基于散射/波導模式的艦船超視距通信分析與應用研究*

屈利平，張海勇，王 華，賀 寅，徐 池

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

0 引言

在正常的大氣條件下，超短波微波波段通信方式主要為視距通信，通信距離較近。隨著海上如海洋監測、海洋經濟以及遠海科學研究等活動的日漸增多和海洋國防建設事業的快速發展，加快海上艦船超視距通信保障能力建設已顯得迫切。若要進行視距以外的通信，海上艦船之間可以采用短波、衛星通信或以艦船、飛機等作為中繼節點來達成。然而，短波通信由于受電離層變化影響穩定性較差，且短波通信在地波和天波傳輸之間存在通信盲區。衛星通信則抗毀性差，且容易受到人為有意干擾而導致鏈路穩定性降低。采用中繼站進行轉信通信會增加傳輸時延和復雜度，同樣容易遭受干擾和破壞。

對流層中固有的湍流前向散射現象和特定大氣條件下出現的大氣波導等異常傳播現象，可以將通信發射端輻射的電磁波傳播到視距以外的地方形成超視距傳播[1-3]。散射和大氣波導傳播機制較上述超視距通信手段而言鏈路穩定性高，不需要中繼站就可實現較遠距離的超視距通信。若能充分利用這兩種傳播機制，則可以作為海上艦船之間超視距通信手段的有效補充，增強海上超視距通信保障能力。

本文針對上述超視距通信保障手段存在的問題，提出一種基于對流層散射和蒸發波導混合模式的海上超視距通信應用方法，并對該方法進行仿真分析，可為海上艦船超視距通信系統設計與應用提供依據和指導。

1 對流層散射傳播模式

1.1 對流層散射傳輸機理及主要優點

對流層散射是指利用對流層中存在的分布不均、大小形狀不同的空氣旋渦、云團邊際和某種漸變層結來再次輻射經過其傳播的電磁波而形成的散射現象。對流層散射機制可實現超視距傳播。目前，已有3 種散射傳輸機理被提出，分別為湍流非相干散射、不規則層非相干反射和穩定層相干反射理論[4]。對流層散射通信具有抗核爆能力強、通信容量大[5]、保密性好、單跳距離遠以及機動性強等優點。

1.2 對流層散射傳輸損耗預測模型

預測對流層散射傳輸損耗對散射鏈路設計來說至關重要，可為鏈路參數選擇提供重要參考。國際電聯（International Telecommunication Union，ITU）于2019 年8 月頒布了最新的用于計算對流層散射傳輸損耗的ITU-R P.617-5 模型[6]，該模型給出的年平均q%時間概率下不超過的對流層散射傳輸損耗計算公式為：

式中：F代表與氣象因素有關的損耗，單位為dB；Lc代表天線口面介質耦合損耗，單位為dB；Yq代表對流層散射傳輸損耗概率轉換因子。F、Lc和Yq的計算公式依次為：

式（4）中，有：

其他參數情況如表1 所示。

2 蒸發波導傳播模式

2.1 蒸發波導傳播機理

蒸發波導是指由于海表面水汽蒸發導致大氣濕度隨高度銳減而形成的一種表面波導，容易出現在沿海和海洋地區。它的強度以蒸發波導高度來表示，對應大氣修正折射指數最小值所在高度，一般在30 m 以下[7]。它是評估蒸發波導對通信系統影響的重要參數，可以表示為海水溫度、大氣溫度、相對濕度以及風速等氣象參數的函數。蒸發波導修正折射指數輪廓線示意圖如圖1 所示。它的修正折射指數可以表示為[8]：

式中：M0代表海表面修正折射指數；d代表以m 為單位的波導高度；z代表以m 為單位的海面以上垂直高度；z0代表海面粗糙度高度，一般取1.5×10-4m。

表1 ITU-R P.617-5 模型計算中所需鏈路主要參數

圖1 蒸發波導修正折射指數輪廓線

2.2 利用蒸發波導實現超視距通信條件

在滿足特定條件下利用蒸發波導可實現超視距通信，且傳播距離可達兩倍視距甚至幾百千米。它的傳播路徑損耗比繞射損耗小十幾至幾十分貝，不但可以大大擴展超視距通信距離，還可提供高達幾百兆比特每秒的高速率數據傳輸。因此，海面蒸發波導微波通信[7,9-10]作為一種海上超視距通信手段，具有較強的軍事通信和民用通信應用優勢，可有效增加海上艦船之間高速數據通信距離，擴大艦船編隊覆蓋半徑。

微波通信系統若要利用蒸發波導實現超視距傳播應滿足以下4 個基本條件[7]。

（1）海面應出現一定高度的蒸發波導。根據世界范圍內無線電觀測站資料對蒸發波導出現規律進行的統計分析，全球海域蒸發波導平均高度在13～16 m。

（2）系統工作頻率應大于最小陷獲頻率。蒸發波導陷獲電磁波的能力與系統的頻率密切相關。根據波導模理論，中性層結條件下波導所能捕獲的最小頻率為fmin=360.33d-1.5GHz，其中d為蒸發波導高度。研究表明，海面蒸發波導通常對頻率在3～20 GHz 的電磁波具有較強的陷獲作用，且最佳工作頻段為9～18 GHz。

（3）天線應位于波導層內。為充分利用蒸發波導捕獲電磁波的效應，海上微波通信系統的天線高度應略低于波導高度。

（4）天線仰角應小于臨界入射角。天線仰角大于臨界入射角時，電磁波將穿透邊界；天線仰角小于臨界入射角時，電磁波將彎向波導層內部，被陷獲而形成波導傳播。

3 基于散射/波導混合模式的超視距通信應用仿真分析

根據對流層散射和蒸發波導兩種傳播機制的各自特點，提出了基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用方法。在海上艦船進行超視距通信時，若通過適當方法預測存在蒸發波導，則超視距通信鏈路主要采用波導模式進行通信；若蒸發波導較弱或沒有出現，則采用對流層散射模式進行通信。下面分別對海上艦船超視距通信鏈路工作在散射和波導模式下進行仿真分析，并得出相關結論。

3.1 對流層散射模式通信分析

3.1.1 仿真參數設置

仿真波段為微波波段（2～12 GHz）。根據ITU-R P.617-5 建議，取有效地球半徑因子k=4/3。根據我國平均情況[4]，取海平面折射率N0=338.5 N-units，平均垂直標稱高度hb=7.12 km。通常，散射電波波束是沿著地球切線方向，散射角小于2°[11]，本文取散射角θ=2°。天線采用卡塞格倫天線，高度為3 m，收、發兩端天線增益之和約為33 dB[12]。

3.1.2 仿真結果及分析

根據式（1）仿真可得對流層散射傳輸損耗與傳播距離之間關系曲線，如圖2 所示。

圖2 對流層散射傳輸損耗與傳播距離關系曲線

由圖2 可以看出：在一定傳播距離條件下，對流層散射傳輸損耗隨著使用頻率的增大而增加；在一定頻率條件下，散射損耗隨著傳播距離的增大而增大，且當電磁波傳播到一定距離后，傳輸損耗隨距離的增加而變化變緩。從圖2 也可得出，對流層散射通信由于其散射傳播特性，損耗一般較大。例如，頻率為3 GHz、傳播距離為300 km 時，傳輸損耗為198.4 dB。若要保證收、發兩端之間的可靠通信，需要較大的發射機功率和較高的接收機靈敏度。

假設發射機、接收機功率分別為Pt、Pr，則從發射端到接收端的傳輸損耗可以表示為：

式中，L表示傳輸損耗。假設發射機功率為63 dBm，根據式（8），仿真可得接收功率與傳播距離之間關系曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在一定傳播距離下，載波頻率越高，對流層散射損耗相應越大，接收機功率越小。例如，在傳播距離為100 km 的情況下，頻率分別為2 GHz、3 GHz、5 GHz、7 GHz、9 GHz、10 GHz、12 GHz 所對應的接收機功率分別為-115.6 dBm、-119.5 dBm、-124.4 dBm、-127.6 dBm、-130 dBm、-131 dBm、-132.7 dBm。若接收機靈敏度滿足一定的條件，對流層散射通信可以有效解決短波通信存在的通信盲區缺陷。若假設接收機靈敏度可以達到-120 dBm，則頻率分別為2 GHz、3 GHz、5 GHz、7 GHz、9 GHz、10 GHz、12 GHz所能達到的最遠傳播距離分別為140 km、104 km、69.6 km、52 km、41 km、37 km、31 km。若進一步提高發射機功率、接收機靈敏度和適當增大收、發天線增益，則完全可以實現較遠距離的超視距通信。

圖3 對流層散射傳輸接收機功率與傳播距離關系曲線

3.2 蒸發波導模式通信分析

海上蒸發波導利用對特定頻率電磁波的陷獲作用實現超視距通信。在波導傳播預測方面被廣泛使用的工具軟件為高級折射率效應預測系統（Advanced Refractive Effects Prediction System，AREPS）。該系統以美國海軍開發的高級傳播模型（Advanced Propagation Model，APM）為內核，其在雷達探測、通信等領域得到了廣泛應用。本文利用AREPS 3.4 系統（英文版）仿真了高度為15 m 的蒸發波導對頻率分別為3 GHz、5 GHz、10.5 GHz[9]、12 GHz電磁波的陷獲作用，仿真結果如圖4～圖7 所示。

通過對比圖4～圖7 可知，隨著頻率的增大，蒸發波導對電磁波的陷獲作用逐漸加強，且蒸發波導對3 GHz、5 GHz 的電磁波陷獲作用并不明顯，而對10.5 GHz 電磁波的陷獲作用極強。在12 GHz頻率下，陷獲作用較10.5 GHz 時減弱。根據圖4（b）的門限損耗曲線（156 dB），頻率在3 GHz、5 GHz、10.5 GHz、12 GHz 時的最遠通信距離分別為56 km、116 km、377 km、148 km，可見通過選用適當的工作頻率，尤其是X 波段中10.5 GHz 左右的頻率，蒸發波導模式可以比對流層散射模式實現更遠距離的超視距通信，與文獻[9]中的分析結論相一致。

圖4 蒸發波導模式下傳輸損耗與傳播距離關系曲線（3 GHz）

圖5 蒸發波導模式下傳輸損耗與傳播距離關系曲線（5 GHz）

圖6 蒸發波導模式下傳輸損耗與傳播距離關系曲線（10.5 GHz）

圖7 蒸發波導模式下傳輸損耗與傳播距離關系曲線（12 GHz）

4 基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用研究

通過以上仿真分析可以看出，基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用方法可以實現超視距通信，有效提升艦船超視距通信保障能力，為海上艦船之間提供全天候信息傳輸，還可有效克服短波通信盲區的缺陷，可作為發生核戰爭時一種最低限度應急通信保障手段。

4.1 基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用分析

海上艦船在進行實際超視距通信時，應該結合散射傳播和蒸發波導兩種傳播機制的各自特點，通過合理選擇超視距通信模式來達成有效通信。蒸發波導傳輸損耗較小，強波導條件下甚至接近自由空間傳播損耗，接收信號電平顯著高于以對流層散射模式傳播的信號電平[13]。因此，在艦船進行海上超視距通信時，若條件允許應優先選擇蒸發波導模式進行通信。但是，海上蒸發波導傳播現象并非全時存在，其高度隨不同地理緯度、季節、一日內不同時間而變化。一般在低緯度海域、夏季、白天，蒸發波導高度較高[7]。根據試驗統計，我國南海、東海海域[14]是蒸發波導發生概率較高的區域。若夏季白天艦船在此類海域進行超視距通信，則利用蒸發波導達成有效通信的概率會大大增加。

由于蒸發波導非全時出現的特點，海上艦船之間的超視距通信鏈路通常應工作在散射模式，以確保關鍵型業務信息及時、可靠傳輸。同時，采取適當的方法對海上蒸發波導進行預測，一旦預測到波導信道，則海上超視距通信鏈路可工作在波導模式下傳輸大容量業務信息。在實際艦船通信中，可按如圖8 所示的基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用方法流程進行蒸發波導預測及超視距通信模式選擇。首先，應選擇適當方法對蒸發波導進行預測。在海上溫度、風速以及濕度等氣象參數較容易獲取或者無法接收GPS 衛星或接收數據不完整、不具備反演條件的情況下，可選用基于水文氣象條件的蒸發波導預測方法；在海上水文氣象參數不易獲取或難以測量，或者容易接收GPS 衛星數據的情況下，可選擇基于GPS 信號的反演算法來對蒸發波導進行預測[15]。通過選用以上方法進行預測，若蒸發波導存在，艦船之間應采用以蒸發波導為鏈路的主要通信模式。此時應該根據預測得到的蒸發波導高度等參數調整艦載通信設備天線系統參數，以滿足蒸發波導模式超視距通信條件，即天線高度應在蒸發波導高度以內，載波頻率大于蒸發波導最小陷獲頻率，發射仰角小于臨界入射角。若蒸發波導強度較弱或并未出現，則采用以對流層散射為基本通信模式。為了取得較好的通信效果，針對散射通信傳輸損耗相比蒸發波導通信較大的特點，應通過增加發射機輻射功率、采用高靈敏度接收機、適當提高收發天線增益以及選取一定倍數功率放大器等措施，達到海上艦船之間實施有效超視距通信的目的。

圖8 基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用方法

4.2 基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用涉及的幾個問題考慮

4.2.1 應充分考慮氣象因素可能帶來的影響

對流層散射和蒸發波導雖然是兩種不同的超視距通信機制，但都與大氣折射率變化情況緊密相關。大氣折射率主要由氣海溫差、海表面溫度、大氣濕度以及風速等氣象因素決定，因此在進行實際系統設計時應充分考慮各種氣象狀況可能對通信帶來的影響。例如，在接近中性或穩定（氣海溫差大于0 ℃）的大氣條件下，蒸發波導路徑傳輸損耗較小，接收端信號電平較高[16]；不同氣候帶處所對應的海平面折射率差別較大，對散射傳輸損耗影響不同，設計系統時應考慮此類氣象因素。

4.2.2 應合理選擇載波頻率等工作參數

不論是對流層散射還是蒸發波導通信，不同頻率、不同天線高度所對應的傳輸損耗不同，因此在實際中應該結合兩種傳輸機制的各自特點進行系統參數選擇。根據文獻[9，17]分析結論，蒸發波導通信在X 波段特別是10.5 GHz 時傳輸損耗較小，通信距離較遠，此時天線高度位于平均海平面以上5 m 左右。同時，針對對流層散射通信在X 波段的傳輸損耗特點和天線實效增益特性，此時天線口面直徑參數選取不宜過大（2 m 左右）。

4.2.3 應采用自適應功率控制技術

與對流層散射模式相比，大氣波導傳輸模式可以使電磁波以較小的衰減進行超視距傳播。大氣波導是一種低損耗的準恒參信道，因此在鏈路發射端應該采用自適應功率控制技術，從而在波導模式通信時適當降低發射機功率，而在散射模式應留出一定的發射功率余量來保證可靠通信。

4.2.4 應運用一定的天線對準技術

微波頻段下，通信系統一般采用拋物面天線。只有在發、收兩端天線較好對準的情況下，通信系統才能取得較高的通信質量，否則會因引入較大的天線偏向損耗而影響實際通信傳輸。天線底座應采取一定的補償措施來克服艦船航行時縱橫搖晃對天線波束對準帶來的影響。同時，可以考慮采用相控陣技術自適應調整天線波束仰角指向或者采用類似用于星載天線的穩定伺服系統，使發、收天線實現較好對準，從而減小天線偏向損耗對通信帶來的影響。

4.2.5 應采取適當的抵抗信道衰落的措施

進行海上超視距通信時，主要傳播模式可能為蒸發波導模式，也可能為對流層散射模式，還可能是兩種模式共同發揮作用。根據實際情況，可從分析接收信號強度、衰落起伏特點等特征判斷當前的主要傳播模式。波導傳播時，接收信號最強且最穩定，起伏衰落較小，強波導時接近準恒參信道；散射傳播時，信號最弱，起伏衰落較大；而當兩種傳播方式同時存在時，信號的衰落起伏很大，信號最不穩定[18]。蒸發波導傳播衰落深度和衰落幅度均小于對流層散射傳播，在減小衰落影響方面應主要針對對流層散射通信衰落較大的特點，采取分集合并技術如角分集、糾錯編譯碼技術如低密度奇偶校驗碼（Low-Density Parity-Check，LDPC）以及Turbo碼等措施，以減小散射信道衰落對通信帶來的影響。

5 結語

本文主要針對目前海上艦船超視距通信手段存在鏈路穩定性不高等問題，提出了基于散射/波導混合模式的海上超視距通信應用方法。通過對該方法進行仿真分析可以得出，基于散射/波導混合模式的超視距通信應用方法能夠增強海上艦船超視距通信保障能力，且不容易受到干擾，穩定性較高，并基于對流層散射和蒸發波導傳輸特性給出了海上艦船超視距通信應用建議，對海上艦船超視距通信系統設計與應用具有一定的參考價值。