空地鏈路無線信道大尺度衰落模型的研究

鄭彩順，張財元，劉武超，劉冰炎

（天津七一二通信廣播股份有限公司，天津 300462）

無線信道衰落模型與無線信道衰落問題之間有著較為密切的聯系。一般情況下，無線信道中的衰落問題可以大尺度衰落與小尺度衰落兩種形式。路徑損耗和陰影衰落是導致大尺度衰落問題的主要原因。在移動通信體系中的移動臺的移動性特征的影響下，研究者在無線信道大尺度衰落問題研究過程中所構建的模型包含有常量模型、純多普勒模型和瑞麗模型等多種模型。隨著無線信道衰落問題的研究工作的開展，高空平臺通信網絡空地鏈路無線信道大尺度衰落問題開始得到了一些研究者的關注。在無線通信方式的影響下，空地鏈路通信過程的影響因素包含有降雨、云霧和大氣吸收等多種因素。

1 空地信道測量體系的構建

降雨、云霧和大氣吸收等因素對空地鏈路通行過程的影響具有著動態化的特點，空地鏈路無線信道大尺度衰落模型的研究工作中，上述因素對網絡性能的影響的模擬過程，可以被看作是研究工作中的難點要素[1]。根據空地鏈路無線信道大尺度衰落模型研究工作的實施情況，多天線信道模型與應用于高空平臺站通信的信道模型的建設工作已經得到了一些學者的關注。在空地鏈路無線信道大尺度衰落模型研究工作開展過程中，電波傳播特征也是研究者所不可忽視的內容。

空間信道測量是空地鏈路無線信道大尺度衰落模型研究工作中的重要內容。在空地信道測量體系建設過程中，研究者可以將野外開闊地視為一種相對理想的信道測試環境。在測試環境為野外開闊地的情況下，空地鏈路無線信道大尺度衰落研究的影響因素相對有限，故而在定向天線保證直視路徑的情況下，研究過程可以為研究結果的精確性提供保障。以C頻段空地鏈路無線信道大尺度衰落問題的研究工作為例，研究工作中使用的天線為定向天線，天線的高度為4m。

空中飛行器搭載的發射天線的頻段為C頻段。在發射機發射信號以后，測試接收機需要在存儲接收信號以后，開展后端分析處理。地面基站需要發揮出對飛行器的高度和距離進行定位的作用。根據信道測試數據的相關內容，在飛行器高度在600-1500m之間的情況下，飛行器的仰角由35°降至0.7°。在對通信距離的影響因素進行分析以后，我們可以發現，在通信距離高于45km的情況下，飛機的高度在1500m左右，在通信距離不斷增大的情況下，低仰角區域通信傳播特性會更接近于地面鏈路的傳播特性。

2 空地鏈路無線信道大尺度衰落模型的路徑損耗預測模型

從本文中涉及到的信道測試環境及Okumura-Hata模型的相關內容，以下公式為電波傳播的接收功率的對數公式：

在上述公式之中，Pr指代的內容為電波傳播的發射功率；Gt用于表示發射天線的增益值；Gr指代的內容為接收天線的增益值，Lb用于表示路徑損耗值。以下以下公式為Okumura-Hata模型下的路徑損耗值計算公式：

式中，β指代的內容為通信距離在20km以上時的修正指數；a（hr）為移動臺高度天線影響的修正項。

根據空地鏈路無線信道路徑損耗預測模型研究工作的實際情況，研究者需要對不同模型的接受功率進行分析。在對不同模型的路徑損耗預測與測試數據之間的差異性進行分析以后，我們可以發現，空地信道不同仰角區域的電波傳播特性與仰角范圍之間有著一定的聯系，如在仰角值大于40°的高仰角區，點播的傳播特性表現為自由空間的傳播特性，與之相關的預測模型為自由空間模型；在仰角角度在2.5°以內的低仰角區，電波傳播特性與地面鏈路傳播特性之間存在著一定的聯系。此時研究者可以應用的模型為地面信道模型。

3 空地鏈路無線信道大尺度衰落模型的空地信道二徑模型

Egli模型是空地信道二徑模型研究工作中常用的一種研究模型。注意額模型建立在美國聯邦通信委員會收集的實驗數據的基礎之上[2]。在空地信道二徑模型研究工作開展過程中，一些學者在對與二反射有關的兩射線平地模型進行修正以后，認為空地信道與二反射模型的自身特征之間存在著一定的相似性。通過對低空信號的特征進行分析，我們可以發現，在地形、地物和大氣等因素的影響下，多徑與地面站天線仰角及天線波束跨度之間存在著一定的聯系，三者之間的關系與地面站附件地物、地貌反射、飛行器機體反射及地面點反射之間有著較為密切的聯系。

二徑平衰區域為地空通信中的衰落陰影區。衰落陰影區的衰落深度可以被看作是系統余量及相關抗衰落措施的的決定因素。地面反射系數是二徑模型中描述反射特性的重要參數。除此以外，直達徑與反射徑之間的收發天線增益，直達徑與反射徑之間的路程差及等效地球半徑因子等因素也需要得到研究者的關注。根據本文中提及的C頻段空地鏈路無線信道二徑模型研究工作的實際情況，與之相關的天線模式可以被定義為定向-全向天線模式，此時根據二徑模型計算結果，在通信距離在45km以內的情況下，二徑模型的預測值與實測數據會表現出范圍接近的特點，在通信距離大于45km的情況下，二者之間的誤差值相對較大。

4 結束語

空地鏈路無線信道大尺度衰落模型研究工作在地空通信研究領域發揮著重要的作用，根據現有路徑損耗預測經驗公式構建基于傳統二徑模型的研究模型，可以為空地鏈路通信系統設計工作提供一定的理論支持。