對流層散射通信信道特性分析

姚正旺 盧逸峰 徐京虎 姚新科

摘要：為了滿足對流層無線通信系統的設計和優化需要，研究了對流層波傳播特性，并根據拋物面波動方程和分級波變換，開發了一種分析無線電波傳播特性的軟件。通過建立數字分辨率計算場景，提供基于對流層波轉換的對流層波傳播;然后根據提議的分析方法開發了對流層波傳播特性分析軟件;以及DU MATLAB.數字計算顯示，分步波轉換工藝優于分步傅立葉轉換工藝;對流層傳播損失與天線矩形的高度和角度密切相關，而傳播損失與分步傅立葉轉換工藝的角度較低。天線和蒸發波導環境中的傳播損失小于正常大氣環境中的傳播損失，此外，開發一個簡單而靈活的分析軟件用戶圖形界面。

關鍵詞：對流層散射;信道特性;損耗;衰落;多徑效應

對流層擴散的好處包括遠距離視野、高容量、可靠性和其他好處，并為軍事和民用領域的應用提供了廣闊的前景。對流層擴散的傳播由于空氣動力學和熱力學條件、對流層折射率的時間和空間變異性以及反射的相互作用而復雜化。衍射與折射。對流層散射傳播特性的研究使用數值法解決拋物面型波動方程。 拋物型波動方程由Helmholtz波動方程作旁軸近似得到。一般地，拋物型波動方程具有這些獨特優勢[5-8]：1）可同時處理折射效應和衍射效應，計算簡單、精度高。2）可有效處理非均勻、非規則的電磁分布，適合時變、空變電磁環境下的無線傳播的信道建模。3）采用迭代算法求解方程，可預測傳播路徑的損耗[9]。因此，拋物型波動方程非常適合折射率時變、空變的對流層傳播建模。

1 對流層散射傳播損耗

在對流層中廣播的通信信號被傳輸到更遠的距離，并且在傳輸過程中信號大量丟失，因此接收機到達的信號相對較低，并且通常使用較高的功率發射機和天線進行通信。在廣播通信信號的傳輸路徑上，傳播損失主要包括廣播損失、自由空間損失、大氣吸收損失、天線高度損失、信號傳輸耦合損失和天線偏轉損失。

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

對流層廣播通信是通過對流層大氣中的廣播器對信號的擴散效應進行的，廣播傳播機構是從其傳輸路徑上的下游廣播。“擴散方向圖半電角的外部角.頻率越高，擴散者的方向圖越窄，能量越少到達接收端，其擴散損失就越大。當信號頻率增加時，廣播傳播損失通常會增加。觀測統計顯示，頻率變化對傳輸損失的影響不大，在某些情況下甚至不相關。當信號頻率從1000兆赫增加到4000兆赫時，廣播損失僅增加約5db。

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，隨著頻率的增加大氣吸收損失增加。大氣吸收損失主要是由于粒子的共振吸收和擴散。

1.5 信號傳輸時的耦合損耗

發送天線輻射的電磁信號通過不同的路徑到達接收端，因此接收天線產生的信號由于相位差而不再是平面波，天線的利用系數也在降低。對流層廣播通信通常使用大直徑和高取向的天線，天線束更窄，從而減少了擴散器的體積和接收點的場強度。由于不想要的對流層大氣，電波不能僅在最佳接收方向到達接收端，通過結合上述因素，信號傳輸的實際增益減少，理論增益大幅度減少。

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。

經濟衰退緩慢主要是由于天氣條件的變化。天氣條件的變化導致大氣平流層動蕩強度和狀態的變化，導致大氣折射率和梯度的變化。對流層.L.折射率和對流層大氣尺度與溫度、濕度和大氣壓力相關聯，在大氣溫度高或低的情況下對信號電平有利，在北半球，夏季的土壤濕度較高，冬季的土壤干燥度較高，而大氣濕度因季節不同而變化較小，因此冬季和夏季的信號水平較高。由于太陽照射，土壤溫度高于大氣。因此，信號水平通常高于晚上，而且減緩與氣候、大氣運動和地形密切相關。地理條件（例如，海洋、山區等）各不相同，對水準的影響也各不相同。

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

從無線通信、雷達系統分析和設計優化出發，通過研究分步小波變換求解二維拋物型波動方程的數值方法，本文開發了基于Matlab的分步小波變換求解對流層電波傳播特性的交互式分析軟件。其中，針對分步小波變換不能自動處理有損地表面的邊界條件的問題，提出了一種采用離散混合傅里葉變換的處理方法。分析結果表明：分步小波變換法比分步傅里葉變換法具有更好的收斂性;而開發的對流層電波傳播特性分析軟件，圖形用戶界面友好，操作簡單、靈活，并可實現對流層電波傳播特性數據的可視化輸出。最后，應用開發的軟件，分析了標準環境和蒸發波導兩種環境下的電波傳播特性，結果表明：傳播損耗隨傳播距離增加而增加，傳播損耗與天線高度和仰角密切相關，天線仰角越小，傳播損耗也越小;天線高度越大，傳播損耗也越小。此外，蒸發波導環境下的傳播損耗比標準大氣環境下的傳播損耗要小。

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.