與修正過後ITU-R⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51
圖4.16 Crane model 預估之信號衰減與實際衰減作回歸分析⋯⋯53
圖4.17 特定降雨率下降雨衰減與有效距離的關係⋯⋯⋯⋯⋯⋯54
圖4.18 特定距離下降雨衰減與降雨率的關係⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54
圖5.1 植被效應實驗一設備架設位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56
ix
圖5.2 植被效應實驗二、三設備架設位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57
圖5.3 植被效應實驗一之樹種⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58
圖5.4 植被效應實驗一之樹葉種類⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58
圖5.5 植被效應實驗二之樹種⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59
圖5.6 植被效應實驗二之樹葉⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59
圖5.7 植被效應實驗三之樹種⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60
圖5.8 植被效應實驗三之樹葉⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60
圖5.8 vv 偏極的simulation 與各種distribution⋯⋯⋯⋯⋯⋯62
圖5.9 hh 偏極的simulation 與各種distribution⋯⋯⋯⋯⋯⋯62
圖6.1 LOS 與混合樹林遮蔽功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
圖6.2 LOS 與混合闊葉榕樹功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
圖6.3 LOS 與混合針葉松樹功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
圖6.4 混合型樹林實驗結果與model 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67
圖6.5 闊葉榕樹實驗結果與model 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67
圖6.6 針葉松樹實驗結果與model 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯68
圖6.7 混合型樹林實驗資料使用moving window 作回歸分析⋯⋯69
圖6.8 闊葉榕樹實驗資料使用moving window 作回歸分析⋯⋯⋯69
圖6.9 針葉松樹實驗資料使用moving window 作回歸分析⋯⋯⋯70
表格目錄
表Ⅱ-Ⅰ Ka 頻帶連續波信號產生器設備規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
表Ⅱ-Ⅱ Ka 頻帶連續波信號接收器設備規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
表Ⅱ-Ⅲ HP8596E 頻譜分析儀規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
表Ⅱ-Ⅳ 傾斗式雨量計規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16
表Ⅱ-Ⅴ 光學式雨量計規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
表Ⅲ-Ⅰ 降雨效應實驗發射與接收端的量測系統參數⋯⋯⋯⋯⋯21
表Ⅳ-Ⅰ 各地區累積降雨分佈的百分比(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38
表Ⅳ-Ⅱ-i 各地區累積降雨分佈的百分比(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯41
表Ⅳ-Ⅱ-ii 各地區累積降雨分佈的百分比(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯42
表Ⅳ-Ⅲ 各地逐時、逐分與model 之R0.01 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50
表Ⅴ-Ⅰ 植被效應實驗發射與接收端量測系統參數⋯⋯⋯⋯⋯⋯56
表Ⅵ-Ⅰ 各樹種之功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
表Ⅵ-Ⅱ 混合樹林之RSE test⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
表Ⅵ-Ⅲ 闊葉榕樹之RSE test⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
表Ⅵ-Ⅳ 針葉松樹之RSE test⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72

參考文獻

76
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指導教授

陳錕山(Kun-Shan Chen)

審核日期

2002-7-8

推文