靶場微波通信路徑分析及優選方法

陳 雨，崔建國，劉志春，劉春慧

(1.中國白城兵器試驗中心，吉林 白城137001；2.中國電子信息產業集團有限公司第六研究所，北京100083)

白城兵器試驗中心作為常規武器試驗靶場，由于其武器裝備類型多、試驗頻度大、測試點位分散，使得具有帶寬寬、布站靈活和多業務接入等特點的數字微波通信系統在試驗中地位和作用越來越重要。目前，試驗中心已擁有點對多點、點對點和機動寬帶三套微波通信系統，豐富了靶場試驗通信手段，提升了試驗中心的試驗能力。微波路徑是微波通信系統收發設備間的“橋梁”，其選擇結果直接影響整個系統運行狀況，當今，國內外關于微波路徑選擇與優化的研究成果雖然很多，但多數從單一因素進行考慮，綜合效果并不理想。本文結合靶場工作實踐，通過分析多種因素提出優選方法，以期使微波路徑的選擇更加簡捷有效，信號傳輸更加穩定可靠。

1 影響微波路徑的主要因素

1.1 地形地貌因素

微波通信工作頻率主要集中在1 GHz～20 GHz范圍內，自由空間傳輸損耗是其主要能量損耗，計算公式為：

式中,Ls(dB)表示損耗、d(km)為收發天線之間的距離、f(GHz)是系統的發射頻率[1]。

微波傳輸過程中除自由空間損耗外，還會受到路徑上樹木、建筑、山峰等障礙物的影響而損失部分能量；平滑地面或水面產生的反射波和直射波矢量相加，若相互抵消也會產生附加損耗。因此，為更好地分析地形地貌對微波傳播特性的影響，需要運用費涅爾區的概念。

如圖1所示，費涅爾區是以收發端(T，R)為焦點的一系列不同短軸半徑(Fn)的旋轉球體的集合。第一費涅爾區是微波傳播中能量主要集中區域，其半徑(F1)計算公式為：

圖1 費涅爾區半徑和余隙示意圖

式中，d0為發、收端(T、R)之間距離，d1、d2分別為第一費涅爾區上一點P1到d0的投影點與T、R兩端的距離，d0=d1+d2,單位為km，半徑F1單位為m，頻率f單位為GHz[2]。

工程上，對接收點R而言，只要保證P1點的合成場強E≈E1/2(E1為第一費涅爾區的場強)，即第一費涅爾區的一半以上不被地形地貌遮擋，就可近似得到自由空間傳播時的場強。這就是微波通信要求視距傳播的直接原因。

1.2 地面反射因素

微波傳播過程中，接收點除收到來自發射天線的直射波外，還會收到地面反射波。地面反射對視距傳播有重要影響，它是產生電平衰落的主要原因之一。如圖1所示，反射點到直射波的垂直距離稱為余隙hc，接收點的合成場強E與自由空間場強E0之比稱為地面反射衰落因子，用V(dB)表示,借助余隙hc來計算V，其計算公式為：

式中，φ為反射系數，F1為第一費涅爾區半徑，hc/F1稱為相對余隙。衰落因子V與相對余隙hc/F1的相互關系如圖2所示[3]。

圖2 衰落因子V與hc/F1的關系

實際工作中，要盡可能增加微波設備收發天線的高度，以增大傳輸路徑上高點與直射波之間的余隙，確保相對余隙hc/F1≥0.6,進而避免地面反射帶來的影響。

1.3 大氣因素

對10 GHz以下的微波設備，大氣因素的影響主要表現在大氣的折射上。由于折射作用，使實際電波傳播不是按直線而是按曲線進行，如圖3所示。

地球真實半徑為R0，其等效半徑為Re，ρ為電波傳播的曲率半徑。其關系式為：

圖3 等效地球半徑概念

式中,K為等效地球半徑因子。通常把K＝4/3時的大氣折射稱為標準折射，此時，電波在不均勻大氣中產生折射時的視線傳輸距離d0為：

其中，d0的單位為km;h1、h2分別為收、發天線高度，單位為m。

實際工作中，當遇到大風、揚沙、暴雨等極端天氣時應避免設備開機，因為電波會發生負折射，導致K＜1，射線向下凹，使原來處于亮區的接收天線進入半陰影區或陰影區，從而使損耗顯著增加，接收信號減弱。若因任務需要必須開機時，應考慮縮短通信距離。

2 選擇微波路徑的基本要素

2.1 視距與天線高度

由于地球是球形，凸起的地表面會阻擋視線，在收發天線一定的情況下，視線所能到達的最遠距離稱為視線距離d0，它與收發天線的關系如圖4所示。

圖4 視線距離d0與收發天線高度h1、h2關系圖

圖4中，h1和h2分別為發信和收信天線高度，R0為地球半徑，視線距離d0(d0=d1+d2)為直射波所能到達的最遠距離。由于R0＞＞h1、h2，把地球半徑R0=6 370 km代入可近似得出：

式中，d0的單位為km，h1、h2的單位為m。

為分析簡化起見，通常依據接收端離發射天線的距離分成3個區域，即亮區、陰影區和半陰影區：d＜0.7d0的區域稱為亮區；0.7d0＜d＜1.2d0區域稱 為半陰影區；d＞1.2d0區域稱為陰影區。如圖4所示,TS段屬于亮區，SB段屬于半陰影區，B點以外屬于陰影區。在架設天線時，應盡量保證收信天線處于亮區或半陰影區。

2.2 斷面

微波通信傳輸路徑在選擇和設計時應考慮斷面，其目的是為了更好地確定不同種類地形地貌所形成的衰落與損耗。斷面的選取可參照“數字微波接力通信工程設計”中的相關規定，劃分為四種類型，劃分條件及特性如下[4]：

A型：斷面由山嶺、城市建筑物或兩者混合組成，中間無寬闊的河谷和湖泊。這類斷面，大氣比較干燥，多徑衰落的概率很小，等效地面反射系數小于0.5，即由地面反射波引起的接收電平值的下降不超過6 dB。

B型：斷面由起伏不大的丘陵地帶組成，中間無寬闊的河谷和湖泊。這類斷面由于地面起伏不大，對多徑衰落的影響不能忽略，等效地面反射系數小于0.7，即由地面反射波引起的接收電平值的下降小于10 dB。

C型：斷面由平地、水網較多的區域組成，氣候潮濕，大氣不均勻層引起的多徑衰落比較嚴重。這類斷面，等效地面反射系數不小于0.7，地面反射波引起的接收電平值的下降超過10 dB。

D型：斷面是指跨越大型水面的路徑，如大江、大河、大型湖泊等。這類斷面，水面反射和大氣不均勻層引起的衰落比A、B、C型都嚴重，是對電波傳播穩定性影響最大的斷面，其接收電平值的下降遠大于15 dB。

以上分析表明，斷面特性決定了電波傳播的穩定性。在實際組網和站址選擇時，應盡量選取A型和B型斷面的傳播路徑，避免和減少處于C型和D型斷面的路徑。

3 優化路徑選擇的方法

3.1 掌握衰落一般規律

引起微波通信信號衰落的原因是多方面的，可簡要地歸納為地面反射、多徑傳播、大氣折射、雨霧吸收等。其一般規律如下：

(1)波長越短，距離越長，衰落越嚴重。

(2)夜間比白天嚴重，夏季比冬季嚴重。因白天有陽光照射，空氣對流較好，冬季氣象變化比夏季緩慢。

(3)晴天、寧靜天氣比陰天、風雨天氣時嚴重。因晴天時大氣分層結構容易形成，并不容易消散，從而產生多徑傳播。

(4)路徑中有水面的電路比全是陸地電路衰落更嚴重。

(5)平地電路比丘陵山區電路衰落更嚴重。

3.2 進行衰落可靠性估值

根據概率論方法，衰落特性的分布函數服從于廣義的瑞利分布。通過各國的統計測試，衰落深度概率較為通用的經驗公式為：

式中，Pr為衰落深度概率，d為站距(km)，f為工作頻率(GHz)，K為環境條件因子，Q為地形條件因子，VdB為衰落深度(又稱衰落儲備值)。衰落深度指正常接收電平與接收機門限電平的差值。因國家和地域不同，對式(7)中因子的取值各不同。我國選用了日本、美國的折中值，與西北歐的取值接近。

在我國習慣用中斷率指標來反映通信系統的可靠性，高可靠性要求達到10－7。對于微波通信，通常用系統的衰落深度概率來表示中斷率[5]。以機動寬帶微波通信系統為例，由于試驗中心靶場屬草原地區，K、Q乘積取值為1×10－9，B取值為1.2，C取值為3.5,頻率f為7 GHz，站距d按30 km計算，將Pr=10－7代入式(7),可求出其衰落深度VdB為26 dB,小于系統設計的衰落深度值26.2 dB[6]，滿足系統高可靠性的要求。

3.3 把握選擇實施要點

靶場微波通信系統的路徑選擇，除要考慮上述固有因素外，還要結合靶場通信的特殊性，掌握實施要點，提高路徑選擇的科學性和合理性。

(1)要熟悉設備性能。對系統收發頻點、發射功率、通信距離、對外接口形式、業務容量等參數做到了如指掌。

(2)要進行圖上作業。接到通信任務后，要在地圖上分析首區、落區、測試設備間的位置關系，計算站距、方位角、天線高度等。

(3)要進行實地勘察。要在圖上作業的基礎上，進行實地查驗，觀察所選點位是否與地圖有出入，周邊環境是否滿足布站的安全保密要求。對于超出靶場范圍的陌生地域，實地勘察更是必不可少的環節。

(4)要檢測電磁環境。既要了解試驗中心無線設備的頻率和發射功率，還要了解附近民用無線設備的頻率和發射功率，以確保設備工作在相對干凈的電磁空間內。

(5)要搞好記錄總結。要將不同點位的路徑參數和設備工作情況做好統計、歸類，建立通信環境數據庫，為以后相同環境條件下系統的快速開通提供實踐依據。

本文通過對影響微波路徑選擇主要因素的分析，結合靶場通信特點，提出在不同條件下微波路徑選擇時要考慮的基本要素，總結了路徑選擇的規律和實施要點，以期使操作維護人員能夠將理論與實踐相結合，把握微波通信規律，掌握路徑優選方法，因地制宜，科學合理地制定通信保障方案，發揮微波設備工作潛能，提高其穩定性和可靠性，更好地為試驗科研工作服務。同時，也為其他微波通信系統應用單位提供一定的參考和借鑒。

[1]買買提江.微波通道傳輸特性與本地網微波系統設計[EB.OL].[2005-04-15](2013-04-17).//www.xjis.org.cn.

[2]李承權.微波一點多址通信(電信職工培訓叢書)[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[3]唐朝京.數字微波通信技術[M].北京：國防工業出版社,2002.

[4]顧金根,劉沈.微波傳輸工程設計[M].北京：人民郵電出版社,1992.

[5]YD/T746－95點對多點微波通信系統技術要求和測量方法[S].1995.

[6]大唐聯誠.63850部隊微波通信分系統資料匯編[S].大唐聯誠技術有限公司,2009.