基于對流層散射的VHF/UHF不對稱分集傳輸技術研究

劉 瑩，郝清濤，唐秋菊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于對流層散射的VHF/UHF不對稱分集傳輸技術研究

劉 瑩，郝清濤，唐秋菊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對VHF/UHF頻段單信道電臺僅能視距通信的應用局限，通過理論分析和信道特性試驗探討了將對流層散射傳輸體制用于VHF/UHF頻段超視距通信的可行性，并在此基礎上提出了一種基于對流層散射的不對稱分集傳輸技術方案，即在保留單信道電臺硬件結構不變的前提下，通過增加超視距傳輸波形并且建立地面賦能站的方式實現其超視距通信能力。最后通過對設備原理樣機的信道模擬測試和野外試驗證實了該技術的可行性和有效性。

對流層散射；VHF/UHF；單信道電臺；不對稱分集；多普勒頻移

0 引言

近年來，美軍在總結和評估“伊拉克自由行動”、“持久自由行動”等實戰經驗及教訓的基礎上提出了“分散部署”的指揮作戰理念，并認識到在這種新的作戰模式下，各級部隊特別是營級以下梯隊的超視距通信能力由于現役VHF/UHF單信道電臺的限制，仍然是戰爭中通信保障問題的最大不足?；谝陨险J識，美軍近年來提出了基層部隊的超視距通信保障理念。

VHF/UHF電臺同樣廣泛應用于公安、邊防、森林及交通等眾多領域，特別是對于身處廣袤的山區、沙漠和戈壁等惡劣自然環境中的電臺用戶，限于VHF/UHF電臺有限的通信距離，其超視距通信保障問題一直是非常薄弱的環節；此外，VHF/UHF頻段的單信道電臺也廣泛應用于車輛、船舶和飛機等移動平臺，同樣受限于其視距通信模式，難以滿足其在執行遠程、遠海類任務時對超視距通信保障的要求[1-2]。

鑒于VHF/UHF頻段單信道電臺規模數量巨大，如能在不改變其硬件結構的基礎上，通過升級通信波形的方式將其通信范圍擴展至超視距，不但能顯著擴展其通信保障范圍，且能有效降低技術風險和應用成本。

1 VHF/UHF超視距信道傳輸特性

傳統VHF/UHF通信為視距傳播方式，即以收發天線為基準，相互間視線可見距離內的直射波傳播。假設地球為理想光滑球面，半徑R0=6 370 km，兩端站之間的最遠視線傳播距離為d為[3-4]：

(1)

當考慮大氣折射等因素時，視線傳播的極限距離為：

(2)

式中，h1和h2分別表示兩端站天線的架設高度(含地形因素)，單位為m，理想光滑球面條件下視線傳播極限距離d的數值如表1所示。

表1 視距通信極限距離表

由表1可以看出，隨著天線架設高度的下降，視距極限通信距離急劇降低，且在實際環境中受地形起伏及障礙物遮擋影響，通信距離必然進一步縮短。

當VHF/UHF無線電信號超出視距極限距離后，其傳播模式將由視距模式轉變為對流層散射傳播模式。這種傳播模式的機理是沿地球表面切線方向發出的通信波束，經由對流層大氣的折射作用，使其中很少一部分能量轉向折回地面形成彎管傳輸，從而導致超視距位置也有信號到達[5-6]。對流層散射傳播模式的示意圖如圖1所示。

圖1 對流層散射傳播模式示意圖

通過對流層散射傳播的無線電信號具有如下顯著特征：

① 非常微弱：進入散射體的信號，僅有百萬分之幾的能量被彎折傳輸向地面，此項稱為散射損耗。它與全程傳播損耗一起構成總的散射通信路徑損耗，通常可達近200 dB[7-8]。

② 接收信號電平存在顯著的快衰落特征，一般認為服從瑞利分布[9-10]。

由于現有的VHF/UHF單信道電臺設備僅適用于視距信道傳播，既不具備克服巨大散射損耗所需的設備能力要求，也不具備克服信道快衰落的信號平滑處理能力，因此不能滿足超視距通信的要求。

2 不對稱分集設計

基于單信道電臺的不對稱分集技術是指在不改變現役VHF/UHF機載、艦載及單兵戰術電臺硬件形態的前提下，通過為其嵌入具有超視距傳輸能力的散射通信波形，并通過配置具備多重分集發射/接收能力、大功率發射機及高增益天線等特征的地面賦能站，賦予現役VHF/UHF車載、機載、船載及單兵戰術電臺一定的超視距能力的通信方式。

2.1 分集方式設計

現有VHF/UHF單信道電臺均為單收/發通道結構，為了在保持其硬件形態不變的前提下克服超視距信道嚴重的時變衰落影響，必須要配置具有多重分集發射/接收能力的賦能站。由于VHF/UHF單信道電臺所用頻帶有限，難以支持頻率、時間等分集方式所需的帶寬資源，因此只能采用空間分集方式[11-13]。

賦能站需要具有多部大功率發射機、多面高增益天線的體系結構，才能與電臺之間建立“多發一收”(下行鏈路，賦能站至電臺)或“一發多收”(上行鏈路，電臺至賦能站)的不對稱多重分集通信鏈路，如圖2所示。

圖2 站型不對稱的多重分集通信鏈路

從信號處理的角度而言，分集重數越多，系統對信道快衰落的抑制能力相應就越強，圖3給出了BPSK相干檢測方式下分集重數、誤碼性能和信噪比的關系曲線圖?？梢钥闯鲭S著分集重數的增加，相同信噪比對應的誤碼率呈明顯下降趨勢；但是隨著分集重數的增加，系統復雜度和所需的信道帶寬也在相應倍增[14]。

圖3 分集重數、誤碼性能和信噪比關系圖

由圖3可以看出，瑞利信道中4重空間分集與2重分集相比信噪比改善明顯；進一步增加天線數量性能提升已不明顯，如6重分集與4重分集在BER=1×10-4條件下，信噪比改善效果不足2 dB，但6部天線架設需要的場地面積與成本卻大幅增加。綜合考慮性能、成本及使用等各方面的影響，采用4重分集結構可達到較好的平衡。

2.2 分集間隔設計

空間分集支路信號之間的相關系數為[15-16]：

ρ=exp[-(D/Do)2] ，

(3)

式中，D為天線之間的距離；Do為天線垂直配置時的分集距離(相關距)，它表示為相關系數降為1/e(0.37)時的天線間距離，其數值由下式決定：[17]

Do=aλ/βo，

(4)

式中，a為常系數，常取0.3～0.5；λ為波長；βo為大圓平面內收發天線連線與收發端無線電地平線之間的夾角，稱為部分散射角?？梢詫У茫?/p>

ρ(D)=exp[-(βo2/a2)(D/λ)2] 。

(5)

結合本系統參數，分別計算不同通信距離及天線間距條件下的空間分集相關系數，以及此相關系數下與相關系數ρ=0條件下相比的工程損失[18-19]。其中大氣折射指數Ns=310,通信頻率132 MHz(VHF頻段中心頻率)，天線架高12 m。通信距離250 km和350 km時，計算結果如表2所示。

表2 天線間距與相關系數關系表

由于UHF頻段信號波長比通信頻率132 MHz時的信號波長小得多，此頻段下的相關系數更小，工程損失更少。通過表2可以看出，在天線間距增大的同時，分集間相關系數及工程損失均在減小，但由此帶來的場地占用問題、饋線損耗問題也會加劇。綜合考慮以上各因素，天線間距應盡量在30 m以上。

3 試驗驗證情況

3.1 信道模擬器驗證

SR5500型無線信道模擬器是無線通信業內廣泛采用的信道模擬平臺，可用于模擬復雜無線信道環境的多項特征，如損耗中值、衰落類型、多徑結構及多普勒頻移等[20-21]。借助SR500型無線信道模擬器，單信道電臺設備在400 MHz頻率、平坦瑞利衰落、4重分集接收，以及0.01～500 Hz多普勒頻移等信道條件下的誤碼特性如圖4所示。

圖4 不同多普勒頻移下的誤碼性能和信噪比關系圖

由圖4可以看出，在多普勒頻移為300 Hz時的誤碼性能與0.01 Hz時相比改善了約0.5 dB，這是由于此時多普勒頻移導致接收信號的同一碼元在不同時刻具有一定的時間不相關性，從而獲得了額外的時間分集效果改善；當多普勒頻移達到500 Hz時，由于接收信號頻域擴展帶來的影響超出了時間分集的改善效果，導致了誤碼率惡化約2.5 dB。

3.2 外場試驗驗證

2015年底，VHF/UHF不對稱分集散射通信試驗驗證系統在華北地區先后完成了地面100 km、207 km及300 km等線路的話音和數據測試，并在超視距條件下完成了地面動中通功能測試。試驗結果表明，該驗證系統在不同距離、不同頻段和不同運動狀態下均具有良好的通信能力，基本達到了預期的設計能力要求。

4 結束語

理論研究及信道測試試驗證實，當VHF/UHF無線電信號超出視距極限距離后，其傳播模式將由視距模式轉變為對流層散射傳播模式。通過為VHF/UHF單信道電臺嵌入特定的超視距通信波形，并構建具有多部發射機和多副發射天線的賦能站，可在賦能站與單信道電臺之間構成不對稱分集散射通信系統。信道模擬器測試和野外試驗初步證實，該系統可以在不改變現役VHF/UHF電臺硬件平臺基礎上，實現其通信距離由視距到超視距的顯著提升，對于此類裝備的能力拓展具有積極的參考意義。

1.2 儀器與試劑 BACT/ALERT 3D全自動細菌培養儀及配套血培養瓶（BioMerieux，法國），VITEK 2 COMPACT全自動細菌鑒定及藥敏分析系統（BioMerieux，法國），藥敏紙片（Oxoid，英國），5%哥倫比亞羊血瓊脂培養基和M-H培養基（迪景，廣州）。

參考論文

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Researchon VHF/UHF Non-symmetric Diversity Communication Based on Troposcatter Transmission

LIU Ying,HAO Qing-tao，TANG Qiu-ju

(The 54th Research Institute of CETC ,Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Aiming at the limitation of LoS propagation by VHF/UHF single-channel radios,the feasibility of VHF/UHF single-channel BLoS propagation by troposcatter is derived firstly.Based on the analysis above,a scheme of non-symmetric diversity troposcatter communication is presented，which can realize BLoS communication by adding BLoS transmission waveform and founding adding-energy communication station without changing hardware of single-channel radios.In the end,the feasibility and validity of the scheme are proven by testing on wireless channel emulator and field experiments.

troposcatter communication;VHF/UHF;single-channel radio;non-symmetric diversity;doppler shift

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.16

劉 瑩，郝清濤，唐秋菊.基于對流層散射的VHF/UHF不對稱分集傳輸技術研究[J].無線電通信技術,2017,43(1):65-67,93.

2016-10-09

劉 瑩(1974—)，男，高級工程師,主要研究方向：散射通信系統。郝清濤(1979—)男，高級工程師，主要研究方向：散射通信系統。

TN926.4

A

1003-3114(2017)01-65-3