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。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。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。