微波超視距通信信道特性分析與系統設計

王肇嬴，王清芬，王 燁

(1.中國人民解放軍96819部隊，北京 100015；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.西安郵電大學，陜西 西安 710121)

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微波超視距通信信道特性分析與系統設計

王肇嬴1，王清芬2，王 燁3

(1.中國人民解放軍96819部隊，北京 100015；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.西安郵電大學，陜西 西安 710121)

針對微波中繼通信單跳通信距離近、后勤保障困難、機動性差及難以適應復雜地形等缺點，通過分析微波超視距信道特性，提出微波超視距傳輸的設計思路。基于對微波超視距鏈路預計公式的推導，為系統設計提供基礎和保障。通過對信道類型的分析，提出針對瑞利信道的抗衰落技術措施，進行仿真和分析。最后給出了一個工程實例，理論及實踐的一致性結果，證明了其應用效果。

微波中繼；超視距；傳輸特性；抗衰落技術

0 引言

數字微波中繼通信[1]是在數字通信和微波通信基礎上發展起來的一種先進的通信傳輸系統，具有傳輸容量大、上下話路方便、傳輸質量好、投資小、見效快等特點，同時作為一種快速連接方法，在民用固定及移動通信中廣泛應用，多個站點之間通過建立中繼站，實現長距離鏈路的通信傳輸。但在某些臨時、應急、軍事通信中，中繼站的建設[2]不僅費時費力，后勤保障要求高，而且機動性、安全性差，因此微波超視距通信逐漸被重視起來，近年來得到了快速的發展。

從電波傳播角度來看，微波超視距通信是指微波信號在光滑球面上超出視距傳播模式以外的電波傳播模式。它主要包括繞射傳播(恒參非視距NLOS)、繞射+散射傳播(變參非視距NLOS)、散射傳播(超視距BLOS)等3種主要方式。由于特殊的通信機理，微波超視距通信具有超視距傳輸、傳輸信道穩定、安全保密及抗毀頑存等優點，是一種新型的可用通信手段[3-4]。

1 傳播特性分析

通過分析微波超視距傳輸的幾種方式及鏈路預計的方法，得出每種傳輸方式下傳輸損耗的量化結果，為后續的分析和設計奠定基礎。

在視距可達范圍內，通信兩端通過視距傳播；在微波超視距傳輸范圍內，信道傳播模式為繞射、散射混合模式。鏈路傳輸損耗與通信距離的關系如圖1所示。

圖1 鏈路傳輸損耗與通信距離的關系

在微波超視距傳輸模式下[5-6]，鏈路傳輸損耗中值采用Lcr表示，則有：

(1)

式中,Lcr為繞射傳輸損耗，Lsr為散射傳輸損耗。根據上述原理可判斷傳播模式，即Ldr-Lsr<-15 dB時為繞射傳播模式； -15 dB≤Ldr-Lsr≤15 dB時為繞射與散射混合傳播模式；Ldr-Lsr>15 dB時為散射傳播模式。

參數R(0.5)表示繞射和散射傳輸損耗之差，通過圖2讀出對應函數值。

圖2 常量繞射場加上瑞利分布散射場的合成幅度的累計分布中值

1.1 視距傳輸損耗

根據Friss傳輸方程式，對于一個全向天線，發射到接收的距離是R，則接收：

P=PT/4πR2。

(2)

記入天線有效孔徑的影響后，可以推導出常用的視距傳輸條件下的自由空間傳輸損耗公式Lf(dB)為：

Lf(dB)=92.44+20lgR+20lgf，

(3)

式中,R為傳輸距離(km)，f為工作頻率(GHz)。

1.2 繞射傳損耗

在光滑球面地上，繞射傳輸損耗Ldr包括自由空間傳輸損耗Lf和繞射傳播損耗Ld：

Ldr=Lf+Ld。

(4)

從公式來看，繞射損耗也可以理解為視距傳輸損耗加上繞射障礙損耗的影響。其中,繞射傳播損耗可用下式計算：

(5)

式中:

x0=dB0；

式中，ae是等效地球半徑，以km計；dt、dr分別為從發射天線和接收天線到其無線電地平線點的距離，以km計；ht、hr分別為發收天線高度，以km計[7]。

1.3 散射傳輸損耗

根據長期的理論和工程實踐，對流層散射傳播損耗中值Lsr[8-10]由下式表示:

(6)

式中，Lsr為傳播損耗中值(dB) ，F為氣象因子(dB)，f為頻率(MHz) ，Θ0為最小散射角(mrad) ，d為電路長度(km) ，H為最低散射點到收發點連線上的高度(km) ，h0為最低散射點離地高度(km) ，γ為對流層不均勻性強度隨高度的指數衰減系數(km-1) ，Lc為口面介質耦合損耗(dB)，G'10和G'20分別為發收天線增益(dB) 。

已知等效地球半徑ae，收發點間的球面距離D，收發天線高度hr、ht，令:h1=hr+ae，h2=ht+ae。假設收發天線高度相等，收發端對稱，則：

(7)

式中，βt為收發天線仰角，φt為收發天線俯仰方向半功率波束寬度[11]。

2 關鍵技術

根據上節中信道傳播理論分析可知，微波視距傳輸[12]距離一般為30 km，信道為準恒參信道；傳輸距離為30～70 km之間時，為繞射散射混合傳播模式，由于繞射分量的存在，使得信道呈現萊斯衰落；傳輸距離70 km以上時屬于散射傳播模式，此時無直射分量，信道呈現瑞利衰落。

所述微波超視距傳輸信道與微波視距信道相比，傳輸損耗明顯增加，具有瑞利衰落的快速時變特性，為保證在該信道上實現信息的平穩傳輸，需要采取抗衰落技術體制，目前最常用也是最有效的技術措施是分集接收，它能使接收機監測信號的信噪比提高，從而降低誤碼率。另外根據系統要求，選擇相應的信號處理方式也可以相應改善系統接收信號的質量，減少衰落信號影響。

2.1 分集接收與合并方式

2.1.1 分集方式

分集方式包括空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集及角分集等。空間分集和頻率分集也是本次設計時采用的主要的抗衰落措施。空間分集是利用電波傳播是在角度上的擴散造成的，同一射束在不同地點產生的電場存在不相關性，只要距離足夠遠，在不同接收空間位置上的衰落幾乎是獨立的，分集重數由收發天線的數量決定，如兩發兩收的天線其空間分集重數為4重。頻率分集則是在同一傳輸路徑上，不同頻率射線的相關性隨頻率差的增加而迅速下降，在具體實現時又分帶內分集和帶外分集，通過控制載波間隔大于頻率相干帶寬來實現。

在微波超視距信道上經多徑傳播后的接收信號是衰減和時延都隨時間變化的各路徑信號的合成。如果在接收端同時獲得幾個衰落不相關的信號，將這些信號適當合并構成總的接收信號，則能夠顯著減小快衰落的影響。分集的幾個信號之間是統計獨立的，則經過適當的合并后就能使系統性能大為改善。瑞利衰落信道條件下的分集性能仿真結果如圖3所示。

圖3 瑞利衰落信道條件下的分集性能

2.1.2 合并方式

分集的合并方式有選擇式合并、等增益合并和最大比值合并。對m重信號：s1(t)、s2(t)、s3(t)……sm(t)，合并后的信號可表示為：

(8)

式中，ai是加權系數，上式中加權系數選擇方法不同，就產生了不同的分集合并相加方法。主要的分集合并方式有3種。

① 選擇式合并

選擇每一時刻最強的接收信號輸出，只要上式中a1、a2、a3……am中有一項最大即取之，其余均舍棄，因此輸出信號的信噪比始終等于最強的一路輸出信噪比，其余均舍棄。選擇式合并的信噪比改善為：

(9)

選擇式合并由于只利用一路信號，電路簡單，但性能較差。

② 等增益合并

等增益相加是指所有分集支路的增益相等，即各項的加權系統ai為常數，這種情況，在多路信號的信噪比差不多時，其信噪比改善為：

Em=1+(π/4)(m-1)，

(10)

式中，m為分集重數。

當某一信號為零或很小時，其噪聲仍然存在，在這種情況下，等增益相加反而會降低系統誤碼率，性能反而會低于選擇式合并。對于微波超視距瑞利信道條件下，等增益合并也不是分集接收的最佳合并方式。

③ 最大比值合并

最大比值相加是最佳比例相加或比值平方相加，一種典型的比值平方相加輸出信號為：

S(t)=(1/N)[S12(t)+S22(t)+······+Sm2(t)]，

(11)

式中，N為平均噪聲功率。

在最大比值相加中，信號強的支路所做的貢獻成平方律相加。最大比值合并中，加權系數與相應接收信號強弱成正比，即信號較強的一路多輸出一些，信號弱的支路少輸出些。由此可見，采用最大比值合并充分考慮了信道質量，特別是首先進行信噪比估計，以此作為加權系數，合并后信號振幅和各支路信噪比相聯系，信噪比愈大的支路對輸出信號貢獻愈大，相比其他相加策略性能最好，也是目前工程上首選的分集合并方式。圖4給出了不同分集支路和合路的快衰信號包絡示意圖。

圖4 不同分集支路和合路的快衰信號包絡示意圖

2.2 調制解調方式

調制解調方式是體現通信系統先進性的一個重要特征，在數字通信系統中，可供采用的調制方式有FSK調制、ASK調制、PSK調制以及QAM調制[13-14]，調制階數有二階調制、四階調制以及M階調制(M>4)。其中在調制階數相同且均采用相干檢測條件下，PSK比FSK、ASK具有更強的抗干擾能力，亦即具有更低的解調門限電平；QAM主要用于多進制數字調制(M>4)，在M相同的條件下，MQAM比MPSK的抗干擾能力更強，通常采用較大的進制數M以提高頻帶利用率[15-16]，但是與二階、四階調制相比，高階調制(M>4)具有較大的性能損失，幾種不同調制階數以及調制方式的恒參理論曲線如圖5所示。

由圖中曲線可知16QAM比BPSK/QPSK在AWGN信道條件下當誤碼率為10-5時的性能損失高達3.5 dB以上，則其在超視距傳輸這種時變衰落信道中的性能損失更加嚴重。在微波超視距傳輸中，業務速率為256～2 048 kb/s，即使采用四階調制方式時其占用的帶寬也較易滿足；但是由于微波超視距信道傳輸損耗較大，是一種功率受限信道，必須提高功率利用率、盡量降低功耗，需要選擇具有最低解調門限的調制方式；綜上所述在微波超視距傳輸中更適宜選擇BPSK/QPSK調制方式。

圖5 QPSK、8PSK、16PSK、16QAM恒參理論曲線

3 工程設計

微波超視距通信系統傳輸距離一般為45～90 km，存在視距、繞射、繞射+散射、散射等多種傳播模式，工作頻段為C頻段，通信速率為256～2 048 kb/s。

3.1 鏈路預計

根據上述討論的鏈路預計方法，在兩端站分別架高18 m條件下計算45～90 km范圍內的傳輸損耗，計算結果如表1所示。

表1 超視距傳輸損耗計算結果

3.2 系統設計

微波超視距通信系統根據微波通信系統的基本設備能力進行設計，設備發射功率設計為5 W，天線口徑1.2 m左右，并架高18 m實現傳輸距離的延伸。通信距離為90 km時，為典型散射信道，鏈路傳輸損耗為208 dB。

無分集時，誤碼率10-5的通道信噪比為30 dB[17]，此時系統接收門限為：

(12)

則此時系統余量為：

G余=PT+GT+GR-L-Pi=

37+32.5+32.5-208+108=2 dB。

(13)

根據散射鏈路傳播可靠度預測方法[18]，傳播可靠度要求為99%時，系統余量要求不小于25 dB。如此低的系統余量顯然不能滿足系統可靠傳輸的需求，需要采用多重分集技術提高系統的傳輸能力。

根據設計與分析，采取“4重空間×2重頻率”(總共達8重)、B/QPSK調制、相干檢測，并對各接收支路信號采用最大比值方式進行合并，在瑞利衰落信道條件下進行仿真。仿真結果顯示在誤碼率10-5時，所需每個空間分集支路信噪比約為5 dB，與無分集時的單通道性能相比，改善大約25 dB。

采用的 8重分集措施時，系統余量可達到27 dB，可實現衰落信道下系統的平穩傳輸。因此本系統采用“4重空間×2重頻率”的8重分集技術體制。

通過系統設計，微波超視距通信系統主要技術指標要求和設備能力如下：

工作頻段：C頻段；

發射功率：≥5 W(天線口)；

天線及架高：口徑1.2 m、架高18 m；

業務速率：256 ～2 048 kb/s；

調制方式：BPSK/QPSK；

分集重數：8重。

3.3 試驗驗證

華北地區數條鏈路損耗測試結果如表2所示，與上述理論分析結果相比，二者波動誤差小于5 dB，證實了上述鏈路預計方法基本有效。

表2 鏈路損耗測試數據

因此微波超視距傳輸中，對于鏈路傳輸損耗可按照上述方法初步估算，同時結合實測結果進行一定修正，用于指導系統設計，特別是對于影響系統能力的各項參數與指標具有重要參考。

4 結束語

本文從具有視距、繞射、繞射+散射、散射等多種傳輸模式的微波超視距通信信道著手，首先研究了集多種模式于一體的微波超視距信道特性，對視距傳播、繞射傳輸及散射傳輸等幾種傳輸方式入手，從工程理論和實踐結果給出了其鏈路預計的公式。然后根據瑞利傳輸信道的衰落特性，分析了采用的相關技術。最后結合工程實踐，設計實現了一個微波超視距通信試驗系統，測試結果與理論計算一致，具有良好的推廣性。

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Analysis on Microwave BLOS Communication Channel Characteristics and Design on a Microwave BLOS Communication System

WANG Zhao-ying1,WANG Qing-fen2,WANG Ye3

(1. Unit 96819,PLA,Beijing 100015,China; 2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 3. Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an Shaanxi 710121,China)

Aimed at the problems of microwave relay communication system such as the short communication distance,more difficult maintenance,poor mobility and environmental adaptability,etc.,this paper puts forward a design method of microwave BLOS transmission based on analyzing channel characteristics of microwave BLOS communication. On the basis of prediction formulas derivation of microwave BLOS link,a theoretical basis is provided to the design of transmission system. By analyzing the channel type,the anti-fading technology is put forward and simulated for rayleigh channel. At last,an engineering example is given,and the consistency of theoretical analysis and practice results show that this design is available.

microwave relay; BLOS; transmission characteristic; anti-fading technology

2017-06-16

通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室開放基金資助項目(EX156410046)

王肇嬴(1980—)，男，工程師，碩士，主要研究方向：指揮通信。王清芬(1979—)， 女，高級工程師，碩士，主要研究方向：微波散射通信。王 燁(1980—)，女，講師，碩士，無線電物理專業，主要研究方向：光信息傳輸與處理。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.06

王肇嬴，王清芬，王燁. 微波超視距通信信道特性分析與系統設計[J].無線電通信技術,2017,43(5): 24-28.

[WANG Zhaoying,WANG Qingfen,WANG Ye.Analysis on Microwave BLOS Communication Channel Characteristics and Design on a Microwave BLOS Communication System [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):24-28.]

TP391

A

1003-3114(2017)05-24-5