對流層散射通信信道特性分析

趙玉剛

摘 要：由于對流層散射通信存在諸多優點，無論在軍事或民用方面都得到了較為廣泛的應用，但是對流層散射通信信道是隨參信道，信號傳輸損耗較大，存在多徑效應，且快衰落和慢衰落現象較為明顯，嚴重影響了信號傳輸。本文從對流層散射傳播損耗、對流層散射傳播衰落以及對流層散射傳播的多徑效應等方面對對流層散射信道特性進行了分析，對研究超短波、微波遠距離通信傳輸具有重要的意義。

關鍵詞：對流層散射；信道特性；損耗；衰落；多徑效應

與其他通信方式相比，對流層散射通信，其通信距離遠、保密性能好、抗毀能力強、不受太陽黑子、電離層擾動，尤其不受核爆炸的影響，且能實現全天候可靠通信，無論在軍事或民用方面都得到了較為廣泛的應用。但是，對流層散射通信信道傳輸損耗較大，存在多徑效應，其快衰落和慢衰落現象較為明顯，嚴重影響了信號的傳輸。下面從對流層散射傳播損耗、對流層散射傳播衰落以及對流層散射傳播多徑效應等方面對對流層散射信道特性進行分析。

1 對流層散射傳播損耗

對流層散射通信信號傳輸距離較遠，信號在傳輸過程中損耗較大，所以到達接收機的信號比較微弱，為了能夠正常完成通信，一般采用較大功率的發射機和方向性較強的天線。從散射通信信號的傳輸路徑上來看，其傳播損耗主要包括散射損耗、自由空間的損耗、大氣吸收損耗、天線高度損耗、信號傳輸耦合損耗以及天線方向偏移損耗等[1]。

1.1 散射傳播損耗與距離的關系

影響散射傳播損耗的因素較多，主要包括通信距離、頻率、氣候、季節等，其中，通信距離的變化對散射傳播損耗的影響最為明顯。通過大量實驗研究數據發現，當通信距離在100～400KM范圍內時，每增加1KM傳輸損耗增加0.5分貝。當距離超過500KM后，散射傳播損耗隨著距離增加而增大的速率會降低，并且，距離越長，損耗增加的速率越慢。

1.2 散射傳播損耗與頻率的關系

對流層散射通信，是利用對流層大氣中的散射體對信號的散射作用而實現通信的。從其傳輸路徑上來看，散射傳播機理為前向散射。接收端一般都位于散射方向圖的半功率角之外。頻率越高，散射體方向圖越窄，能到達接收端的能量就越小，其散射損耗就越大。所以，通常當信號頻率增加時，散射傳播損耗會增大。 觀測統計數據顯示，頻率的變化對傳輸損耗的影響并不顯著，在某些情況下，甚至與頻率無關。例如，當信號頻率從1000MHz增加到4000MHz時，散射損耗僅增加約5分貝。

1.3 散射傳播損耗與時間的關系

散射傳播損耗與季節變化有關。隨著季節的不同，一年內散射傳播損耗變化幅度約為15～20分貝。另外，北半球冬季的傳播損耗要大于夏季。對流層散射傳播損耗還存在著日變化，這種變化同樣會隨著季節不同而變，一般來說夏季比冬季變化要大。但總體來說，這種影響要比對短波的影響小，所以對流層散射通信不需要在晝夜更替時改變工作頻率，只要在線路設計時做出一定的衰落預留即可。

1.4 大氣吸收損耗

實際的對流層大氣不是理想的傳輸介質，當電磁波在對流層大氣中傳播時，隨著頻率的增大，大氣的吸收損耗會增加。對流層散射傳播的工作頻段一般在超短波和微波波段，大氣損耗會比較明顯。引起大氣吸收損耗的原因主要有兩個，一是諧振吸收，二是微粒散射[2]。

1.5 信號傳輸時的耦合損耗

發射天線輻射的電磁信號，其各個分量會通過不同的路徑到達接收端，使得到達接收天線的信號由于相位的不同而不再是平面波，天線的利用系數會降低。同時，對流層散射通信通常使用大口徑、強方向性的天線，天線波束較窄，這使得散射體的體積較小，接收點的場強減小。此外，對流層散射傳播時，由于對流層大氣的不理想，電波不會僅從最佳接收方向到達接收端。綜合上面的各種因素，信號傳輸的實際增益會降低，且理論增益越大下降越多。

2 對流層散射傳播衰落

對流層散射信道存在衰落現象，這種衰落包括快衰落和慢衰落。由于對流層大氣變化的隨機性，所以這種衰落現象也具有隨機性。接收點電平或功率短時間內出現快速變化起伏，稱為快衰落，接收點電平或功率以晝夜、月、年為周期出現長期變化，稱為慢衰落。這里主要對慢衰落進行分析。

慢衰落主要表現在短期信號電平中值隨著時、日、月或年產生緩慢變化。一天當中，信號電平一般在午夜和早晨最強，在12～18時最弱，并且其變化幅度與距離有關，距離較遠時，變化幅度較小。一月當中，電平變化幅度可達26dB，相鄰兩天的信號電平變化一般在3～4dB，最高可達21dB。

慢衰落現象的產生主要是由于氣象條件的變化造成的。氣象條件的變化會造成湍流起伏強度以及大氣分層狀況等的變化，從而造成對流層大氣折射率和梯度出現相應的變化。對流層大氣的折射率和梯度與溫度、濕度和大氣壓力有關，當大氣溫度上部升高或下部降低，大氣濕度上部降低或下部升高時，對信號電平有利。在北半球，夏季地面較為潮濕，冬季地面干燥，而在高空中，大氣濕度隨著季節的不同變化較小，所以，信號電平冬季較強，夏季較弱。一天當中，在白天，地面由于太陽的照射先于大氣受熱，對流層大氣溫度下高上低的程度較明顯，晚上情況正好相反。所以，信號電平一般晚上要比白天強。此外，慢衰落還與氣候、大氣運動以及地形等有較為密切的關系。氣候地帶（如熱帶、亞熱帶等）不同、地理環境（如海上、山地等）不同，對電平的影響也不同。

從統計學上來說，對流層散射傳播時的慢衰落信號電平滿足對數正態分布，即信號電平的對數滿足正態分布[3]。

3 對流層散射傳播的多徑效應

對流層散射信道存在多徑效應，主要體現在：多徑傳播時延引起信號擴展、多普勒頻移引起的隨機頻率調制以及信號強度短時間或短距離的急劇變化等方面[4]。這種多徑效應會造成信號的快衰落。快衰落是指信號電平或功率在較短時間內出現快速隨機起伏，在這種情況下，慢衰落可忽略不計。其原因主要是由于信號的傳輸路徑的不同造成的，也就是說，同一傳輸信號會通過不同路徑到達接收端，接收信號由于相位的不同相互干涉形成多徑波，最終被接收天線所接收。信號電平快衰落變化的強度取決于多徑波的強度、傳播時間以及傳播信號帶寬等。

4 結束語

對流層散射通信信道是隨參信道，信號傳輸損耗較大，存在多徑效應，且快衰落和慢衰落現象較為明顯，嚴重影響了信號傳輸。但是，由于對流層散射通信存在的諸多優點，無論在軍事或民用方面仍然得到了較為廣泛的應用。本文從對流層散射傳播損耗、對流層散射傳播衰落以及對流層散射傳播的多徑效應等方面對對流層散射信道特性進行了分析，對研究超短波、微波遠距離通信傳輸具有重要的意義。

參考文獻

[1]李立軍.對流層散射鏈路傳輸損耗的工程計算[J].計算機與網絡，2007（3）：92-93.

[2]薛曉清.對流層與電離層中電波傳播的相關問題研究[D].西安電子科技大學，2009.

[3]李可立.基于DSP的對流層散射信道仿真[J].現代電子技術，1998（1）：1-4.

[4]顧海龍，陳樹新.對流層散射通信信道建模及系統性能仿真[J].通信技術，2008，41（9）：26-28.