對流層散射通信鏈路損耗研究

孫長龍

(中國人民解放軍91404 部隊，河北 秦皇島 066001)

0 引 言

對流層散射通信是利用對流層（從地面至12 km高度范圍內(nèi)）大氣的不均勻性對電波的前向散射作用實現(xiàn)超視距通信。是一種長距離、低時延、大容量、全天候的通信方式，在國內(nèi)、國外軍事通信中占有重要地位。

散射通信的傳輸損耗一般較大，通常情況下可達(dá)200 dB 以上，接收端的散射信號相當(dāng)微弱，其傳輸損耗不僅是通信距離和工作頻率等因素的函數(shù)，更是散射體高度、散射角、地區(qū)和季節(jié)等許多因素的函數(shù)。對流層散射傳輸損耗一般與下列因素有關(guān)：通信距離、工作項率、散射角、大氣折射指數(shù)、天線的增益和架設(shè)高度、地形的幾何形狀等。

散射傳輸損耗的計算多采用半理論半經(jīng)驗的公式。

1 對流層散射通信鏈路損耗

1.1 鏈路損耗預(yù)計方法

對流層散射年中值傳輸損耗的計算方法有很多種，均是基于半公式半經(jīng)驗；主要的計算方法有L.P葉、NBS-101、CCIR 以及中國ITU-R REC.P.617。其中，中國ITU-R REC.P.617 方法因其預(yù)計準(zhǔn)確度相對較高，為我國技術(shù)人員所廣泛使用，目前已經(jīng)修正到ITU-R REC.P.617-5 版本，在實踐應(yīng)用中也證明其更適合與我國國土范圍的散射通信鏈路傳輸損耗的預(yù)計。

20 世紀(jì)70 年代初，張明高院士提出廣義散射截面理論模型，根據(jù)國內(nèi)實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出了一套比較完整的適合我國條件的傳輸損耗統(tǒng)計預(yù)計模式，并被原CCIR采納于CCIR238-3 報告。20 世紀(jì)80 年代，張明高院士進(jìn)一步提出了適用于全球的對流層散射傳輸損耗預(yù)計方法，隨后逐漸形成現(xiàn)在常用的ITU-R.617 建議。

簡單介紹ITU-R REC.P.617 的預(yù)計方法，以ITU-R REC.P.617-3 為參考版本。

在q%時間百分比內(nèi)不超過的年平均傳輸損耗如下式：

式中：M為氣象因子，dB；f為工作頻率，MHz；d為通信距離，km；θ為散射角，mrad（毫弧度）；Lc為天線介質(zhì)耦合損耗，dB；LN為與散射體高度和氣候區(qū)相關(guān)的附加傳輸損耗，dB；Gt，Gr為發(fā)、收天線增益，dB；Y（q）為轉(zhuǎn)換因子，dB。

通過ITU-R REC.P.617-3 建議，可計算出采用2.4 m雙天線配置，發(fā)射功率400 W，工作在4 700 MHz 頻段，通信距離180 km，在華北平原地區(qū)應(yīng)用的散射通信鏈路典型年傳播損耗（95%）約為221.4 dB，由此可見，散射通信鏈路的傳輸損耗非常大。

1.2 散射通信鏈路特性

散射通信鏈路除了傳播損耗很大之外，還是一種典型的變參信道，主要體現(xiàn)在接收端的電平具有慢衰落和快衰落2 種特性。

慢衰落一般由季節(jié)和早晚間的氣象條件變化引起。在北半球，電波慢衰落的統(tǒng)計平均值，通常每天中午到傍晚的場強(qiáng)比早晨和午夜低13～16 dB；夏季比冬季高20～30 dB。抵抗慢衰落的唯一手段就是增加系統(tǒng)的電平儲備。

散射信號的快衰落是由多徑信號的傳輸造成的，是由許多散射波元相互干涉的結(jié)果。通過不同路徑接收到的信號，其幅度、相位和時延均不相同。當(dāng)不同路徑的傳輸時延差Δτ比傳輸?shù)幕鶐盘柕某掷m(xù)時間T或信號帶寬的倒數(shù)1/W相當(dāng)或大得多時，多徑傳輸對接收信號的影響就表現(xiàn)為頻率選擇性快衰落。抗由多徑信號引起快衰落的最有效手段就是采用分集接收技術(shù)。

分集接收就是利用不同路徑或不同頻率、不同角度、不同極化方式、不同到達(dá)時間、不同編碼、不同調(diào)制等方式去接收攜帶同一信息的信號，并將各分支信號按某種方法合并后再提取信息。常用的分集接收方式有空間分集、頻率分集、角分集、極化分集、時間分集、調(diào)制分集和編碼分集等。通常采用其中的兩種方式組成的混合分集方式，如二重空間分集和二重頻率分集組成的四重分集接收（2S/2F），典型的二重空間分集和二重頻率分集的工作原理如圖1 所示。

圖1 典型散射通信系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle of typical scattering communication system

相對于視距微波和衛(wèi)星通信來說，對流層散射信道如果沒有分集接收技術(shù)，那么系統(tǒng)就要具備極大的能力儲備，否則，即使接收電平相當(dāng)可觀，無法使散射通信系統(tǒng)的誤碼率下降到可接受的水平，導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法使用，圖2 的仿真結(jié)果表明了系統(tǒng)無分集和具有二重空間/二重頻率分集之后的誤碼率變化曲線。

由圖2 的仿真結(jié)果可以看出，若散射通信設(shè)備沒有采取分集措施，系統(tǒng)需要具有30 dB 以上的能力儲備，這些能力儲備要求需要由發(fā)射機(jī)功率的提高或天線口徑的增大來彌補(bǔ)。以上述例子中發(fā)射功率400 W，天線口徑2.4 m 計算，30 dB 以上的能力儲備，單靠增加發(fā)射功率或增大天線口徑來實現(xiàn)，將變得幾乎不可能。

圖2 散射信道分集接收性能仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of scattering channel diversity reception performance

2 降雨對散射傳輸損耗的影響

一般情況下，基于式（1）預(yù)計的散射通信鏈路損耗與實際損耗比較吻合，誤差一般在0.5～2 dB 之內(nèi)。對于工作在C 頻段（4.4～5 GHz）的散射通信，雨衰對鏈路損耗的增加不明顯，反而出現(xiàn)通信能力增強(qiáng)的現(xiàn)象。這種反常現(xiàn)象在實際長期工作的固定鏈路中被經(jīng)常觀察到，也在短期的通信試驗中也被發(fā)現(xiàn)，具體表現(xiàn)就是通過頻譜儀觀測接收信號時，會出現(xiàn)幾個dB 的增強(qiáng)。比如，在南沙已建成的多條固定散射通信鏈路，2019 年5 月份在跨渤海灣的通信鏈路試驗中都被觀察到，出現(xiàn)所謂的“雨增”現(xiàn)象，一般會增加2～5 個 dB。

2.1 雨衰計算

根據(jù)ITU-R P.839-4 中相關(guān)預(yù)測方法，華北地區(qū)的降雨層高度為：

式中：在華北地區(qū)的h0取3 km；hR=3.36 km；h0為0 ℃平均等溫線高度（離平均海平面）。

考慮到站點海拔高度為0.3 km，那么，東北地區(qū)的有效降雨層高度為3.06 km。

以光滑球面考慮的200 km 散射通信鏈路的散射體高度可計算得：0.97 km。由此可見，散射通信鏈路的信號傳播都可在有效降雨層高度下。

根據(jù)ITU-R P.838-3 相關(guān)建議，雨衰率（雨衰系數(shù)）為：

式中：R為降雨強(qiáng)度，可由ITU-R P.837-7 中表1 查得，此處華北地區(qū)地區(qū)取值43 mm/h。

通過雨衰的計算公式：

依據(jù)ITU-R P.838-3 中的參考方法，取降雨帶L為25 km，計算出工作頻率在4.7 GHz 時的雨衰值為2.1 dB。

2.2 效果評估

根據(jù)式（1）計算，取華北地區(qū)的大氣折射指數(shù)典型值為310，計算出的散射通信鏈路典型年傳播損耗（95%）約為221.4 dB。假設(shè)通信鏈路區(qū)域出現(xiàn)降雨等惡劣天氣，現(xiàn)以出現(xiàn)比較常見的中、小雨為應(yīng)用場景，根據(jù)ITU-R REC.P.617-4 中的相關(guān)資料，當(dāng)出現(xiàn)下雨氣象條件時，其短期大氣折射指數(shù)的增加值在25～55 之間，取典型值為40，氣候區(qū)特征暫態(tài)體現(xiàn)為海洋性溫帶氣候區(qū)，再根據(jù)式（1）計算可得鏈路傳播損耗為216.5 dB，再考慮到雨衰的影響，對比常態(tài)條件下的傳播損耗，下降約2.8 dB，從通信能力上看，傳輸速率提高近一倍，由此可看出，降雨對散射通信效果是具有一定好處的。

3 跨海傳播特性

參照ITU-R P.617-3 的散射傳播特性預(yù)測模型，將陸地和跨海應(yīng)用條件下的鏈路損耗預(yù)計結(jié)果進(jìn)行計算和分析對比，結(jié)果如表1 所示。

通過表1 的仿真結(jié)果及經(jīng)驗總結(jié)，對流層散射通信鏈路在跨越海面應(yīng)用時，存在下面幾個優(yōu)勢：

表1 鏈路損耗預(yù)計結(jié)果Tab.1 Link loss prediction results

1）在海島或海岸附近應(yīng)用的散射通信站點的拋物面天線一般面向大海，通信前方不存在地物地貌的遮擋，存在天然良好的應(yīng)用條件；

2）海島或海岸附近應(yīng)用的散射通信鏈路若要經(jīng)過海面上空傳播，可依據(jù)瑞利分布的信道傳輸模型進(jìn)行理論統(tǒng)計；一般情況下，海面上的散射年中值電平比陸地要高 6～10 dB；

3）除上述2 種情況之外，在海面上或者在海岸線附近，還經(jīng)常出現(xiàn)規(guī)則、不規(guī)則的大氣層反射及大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，導(dǎo)致電波信號出現(xiàn)不同于陸地的反常傳播現(xiàn)象，這將致使散射通信鏈路在海面上或者海岸線附近的通信能力強(qiáng)于在陸地上的通信能力。

總體來說，在相同的通信設(shè)備參數(shù)下，海面上或者在海岸線附近應(yīng)用時，散射通信鏈路在傳輸速率或傳輸距離上較陸地具有大幅度的提高。

4 結(jié) 語

對流層散射通信傳播特性的研究是基于經(jīng)驗、試驗和理論計算的綜合性探索，需要在實踐中不斷地總結(jié)、修正和改進(jìn)。比如，上述中的“雨增”現(xiàn)象作為反常傳播特性，一直沒有科學(xué)的理論計算模型，只是通過試驗觀察、測試數(shù)據(jù)、現(xiàn)有傳播特性和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議做出的探索性研究，需要在以后的研究工作中不斷地進(jìn)行探索和修正。