一种用于智慧城市的5G毫米波链路测雨方法

一种用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法
技术领域
1.本发明涉及大气信息探测技术领域，特别涉及一种用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法。


背景技术：

2.目前降雨观测业务主要依靠地面气象站、雷达和卫星等专业气象探测设备，存在分辨率低、有监测盲区、维护难度大等问题。环境气象信息的获取主要还是依靠专用的气象设备，但是在无法使用的极端情形下，就需要发展一种“备份”气象探测手段。
3.根据生活经验，通常在下雨天通话质量不佳，这主要是由于高频信号在大气中传播时会受到降雨的衰减影响，这在通信领域是需要尽量避免的。而利用信号传播的这一特性，可以利用信号的衰减来反演降雨强度，从而达到测雨的目的。
4.现有利用信号衰减进行降雨测量的研究大多针对4g移动通信网的厘米波微波链路，而随着5g毫米波技术的快速发展和成熟，未来发展趋势是利用5g移动通信中的毫米波设备及多频段信号，充分发挥微波链路高时空分辨率和广覆盖的优势，在时空分辨率、时空代表性等方面，进一步提高区域降水的监测效果。
5.5g技术发展迅猛，5g nr(5g new radio，5g新空口)频谱范围分为fr1(410mhz～7.125ghz)和fr2(24.25～52.6ghz)。全球性通信技术组织3gpp(3rd generation partnership project)于2020年发布了r17标准，将5g nr的频段范围从52.6ghz扩展到了71ghz。未来，无线通信系统也会用到更高频率的信号，所以利用接收信号来反演降水有着广阔的发展前景。


技术实现要素：

6.本发明提出了利用5g毫米波链路进行测雨的方法，以5g毫米波信号在大气中的衰减为信息源，根据5g毫米波信号在大气中传播的衰减特性，建立5g毫米波信号衰减与降雨强度的关系，研究基于5g毫米波信号的晴雨区分方法，突破非降雨信号干扰的有效剔除，进行湿天线效应的去除校正，考虑降雨强度的准确反演，探索一种基于5g毫米波信号的降雨测量新方法。
7.本发明提供的一种用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，包括：
8.获取目标测雨地区，基于所述目标测雨地区的范围搭建相应的5g毫米波链路；
9.构建毫米波雨衰模型，基于所述毫米波雨衰模型得到链路测量的衰减值；
10.基于移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法确定晴空期和降雨期；
11.基于所述晴空期和所述降雨期，采用衰减提取算法确定基础衰减值；
12.基于所述链路测量的衰减值得到湿天线衰减；
13.获取链路接收信号强度，基于所述基础衰减值和所述湿天线衰减对所述链路接收信号强度进行修正，得到实际雨致衰减；
14.基于所述实际雨致衰减和所述毫米波雨衰模型得到降雨强度。
15.优选地，所述毫米波雨衰模型为：
16.ar＝γrl＝kr
α
l
17.式中，ar表示链路测量的衰减值，γr表示降雨引起的比衰减，l表示毫米波链路的长度，k和α为频率顺从系数，r表示降雨强度。
18.优选地，基于移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法确定晴空期和降雨期的过程包括：
19.选取时间窗口；
20.计算时间窗口内的窗口平均接收电平和窗口信号变化方差；
21.基于所述目标测雨地区的降雨时段占比设置阈值；
22.当所述窗口信号变化方差的算术平方根大于所述阈值，则为降雨期；
23.当所述窗口信号变化方差的算术平方根小于所述阈值，则为晴空期。
24.优选地，基于所述时间窗口计算窗口平均接收电平和窗口信号变化方差的计算公式为：
[0025][0026][0027]
式中，w
t
表示t时刻之前的宽度为w的时间窗口，w
t
＝[t-w，t]，w＞0；表示窗口平均接收电平，表示窗口信号变化方差；nw表示移动窗口w
t
中的整分钟数。
[0028]
优选地，基于所述晴空期和所述降雨期，采用衰减提取算法确定基础衰减值的计算公式为：
[0029][0030]
式中，ab(t)表示t时刻的基础衰减值，d表示晴空期，n表示降雨期，ab(t-m)表示降雨期时，所述基础衰减值为前一个最近晴空期的基础衰减值，其中m表示使(t-m)∈d的最小值。
[0031]
优选地，基于所述链路测量的衰减值得到湿天线衰减的计算公式为：
[0032]aw
＝c(1-exp(-dar))
[0033]
式中，aw表示湿电线衰减；c和d表示模型的参数。
[0034]
优选地，对所述链路接收信号强度进行修正，得到实际雨致衰减的计算公式为：
[0035]ar1
＝a
t-ab[0036]ar2
＝a
r1-aw[0037]
式中，a
r1
表示链路上信号的测量衰减值，a
t
表示所述链路接收信号强度，ab表示基础衰减值，a
r2
表示实际雨致衰减，aw表示湿天线衰减。
[0038]
优选地，基于所述实际雨致衰减和所述毫米波雨衰模型得到降雨强度的计算公式为：
[0039][0040]
式中，r表示降雨强度。
[0041]
本发明具有如下技术效果：
[0042]
5g毫米波链路可以以高时间分辨率对近地面降雨强度进行更精确的测量，这有助于局地降水的监测。我国广大地区都分布着无线网络，包括各种不适合安装传统降雨监测设备的复杂地形。因此，这种技术在缺乏传统降雨监测仪器的城市也非常实用。随着越来越多的5g毫米波链路在城市中广泛部署，这些密集部署的链路可以织成一张“测雨”网，可用于解决雨衰提取、雨强反演等问题，进一步提高降水监测的准确性，为我国的区域化气象保障能力提供技术支撑。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明实施例中的基于5g毫米波链路测雨方法的流程示意图；
[0045]
图2为本发明实施例中采用的移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法针对2020年3月21日的降雨事件来确定晴雨期结果的示例；
[0046]
图3为本发明实施例中基于幂律关系针对2020年3月21日的降雨事件进行雨强反演的结果示例；
[0047]
图4为本发明实施例中可用于“56+测雨”智慧城市建设的模型示意图。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
实施例一
[0050]
本实施例可以用于智慧城市建设，将进一步提升降雨监测的范围和精度。本实施例基于国际电联无线电通信部门(不u-r)所提供的模型，确定毫米波链路雨致衰减与降雨强度的幂律关系，利用移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法进行晴空期和降雨期的区分，利用基于移动窗口平均值的衰减提取算法得到衰减基础值，进而得到雨致衰减，基于湿天线衰减与链路衰减之间的指数关系，最终利用校正后的雨致衰减进行降雨的反演。
[0051]
如图1所示，本实施例公开了一种用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，本实施例可以按照以下步骤进行降雨强度的反演：
[0052]
1.第一步根据目标测雨范围选择频率、长度合适的5g毫米波链路；
[0053]
对于不同的目标测雨范围，搭设合适的5g毫米波链路，一般来说，选择频率越高，
对于小降水粒子更敏感，而链路越长，其平均程度越大，空间代表性不强。在目标测雨范围内选择合适的位置安放毫米波信号接收机和发射机，并调整信号的发射和接收角度，以保证得到接收端的信号强度数据。
[0054]
2.第二步基于itu-r提供的毫米波雨衰模型，明确雨致衰减和降雨强度的幂律关系；
[0055]
利用itu-r所提供的模型建立毫米波雨衰关系模型。
[0056]ar
＝γrl＝kr
α
l
[0057]ar
表示发射机和接收机之间因降雨引起的整体信号衰减，γr为降雨引起的比衰减，l为毫米波链路的长度，k和α为频率顺从系数，毫米波工作频率、降雨温度、极化模式和雨滴大小分布有关，具体取决于雨致衰减模型，可以根据第一步中选择的链路频率从itu-r p.838-3中找到对应的幂律系数、并代入链路的长度进行计算。
[0058]
3.第三步为了区分降雨和其他衰减源，并更好地分离雨致衰减，采用移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法来确定晴空期和降雨期；
[0059]
移动窗口定义为一个t时刻之前的宽度为w＞0的时间窗口w
t
＝[t-w，t]，则窗口的平均接收电平和窗口的信号强度变化方差可以表示为：
[0060][0061][0062]
其中，nw表示移动窗口w
t
中的整分钟数。
[0063]
根据阈值σ0大小，如果表示t时刻为降雨期n；如果则表示t时刻为晴空期d。而阈值σ0可以根据目标测雨地区该季节的降雨时段占比，由历史观测数据确定。
[0064]
作为本实施例的优选方案，采用移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法，选择10到30min的时间窗口，可以捕捉到大多数降雨的动态变化。
[0065]
如图2所示，即为2020年3月21日采用移动窗口阈值标准差的晴雨分类法判定晴雨期的结果，曲线表示由雨滴谱仪测得的实际降雨强度，着色部分为采用如上方法识别出的降雨期。可以看出，该方法可以捕捉到大部分的降雨事件。
[0066]
4.第四步基于移动窗口平均值的衰减提取算法来确定基础衰减值；
[0067]
衰减基线值ab(t)可由下式进行计算：
[0068][0069]
由于降水的发生，周边环境的水汽含量、温度条件等因素也在发生变化，外加设备自身也存在一定的扰动，基础衰减值可能随降雨的进行发生变化。所以采用基于移动窗口平均值的衰减提取算法来确定基础衰减值。如果是晴期，则衰减基线值为窗口的平均接收
电平如果是雨期，则衰减基线值为前一个最近晴期的衰减基线值。其中m是使(t-m)∈d的最小值。
[0070]
5.第五步计算并剔除湿天线衰减，得到雨致衰减；
[0071]
利用garcia等提出了链路测量的衰减值ar和由湿天线引起的衰减aw之间的指数关系模型：
[0072]aw
＝c(1-exp(-dar))
[0073]
其中c(db)和d(db-1)是模型的参数。实验证明湿天线衰减会在雨强足够大时达到饱和值，此时c是时间序列中观测到的雨致衰减的极差，d则是通过模型的非线性回归计算得到的结果，参数c、d可以由目标测雨地区的历史观测数据确定。得到湿天线衰减与链路衰减之间的关系后，将湿天线校正模型应用于毫米波链路数据中，利用链路的接收信号强度a
t
减去衰减基础值ab得到链路上信号的测量衰减值a
r1
。在此基础上，再减去湿天线造成的衰减aw，计算得到真正的雨致衰减a
r2
。
[0074]ar1
＝a
t-ab[0075]ar2
＝a
r1-aw[0076]
6.第六步基于幂律关系进行雨强反演；
[0077]
使用实际接收信号强度减去基础衰减值，再去除湿天线产生的额外衰减，就可以较为准确地得到雨致衰减。在根据itu-r所提供的毫米波雨衰模型，雨致衰减a
r2
与降雨强度r的关系满足：
[0078]ar2
＝kr
α
l
[0079]
通过雨致衰减与降雨强度的幂律关系，再结合上述衰减之间的关系，可以反演得到降雨强度：
[0080][0081]
如图3所示，即为2020年3月21日的雨强反演的结果，规定雨强反演的结果的误差在
±
30％以内都视为准确的反演，那么反演结果的准确率可以达到70.76％，表明反演雨强可以比较准确地代表雨滴谱仪的测量结果。
[0082]
通过5g毫米波网络，实现“5g+测雨”的有机结合，系统可以将信号测雨的结果集中发送至用户端。未来随着5g毫米波技术与物联网的发展，为保障城市区域化降水测量，未来技术发展的基本构想如图4所示。可以利用原有的通信设备，也可以新安装毫米波收发器进行组网测量，并将测量预报结果通过预报链路直接发送至用户端，方便用户及时了解所行驶地区的天气情况与降水信息，提供更加精细化的天气服务。
[0083]
本实施例提出了一种用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，针对人体骨架特征，在数据预处理阶段，将人体关节点数据和人体骨骼数据进行早期融合。在网络结构上，采用分层残差架构，聚合空间图卷积和时间卷积生成的时空特征形成时空残差图卷积模块，从而有效获得空间和时间域中的短期和长期依赖性，并在一定程度上降低网络参数量。
[0084]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原
理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，包括：获取目标测雨地区，基于所述目标测雨地区的范围搭建相应的5g毫米波链路；构建毫米波雨衰模型，基于所述毫米波雨衰模型得到链路测量的衰减值；基于移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法确定晴空期和降雨期；基于所述晴空期和所述降雨期，采用衰减提取算法确定基础衰减值；基于所述链路测量的衰减值得到湿天线衰减；获取链路接收信号强度，基于所述基础衰减值和所述湿天线衰减对所述链路接收信号强度进行修正，得到实际雨致衰减；基于所述实际雨致衰减和所述毫米波雨衰模型得到降雨强度。2.根据权利要求1所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，所述毫米波雨衰模型为：a
r
＝γ
r
l＝kr
a
l式中，a
r
表示链路测量的衰减值，γ
r
表示降雨引起的比衰减，l表示毫米波链路的长度，k和α为频率顺从系数，r表示降雨强度。3.根据权利要求1所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，基于移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法确定晴空期和降雨期的过程包括：选取时间窗口；计算时间窗口内的窗口平均接收电平和窗口信号变化方差；基于所述目标测雨地区的降雨时段占比设置阈值；当所述窗口信号变化方差的算术平方根大于所述阈值，则为降雨期；当所述窗口信号变化方差的算术平方根小于所述阈值，则为晴空期。4.根据权利要求3所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，基于所述时间窗口计算窗口平均接收电平和窗口信号变化方差的计算公式为：述时间窗口计算窗口平均接收电平和窗口信号变化方差的计算公式为：式中，w
t
表示t时刻之前的宽度为w的时间窗口，w
t
＝[t-w，t]，w＞0；表示窗口平均接收电平，表示窗口信号变化方差；n
w
表示移动窗口w
t
中的整分钟数。5.根据权利要求4所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，基于所述晴空期和所述降雨期，采用衰减提取算法确定基础衰减值的计算公式为：式中，a
b
(t)表示t时刻的基础衰减值，d表示晴空期，n表示降雨期，a
b
(t-m)表示降雨期时，所述基础衰减值为前一个最近晴空期的基础衰减值，其中m表示使(t-m)∈d的最小值。6.根据权利要求5所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，基于所述链路测量的衰减值得到湿天线衰减的计算公式为：
a
w
＝c(1-exp(-da
r
))式中，a
w
表示湿电线衰减；c和d表示模型的参数。7.根据权利要求6所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，对所述链路接收信号强度进行修正，得到实际雨致衰减的计算公式为：a
r1
＝a
t-a
b
a
r2
＝a
r1-a
w
式中，a
r1
表示链路上信号的测量衰减值，a
t
表示所述链路接收信号强度，a
b
表示基础衰减值，a
r2
表示实际雨致衰减，a
w
表示湿天线衰减。8.根据权利要求7所述的用于智慧城市的5g毫米波链路测雨方法，其特征在于，基于所述实际雨致衰减和所述毫米波雨衰模型得到降雨强度的计算公式为：式中，r表示降雨强度。

技术总结
本发明公开了一种用于智慧城市的5G毫米波链路测雨方法，包括：获取目标测雨地区，基于目标测雨地区的范围搭建相应的5G毫米波链路；构建毫米波雨衰模型，基于毫米波雨衰模型得到链路测量的衰减值；基于移动窗口阈值标准差的晴雨分类方法确定晴空期和降雨期；基于晴空期和降雨期，采用衰减提取算法确定基础衰减值；基于链路测量的衰减值得到湿天线衰减；获取链路接收信号强度，基于基础衰减值和湿天线衰减对链路接收信号强度进行修正，得到实际雨致衰减；基于实际雨致衰减和毫米波雨衰模型得到降雨强度。本发明可以将毫米波信号测雨技术利用到智慧城市建设中，可以提升城市内区域化、精细化降水测量的保障能力。细化降水测量的保障能力。细化降水测量的保障能力。


技术研发人员：刘西川 潘睿 蒲康
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/12