U/V超視距通信信道分析與系統設計

孫柏昶，林增濤

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96921部隊，北京 100051)

0 引言

U/V頻段通信在軍事通信中應用非常廣泛，該頻段電磁波具有繞射能力強、傳輸損耗低、信號覆蓋特性好以及具備動中通能力等突出特點。

傳統的U/V頻段通信設備，如VHF/UHF電臺已廣泛應用于公安、邊防、森林及交通等眾多領域。但由于其通信距離有限，僅能用于30 km以內的視距通信，其超視距通信保障問題一直是非常薄弱的環節，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]。關于100 km以上的U/V頻段信道特性和通信設備的研究也較少。

鑒于上述問題，本文從探究超視距信道傳輸特性出發，分析繞射和散射的不同，從而尋找合適的U/V超視距通信系統。

1 超視距傳播信道特性分析

對流層超視距遠距離電磁波傳播模式有3類：第1類是對流層散射傳播，第2類是超視距繞射傳播，第3類是混合傳播，既包含對流層散射傳播模式，又包含超視距繞射傳播模式[2-3]。對流層散射是對流層中不均勻體對超短波以上的無線電波的散射，散射信道為變參信道，即瑞利信道；超視距繞射傳播又分為光滑球面繞射和山峰繞射，繞射信道為恒參信道；混合信道為萊斯信道。

1.1 理論分析

本文以光滑球面為對象，對繞射、散射的傳播特性進行分析，并通過仿真給出在不同損耗等級條件下的衰落深度以及信道類型分類。

① 繞射傳播模式

在相同距離上，不同的波長繞射衰減因子不同，波長越短，繞射衰減就越大，故無線電波的繞射能力與電波的波長有關。波長越長，繞射能力越強；波長越短，繞射能力越弱。

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[4]：

Ldr=Lf+Ld，

(1)

Lf=32.4+20lgf+20lgd。

(2)

由式(1)看出，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式(3)計算：

Ld=G(x0)-F(x1)-F(x2)-20.67 ，

(3)

式中:

(4)

式中，f為頻率(MHz)，d為通信距離(km)，dt和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(km)，Re為距離等效地球半徑(km)，ht，hr分別為收、發天線高度(m)[4]。對于大的x值，G(x)，F(x)分別為：

G(x)≈0.057 104x-lolg(x)+2.066,
F(x)≈G(x)-1.356。

② 散射傳播模式

對流層散射傳播的機理目前主要有3種：湍流不相干散射、不規則層反射和穩定層相干反射[5]。從信號上看，分為3類：典型散射信號、大氣波導信號與近似大氣波導信號。典型散射信號的特點就是具有明顯的快衰落特征。大氣波導信號接收電平比典型散射信號高出10～20 dB甚至更多。快衰落是散射信號在秒至分鐘時間間隔內信號的強度變化，與頻率、距離等因素有關。慢衰落是信號電平長時間的中值波動，一般用年中值損耗作為散射建站的考慮因素之一[6-7]。

散射年中值損耗根據國際電聯CCIR推薦的第一算法zhang算法進行計算[3]，具體計算方式為：

Lb=M+30lgf+30lgΘ+10lgd+

20lg(5+γH)+4.343γh，

(5)

式中，f為頻率(MHz)，d為通信距離(km)，Θ為散射角(mrad)，H為最低散射點高度(km)，M，γ分別為表示氣象和大氣結構參數。

1.2 野外測試數據及統計結論

通過野外信道測試，本文對300 MHz頻率信號分別在88，111，150，200 km等4條野外試驗鏈路進行了長期測試，在數萬組測試數據統計的基礎上對接收信號的衰落特性進行了統計分析，給出了不同信道類型的衰落深度比較，如表1所示。

表1 不同信道類型的衰落深度比較 dB

根據工程經驗，散射年中值損耗-繞射損耗大于15 dB時，為繞射信道;當小于-15 dB時為散射信道;當位于-15～15 dB之間時為散射、繞射混合傳輸信道(簡稱混合信道)。依此對繞射信道、散射/繞射混合信道和散射信道3種類型信道所占比例進行了統計分析，統計結果如表2所示。

表2 野外試驗數據對信道類型的統計分析

鏈路距離/km不同類型信道所占比例/%繞射混合散射88 232651111 541037150 132761200 21979

對統計結果進行分析如下，U/V超視距通信信道衰落類型較為復雜，所有距離條件下均存在較多的信道衰落類型。隨著通信距離的增加，散射信道占的比例呈增加趨勢，在200 km鏈路距離時散射信道類型約占80%，另一方面繞射信道所占比例隨距離的增加急劇變小，在200 km時繞射信道類型所占比例僅2%；信道受天氣影響較大，大氣波導、層反射等傳播模式較多，當該類傳播模式出現時信號接收電平大幅增加。

2 U/V超視距通信系統設計及性能分析

根據對U/V超視距信道的理論分析及實際測試，U/V超視距通信設備設計必須考慮信道衰落對通信系統設計的影響。

對抗信道衰落，散射通信系統多采用空間分集的體制，但是如果采用該體制對傳統的U/V頻段通信設備進行改造，必然會導致設備體積變大，系統形態較為復雜、使用優勢降低。因此本文提出了一種U/V超視距通信系統設計方案，在保持U/V頻段通信設備使用優勢的條件下實現超視距通信。

該方案采用頻率隱分集+降速率與失真自適應解調+自適應變速率的體制，依據頻率隱分集對抗衰落，降速率與失真自適應解調對抗多徑，自適應變速率提高系統性能[8-13]。

下面重點分析一下體制中頻率隱分集方式。幾種分集技術在U/V超視距信道中的適應性分析如表3所示，由表3可以看出，綜合考慮使用性、帶寬以及系統能力，采用頻率隱分集技術可以在采用1面天線、1套發射機的條件下具有較好的超視距通信能力，實現U/V頻段通信設備的超視距通信，因此本文采用頻率隱分集的體制。

表3 幾種分集方式的使用效果比較

分集方式優勢分析劣勢分析空間顯分集抗衰落效果較好實現分集效果需采用多天線體制,另外由于低頻段分集距離在數十米以上,使用靈活性較差頻率顯分集抗衰落效果較好,需占用較寬帶寬實現分集效果需部署兩套獨立工作的功率放大器,靈活性較空間分集有明顯提升頻率隱分集抗衰落效果與頻率顯分集一致由于共用同一功放會造成單分集支路的功率分散,使用較為靈活

圖1給出了頻率隱分集體制下的發射信號處理實現原理框圖，對1個信源輸出端的信號分別進行T/3，2T/3延遲的信號以及不延遲的信號分別經過成形濾波器進行基帶成形，在成形后分別進行f0，f1，f2調制低中頻處理，在處理完成后將3路信號進行疊加即可實現帶內三頻隱分集的發射信號，在接收端分別對3路信號進行下變頻處理后進行合并，即可實現三重頻率隱分集。

圖1 三重頻率隱分集發射端實現原理框圖

3 系統性能仿真及驗證

3.1 軟件仿真

利用Matlab仿真模型，分別在散射信道、混合信道條件下，對頻率隱分集以及無分集方式下系統的誤碼性能進行仿真分析[14-16]。采用三重頻率隱分集以及無分集時在散射信道衰落條件下的的誤碼性能對比曲線如圖2所示，由圖2可以看出三重頻率隱分集與無分集時的誤碼曲線交叉點在2×10-2，當誤碼率優于2×10-2時，三重頻率隱分集的性能較好，而不采用分集時其誤碼性能隨信噪比增加誤碼性能無明顯改善。圖3為混合信道(萊斯因子=5)條件下誤碼性能仿真結果，可以看出混合信道條件下，采用三重頻率隱分集對誤碼性能改善起到較好的效果，尤其隨著信噪比的增加對誤碼性能的改善效果更加明顯，因此采用三重頻率隱分集可顯著改善散射信道、混合信道條件下的誤碼性能，可作為其抗衰落波形設計的一種方式。

圖2 散射信道條件下的分集性能仿真

圖3 混合信道(萊斯因子=5)條件下的 三重隱分集性能曲線

3.2 外場試驗驗證

依據本文提出的U/V超視距通信系統方案研制了原理樣機[17-18]，在80～200 km的距離范圍內進行野外試驗，遠距離、寬帶通信等測試均取得良好的試驗效果，其中200 km的可靠傳輸速率在64 kbps量級，100 km的可靠傳輸速率為2 048 kbps，表明了方案的可行性，實現了U/V通信設備的超視距通信能力拓展。

4 結束語

根據U/V頻段電磁波在無線鏈路上傳播模式及野外試驗測試結論，在保留或不過多改變現有U/V頻段通信設備形態的條件下，針對U/V超視距信道的復雜傳播特性,本文提出U/V超視距通信系統方案，使之具備了超視距傳輸能力，為后續設備研制、改造奠定了技術基礎。