一種復(fù)雜環(huán)境下對(duì)流層散射通信鏈路分析方法

黃 河，王永杰，余 蕾

(1.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)，北京 100085；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

對(duì)流層散射通信是各個(gè)國(guó)家應(yīng)急通信網(wǎng)和軍事通信網(wǎng)中不可缺少的重要組成部分[1]。隨著天線(xiàn)技術(shù)、功放技術(shù)、芯片和集成電路技術(shù)的發(fā)展，小型化的散射通信設(shè)備成為發(fā)展趨勢(shì)。小型便攜化將推動(dòng)散射通信設(shè)備的廣泛應(yīng)用，背負(fù)式散射通信電臺(tái)將逐漸形成裝備，散射通信也從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信發(fā)展為多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)組網(wǎng)通信。對(duì)流層散射通信受使用區(qū)域地形地貌和氣象條件影響較大，其傳輸影響因子包括傳輸距離、收發(fā)頻率、天線(xiàn)俯仰角、散射體高度、地區(qū)分布和氣候條件等諸多因素。為了更好地在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)散射電路進(jìn)行性能分析和優(yōu)化鏈路規(guī)劃，預(yù)測(cè)在高山越障、降雨和大霧等復(fù)雜環(huán)境下對(duì)流層散射的傳輸損耗和通信性能，需要對(duì)影響通信的重要傳播參數(shù)進(jìn)行估算，對(duì)傳輸損耗估算方法進(jìn)行分析，形成復(fù)雜環(huán)境傳播損耗和預(yù)期通信質(zhì)量態(tài)勢(shì)圖，指導(dǎo)通信鏈路規(guī)劃與組織運(yùn)用。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)對(duì)流層散射在通常條件下的損耗進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)條件下的鏈路損耗計(jì)算方法。本文基于前人的研究成果和最新版的ITU-R P.617文件，針對(duì)不同地形條件和復(fù)雜氣象環(huán)境提出了一種散射通信電波傳輸損耗分析方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了計(jì)算方法的適應(yīng)性和準(zhǔn)確度。

1 散射傳播機(jī)理

散射通信電波在大氣底部的對(duì)流層內(nèi)傳播，對(duì)流層在2個(gè)方面對(duì)電波產(chǎn)生影響，一方面是對(duì)流層大氣的吸收損耗；另一方面因?yàn)閷?duì)流層的非均勻性導(dǎo)致電波的傳播方向偏離直線(xiàn)方向。也就是說(shuō)，如果大氣是均勻的，介電常數(shù)是一個(gè)常數(shù)，那么電波將沿直線(xiàn)傳播。實(shí)際上對(duì)流層是不均勻的，介電常數(shù)隨著離地高度和溫度的變化而變化，所以實(shí)際上電波在對(duì)流層中并不是沿直線(xiàn)傳播。假設(shè)有A，B兩個(gè)對(duì)流層散射通信站點(diǎn)，A站發(fā)送天線(xiàn)方向圖主瓣與B站天線(xiàn)方向圖主瓣的延伸在對(duì)流層中交會(huì)形成公共散射體，這個(gè)公共散射體的對(duì)流層大氣空間，實(shí)質(zhì)上對(duì)散射通信做貢獻(xiàn)。根據(jù)湍流理論，公共散射體存在大氣湍流運(yùn)動(dòng)，湍流運(yùn)動(dòng)是非常不規(guī)則的氣流運(yùn)動(dòng)，能夠形成許多漩渦。漩渦不斷運(yùn)動(dòng)和變化，氣體密度、尺寸與形狀也在不斷變化，與此相應(yīng)的是介電常數(shù)和折射指數(shù)同時(shí)在變化，這種漩渦湍流團(tuán)被稱(chēng)作“不均勻體”[3]。在對(duì)流層公共散射體中，入射的無(wú)線(xiàn)電波遇到許許多多隨機(jī)運(yùn)動(dòng)且大小各異的不均勻體，引起其中分子的電荷發(fā)生相對(duì)位移，從而感應(yīng)出電流。在漩渦的尺寸與入射無(wú)線(xiàn)波的波長(zhǎng)匹配時(shí)，這些不均勻體就像基本偶極子天線(xiàn)那樣將能量輻射出去，其中一部分能量輻射向接收天線(xiàn)，每一個(gè)二次輻射體均對(duì)接收天線(xiàn)提供一個(gè)散射場(chǎng)強(qiáng)分量[4-5]，對(duì)流層散射通信如圖1所示。

圖1 對(duì)流層散射通信示意Fig.1 Tropospheric scatter communication diagram

一般情況下，散射通信電波是沿水平線(xiàn)方向傳播，發(fā)射角一般不超過(guò)2°。隨著散射通信應(yīng)用的不斷增多，發(fā)現(xiàn)散射通信在5～100 km的越障通信具有良好的發(fā)展前景[6-7]。在該種通信條件下電波波束為高仰角，散射角通常大于5°。在復(fù)雜環(huán)境中，散射機(jī)動(dòng)通信根據(jù)地形環(huán)境和部署靈活使用散射通信的2種模式，即常規(guī)模式和高仰角模式。常規(guī)模式下散射角度小，散射電波指向沿地球切線(xiàn)方向；越障模式下散射角度較大，散射電波波束指向較高。

2 影響因素分析

影響對(duì)流層散射鏈路損耗的因素包括地形、氣象條件、傳輸距離、工作頻率和散射體高度等[8-9]。本文中傳輸損耗是指發(fā)射天線(xiàn)口面與接收天線(xiàn)口面之間的無(wú)線(xiàn)電在自由空間傳播所產(chǎn)生的損耗，不包括通信設(shè)備的屬性參數(shù)如天線(xiàn)增益、饋線(xiàn)損耗和插損等。ITU-R P.617給出了通常條件下散射通信傳輸損耗的估算方法，該方法可對(duì)常規(guī)模式下散射通信性能進(jìn)行分析，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值有較小誤差。通過(guò)對(duì)流層散射接收的信號(hào)呈現(xiàn)出快變化和慢變化2種特性。慢變化特性是由于大氣折射條件的總體變化以及小尺度不規(guī)則氣流運(yùn)動(dòng)的快速衰減，小時(shí)中值傳輸損耗的分布可以描述慢變化。這種傳輸損耗近似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差在4～8 dB之間，受氣候因素影響。快變化在最長(zhǎng)5 min的時(shí)段內(nèi)近似于瑞利變化。

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]，對(duì)于無(wú)線(xiàn)電波在對(duì)流層的散射傳播，p%時(shí)間不被超過(guò)的平均年基本傳輸損耗可以表示為：

Lbs(p)=F+22lgf+35lgθ+17lgd+Lc-Yp，

(1)

式中，F(xiàn)為氣象因子，單位dB；f為頻率，單位MHz；d為距離，單位km；θ為散射角，單位mrad；Lc為天線(xiàn)口徑與介質(zhì)耦合損耗，單位dB；Yp為p%時(shí)間不被超過(guò)的變換因子，單位dB。

式(1)中F的計(jì)算公式為：

(2)

式中，N0代表年均海平面折射率；dN代表年均無(wú)線(xiàn)折射指數(shù)遞減率；hs代表地球表面高于海平面的高度；hb代表均質(zhì)大氣高度，在不同氣候條件下通過(guò)統(tǒng)計(jì)獲得，全球均質(zhì)大氣高度通常定義為hb=7.35 km。

式(1)中θ是發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的實(shí)際地平線(xiàn)之間的夾角，即

θ=θe+θt+θr，

(3)

式中，θt為發(fā)射天線(xiàn)地平角；θr為接收天線(xiàn)地平角，

θe=d×103/ka，

(4)

式中，d為收發(fā)天線(xiàn)的距離，單位km；a為地球半徑，通常取值6 370 km；k為等效地球半徑因子，通常情況取值4/3。

式(1)中介質(zhì)耦合損耗Lc計(jì)算公式為：

Lc=0.07exp [0.055(Gt+Gr)]，

(5)

式中，Gt，Gr分別代表收發(fā)天線(xiàn)增益。

式(1)基本傳輸損耗p%時(shí)間不被超過(guò)的時(shí)間變換因子Yp為：

(6)

(7)

式中，hb的取值同式(2)；k，a取值同式(4)。

在200 MHz～5 GHz通信頻率范圍內(nèi)，散射公共體離地高度小于1 km的條件下，大氣折射指數(shù)隨高度變化基本滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系[1]，ITU-R P.617方法預(yù)計(jì)準(zhǔn)確度較高，比較符合我國(guó)實(shí)際應(yīng)用。但是，當(dāng)散射角增大，即散射公共體高度大于1 km時(shí)，按照式(1)估算的傳輸損耗誤差值會(huì)增加。散射角度的增加一般會(huì)有以下幾種因素影響傳輸損耗，一是散射角增加使散射界面減小；二是散射體高度的增加引起大氣折射指數(shù)的降低；三是有效散射體體積會(huì)減小。以上各種因素疊加會(huì)使散射損耗增大[12]。工程中有2種常用的方法計(jì)算高散射角條件下鏈路損耗。一種是ITU-R P.617算法基礎(chǔ)上技術(shù)修正量，另外一種是使用美國(guó)陸軍對(duì)流層散射工程手冊(cè)的傳輸損耗估算方法。本文采用在ITU-R P.617算法上進(jìn)行修正的方法。計(jì)算附加高散射角附加損耗，高仰角散射附加損耗可表示為：

Lθ=Ls+Lv+LN=

(8)

式中，s1=α/β；s2=β/α；α，β，θ的含義如圖1所示。ΔN為：

ΔN=Ns1-Ns2=Ns(ech1-ech2)，

(9)

式中，Ns為地面折射指數(shù)；h1為通常情況下散射體離地面高度；h2為散射角增加后散射體離地面高度，單位km；c與氣候有關(guān)，溫帶地區(qū)取值0.136。

綜合考慮高仰角帶來(lái)的誤差，高仰角散射鏈路損耗為：

L=LG+Lθ，

(10)

式中，LG根據(jù)式(1)計(jì)算；Lθ根據(jù)式(8)計(jì)算。

對(duì)流層散射通信是在大氣層內(nèi)完成的通信，因此容易受到天氣的影響。在壞天氣時(shí)鏈路損耗需要考慮降雨衰減，降雨和冰晶層可導(dǎo)致法拉第效應(yīng)[13-14]。降雨衰減跟雨量和穿過(guò)雨區(qū)的距離決定了雨衰[15]，雨量越大雨衰越大，穿過(guò)雨區(qū)的距離越大雨衰越大。降雨衰減為αL(dB)。其中，L為電磁波經(jīng)過(guò)降雨區(qū)的有效長(zhǎng)度；α為降雨衰減的單位衰減值，與大氣溫度、電波頻率有關(guān)，α=aRb(dB/km2)，a，b在頻率1 Hz～50 GHz范圍內(nèi)取值為1，即在此頻率范圍內(nèi)雨衰與降雨強(qiáng)度成正比；R是降雨強(qiáng)度，單位mm/h。濃霧對(duì)鏈路衰減也有影響，能見(jiàn)度為30 m的濃霧引起的電波傳播損耗介于大雨和中雨之間，能見(jiàn)度為120 m的濃霧引起的電波傳輸損耗與小雨相當(dāng)[16]。根據(jù)文獻(xiàn)[4]提出的算法云、霧損耗(dB)可用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算：

云霧損耗= 0.148f2/vm1.43，

(11)

式中，f為頻率，單位MHz；vm為能見(jiàn)度，單位m。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

針對(duì)在常規(guī)模式、高仰角模式的散射通信鏈路損耗方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。選擇華北地區(qū)的A、B和C三地作為試驗(yàn)點(diǎn)，搭建A地-B地(線(xiàn)路1)，A地-C地(線(xiàn)路2)2條試驗(yàn)線(xiàn)路。

表1 站點(diǎn)選擇

鏈路1在距離120 km進(jìn)行了常規(guī)模式和高仰角模式測(cè)試，常規(guī)模式下發(fā)射天線(xiàn)俯仰角為-0.21°，接收天線(xiàn)俯仰角為-0.01°，實(shí)測(cè)損耗和計(jì)算損耗小于2 dB；高仰角模式下，發(fā)射天線(xiàn)仰角為6.3°，接收天線(xiàn)仰角為7.1°，實(shí)測(cè)損耗和計(jì)算損耗小于10 dB。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鏈路1試驗(yàn)情況Tab.2 Link1 test result

鏈路2在距離180 km進(jìn)行了常規(guī)模式和高仰角模式測(cè)試，常規(guī)模式下發(fā)射天線(xiàn)俯仰角為-0.21°，接收天線(xiàn)俯仰角為0°，實(shí)測(cè)損耗和計(jì)算損耗小于3 dB；高仰角模式下，發(fā)射天線(xiàn)俯仰角為6.1°，接收天線(xiàn)俯仰角為7.7°，實(shí)測(cè)損耗和計(jì)算損耗小于10 dB。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 鏈路2試驗(yàn)情況Tab.3 Link2 test result

2條測(cè)試鏈路的數(shù)據(jù)表明，收發(fā)天線(xiàn)俯仰角較低時(shí)，利用式(1)計(jì)算的誤差比較小，在2 dB以?xún)?nèi)，收發(fā)天線(xiàn)俯仰角較高時(shí)，利用式(1)計(jì)算會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，需要利用式(8)計(jì)算修正誤差，修正后誤差值會(huì)有明顯改善，在2條測(cè)試鏈路中誤差值均小于10 dB。可見(jiàn)，在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)流層散射通信鏈路損耗估算應(yīng)該結(jié)合地形特點(diǎn)首先估算收發(fā)天線(xiàn)俯仰角，然后根據(jù)收發(fā)天線(xiàn)俯仰角選擇適合的估算方法才能更準(zhǔn)確地估算對(duì)流層散射鏈路損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)流層散射通信原理，分析了在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)流層散射通信鏈路損耗影響因素及其計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，未能在降雨、大霧等惡劣天氣下對(duì)鏈路損耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，只給出了經(jīng)驗(yàn)公式。下一步將結(jié)合復(fù)雜環(huán)境對(duì)惡劣天氣下鏈路損耗方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；研制復(fù)雜環(huán)境下對(duì)流層散射通信鏈路分析工具，用于鏈路規(guī)劃、通信指揮和通信態(tài)勢(shì)監(jiān)視，縮短系統(tǒng)開(kāi)通時(shí)間；發(fā)展高頻段的電離層散射鏈路損耗分析方法，目前僅對(duì)5 GHz以下的鏈路進(jìn)行了分析。隨著散射通信技術(shù)的發(fā)展，Ku/Ka頻段散射通信成為可能，相應(yīng)地開(kāi)展高頻段下對(duì)流層散射通信鏈路的分析研究。