徐松毅 陳常嘉 李文鐸

(1.北京交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,北京100044;2.中國(guó)電子科集團(tuán)公司第54研究所,河北 石家莊 050081)

1.引 言

在無(wú)線通信中,由于山峰或一些障礙物對(duì)無(wú)線電波的遮擋,使得電波的直線傳播中斷,導(dǎo)致通信無(wú)法進(jìn)行。尤其在偏遠(yuǎn)山區(qū),如何有效地解決通信問(wèn)題一直是一個(gè)難題。在應(yīng)急通信中,應(yīng)用方式一般是不固定的,使用環(huán)境復(fù)雜多變,使得山區(qū)通信更加困難。目前解決山區(qū)通信通常采用以下方法：利用空中轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái),地面設(shè)備可與空中平臺(tái)構(gòu)成視通條件,因此,可越過(guò)山峰的遮擋進(jìn)行通信。這種方式由于空中平臺(tái)不能在空中長(zhǎng)時(shí)間停留,因此,很難進(jìn)行全天候的通信。衛(wèi)星通信是解決山區(qū)通信最有效的手段,但由于信道資源缺乏而限制了使用。

目前,國(guó)際上對(duì)于對(duì)流層散射(簡(jiǎn)稱散射)通信的應(yīng)用范圍也有了新的認(rèn)識(shí),據(jù)美國(guó)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,認(rèn)為散射在5～100 km之間的越障通信具有良好的應(yīng)用前景,可有效地彌補(bǔ)衛(wèi)星資源不足。對(duì)流層散射通信新的發(fā)展?fàn)顩r是應(yīng)用正交頻分復(fù)用技術(shù)(orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)及低密度奇偶較驗(yàn)碼(Low Density Parity check code,LDPC)碼[1-2],其性能與散射信道特性密切相關(guān)。

對(duì)流層散射通信是利用大氣層作為傳輸媒介,由于大氣層具有一定的高度,使得散射通信能夠進(jìn)行超視距通信且有可能進(jìn)行近距離越障或山區(qū)通信。通常散射使用條件是基于平地超視距通信,對(duì)流層散射電波波束是沿地球切線方向的,散射角小于2°,當(dāng)散射角超過(guò)5°時(shí),一般認(rèn)為由于傳輸損耗的增加已不能進(jìn)行通信。散射跨山應(yīng)用方式中電波波束為高仰角條件,散射角大于10°?，F(xiàn)有傳播損耗計(jì)算公式直接用于散射通信近距離跨山越障的線路有較大誤差。文章通過(guò)大量試驗(yàn)和理論分析,深入研究了高仰角下散射電波傳播特性,證明散射可用于高仰角越障通信,并在現(xiàn)有計(jì)算公式基礎(chǔ)上,給出了高仰角條件下散射傳播損耗的一種預(yù)計(jì)方法。

2.高仰角散射信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)

為了研究散射高仰角條件下信號(hào)的傳輸特性,2003-2008年分別在華北地區(qū)、東南地區(qū)、北京地區(qū)展開了多次實(shí)驗(yàn),對(duì)不同距離、仰角的散射線路進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)試線路30余條,地形環(huán)境均為山區(qū)。主要研究傳輸損耗及多徑時(shí)延展寬,收集了大量的數(shù)據(jù)。典型線路剖面圖見(jiàn)圖1。線路的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 高仰角散射電波傳播典型線路剖面圖

表1 高仰角散射傳輸實(shí)驗(yàn)線路主要參數(shù)

石家莊和北京地區(qū)的散射線路兩端都是高仰角,保定和海南地區(qū)的散射線路一端是低仰角(1°以下),另一端是高仰角。

測(cè)試設(shè)備有收發(fā)信機(jī)、400 W功放、2.4 m拋物面天線以及多功能終端,測(cè)試頻段為C波段。多功能終端可以產(chǎn)生不同的信號(hào)形式,測(cè)量接收電平時(shí)產(chǎn)生單頻信號(hào),測(cè)量多徑時(shí)延時(shí)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的擴(kuò)頻信號(hào)。可自動(dòng)記錄和保存測(cè)試數(shù)據(jù)。

一般每條線路測(cè)試2～6小時(shí),對(duì)于接收電平,每隔5分鐘測(cè)試1組數(shù)據(jù),每組測(cè)試時(shí)間為20 s,記錄20 s時(shí)間內(nèi)的中值電平和衰落速率。最終統(tǒng)計(jì)出整個(gè)測(cè)試時(shí)間的中值電平,并折算為中值傳輸損耗。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 電波傳播模式

散射高仰角實(shí)驗(yàn)在山區(qū)進(jìn)行,測(cè)試的全部線路中,有5條線路上為單峰阻擋條件,其中4條線路接收電平穩(wěn)定,無(wú)衰落,傳輸損耗小。按ITU-R REC.P.526-8單峰繞射計(jì)算,實(shí)測(cè)值比計(jì)算值最大高20 d B,但遠(yuǎn)小于散射計(jì)算值;其它線路上均為多峰條件,接收電平呈現(xiàn)明顯的快衰落,傳輸損耗大,若按多峰繞射方法計(jì)算,則實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于繞射計(jì)算值。僅有1條線路接收電平穩(wěn)定、無(wú)衰落。從測(cè)試結(jié)果以及與計(jì)算值的對(duì)比分析,可以看出：線路上為單峰阻擋時(shí),電波繞射信號(hào)較強(qiáng),為主要傳播方式;有多峰阻擋時(shí),散射信號(hào)電平高于繞射信號(hào),以散射傳播為主。

3.2 高仰角下散射傳輸損耗的計(jì)算方法

在有阻擋條件下高仰角電波傳播中,絕大多數(shù)情況為散射傳播,這里主要分析散射傳輸損耗?，F(xiàn)有散射傳輸損耗的計(jì)算方法都是基于平地?zé)o遮擋條件,經(jīng)常采用的計(jì)算方法有ITU-R REC.P.617-1建議的中國(guó)方法、美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)方法、國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR)方法等[3-4]。實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表明：在用于有近距離遮擋、散射角較大線路的預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。有阻擋時(shí)高仰角散射傳輸損耗可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行必要的修正。

理想條件下散射電波是沿著地球的切線方向傳播,但由于有障礙物的阻擋,使得波束的仰角抬高,散射角增大,散射傳輸損耗相應(yīng)增大。為了比較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)高仰角時(shí)散射傳播損耗,可將傳輸損耗分為兩個(gè)部分：無(wú)障礙物遮擋時(shí)散射傳輸損耗;由于障礙物遮擋使得仰角增加帶來(lái)的附加損耗。

在距離一定條件下,天線仰角增大一般有三種因素影響散射傳輸損耗：散射角增加使得散射截面減小;散射體高度增加引起大氣折射指數(shù)降低;有效散射體體積減小。這三種因素都會(huì)使散射損耗增大。因此,高仰角引起的附加損耗由三部分組成。

1)散射截面減小產(chǎn)生的附加損耗L s

復(fù)雜電磁場(chǎng)問(wèn)題可利用計(jì)算電磁學(xué)通過(guò)麥克斯韋(Maxwell)方程得到比較精確的數(shù)值解[5],求得電波在對(duì)流層介質(zhì)中的電磁場(chǎng)分布。一種比較簡(jiǎn)單的拋物線方程法可建立對(duì)流層介質(zhì)散射傳播模型,在給出大氣折射指數(shù)分布n(x,z)的條件下可比較精確的獲得散射傳播損耗[6-8]。在通信工程應(yīng)用中,更關(guān)心信道參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性。散射電波在對(duì)流層介質(zhì)中的傳播可等效為許多不均勻體產(chǎn)生的偶極子共同作用的結(jié)果,接收點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)為收發(fā)天線交匯的公共體內(nèi)全部等效偶極子的矢量和。利用等效偶極子的方法可給出接收?qǐng)鰪?qiáng)(功率)與相關(guān)參數(shù)(頻率,散射角等)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,由此可導(dǎo)出工程上應(yīng)用的傳播損耗計(jì)算公式。

電波在對(duì)流層湍流介質(zhì)中傳播,在接收端獲得的總的散射功率可表示為

式中：Pr,Pt分別為接收和發(fā)射功率;Gt,Gr為收發(fā)天線的增益;λ為波長(zhǎng);σ(o,i)為散射截面[9-10]。其它參數(shù)見(jiàn)圖2的上圖?？梢?jiàn),散射功率取決于散射截面的確定。而在隨機(jī)介質(zhì)中散射截面可表示為

式中：Φn(ks)為折射指數(shù)起伏的譜密度;ks=2ksin,k=2π/λ是波數(shù)。參數(shù)含義見(jiàn)圖 2的下圖。

圖2 散射傳播示意圖

目前對(duì)于對(duì)流層介質(zhì)有三種典型的譜模式,如Booker-Gordon譜,以此計(jì)算出的散射截面為

對(duì)微波頻段,ksr0?1。而根據(jù)柯爾莫哥洛夫或維拉爾斯理論,σ(θ)∝θ-11/3和 σ(θ)∝θ-13/3,因此 ,對(duì)流層散射中散射截面基本上與散射角θ的3～5次方成反比。根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果,取θ的4次方。

2)散射體減小引起的附加損耗Lν為天線垂直方向半功率角。

散射體菱形面積可表示為

散射體體積為[4]：Vo=P1S×P2S×sinθ×r2×sinφH,(r2≤r1),φH為天線水平方向半功率角,這里假設(shè)天線方向性強(qiáng)。

定義α,β為發(fā)、收端天線波束與收發(fā)點(diǎn)連線間的夾角。則r2=h×sinα,r1=h×sinβ,h=d/,可推得

式中：s1,s2為對(duì)稱因子設(shè) β＞α.式中參數(shù)含義見(jiàn)圖3。

圖3 有效散射體示意圖

因此,在距離和天線口徑一定時(shí),有效散射體體積與散射角成反比,與對(duì)稱因子有關(guān)。實(shí)際上真正有效的散射體是限定在一個(gè)區(qū)域內(nèi),由于不對(duì)稱引起的散射體積的變化對(duì)散射損耗的影響并不完全是線性關(guān)系,可進(jìn)行一定的修正。

3)大氣折射指數(shù)降低對(duì)散射損耗的影響

大氣折射指數(shù)Ns與氣象參數(shù)有關(guān),對(duì)傳輸損耗有影響。在距離相同的情況下,有阻擋時(shí)由于仰角抬高,相對(duì)于無(wú)阻擋情況,散射體高度變高,Ns減小,因此,散射損耗會(huì)相應(yīng)增加,增加值可用式(6)表示。

k取值為0.1～0.3,Ns1,Ns2分別為有遮擋和無(wú)遮擋時(shí)散射體處的折射指數(shù),可根據(jù)式(7)計(jì)算,令ΔN=Ns1-Ns2.

Ns隨高度變化根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,模型為[11-12]

式中：Ns為地面折射指數(shù);c與氣候區(qū)有關(guān),如溫帶為0.136;h為散射體離地面的高度,單位km.

綜上所述,高仰角散射附加損耗可表示為

高仰角線路條件下散射總傳輸損耗為

式中,LG為光滑球面條件下的散射傳輸損耗,可按ITU-R REC.P.617-1建議的方法計(jì)算。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果比較

將上述計(jì)算高仰角散射線路傳輸損耗的方法用于對(duì)實(shí)際線路的預(yù)計(jì),計(jì)算和對(duì)比了24條具有典型散射傳播特征的線路傳輸損耗,計(jì)算誤差最大為13 dB.誤差均值為-2.3 d B,均方根值6.3 dB.80%線路誤差的均方根值小于5 dB.表2為部份線路數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及工程計(jì)算結(jié)果

4.結(jié) 論

高仰角散射在近距離的越障通信中有實(shí)際的應(yīng)用意義,文章討論了高仰角山區(qū)電波的傳播模式和傳輸損耗,通過(guò)大量山區(qū)電波傳播線路的測(cè)量及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,C波段主要以對(duì)流層散射傳播為主,在單峰條件下會(huì)存在較強(qiáng)的繞射傳播。傳輸損耗的預(yù)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中非常重要的參數(shù),文章在現(xiàn)有基于光滑球面散射傳輸損耗計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)影響傳輸損耗因素的分析并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),給出了一種簡(jiǎn)便的用于高仰角對(duì)流層散射傳播損耗的預(yù)計(jì)方法,其計(jì)算結(jié)果與幾十條線路實(shí)測(cè)結(jié)果大部分較為吻合,可作為工程設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

[1] HU Maokai,CHEN Xihong,SHU Tao,et al.New generation troposcatter communication based on OFDM modulation[C]//ICEMI Electronic Measurement and Instruments.Beijing,2009,3：164-167.

[2] 韓明鑰,徐松毅,賈偉.LDPC碼在對(duì)流層散射通信中的性能分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2008,34(4)：16-18.HAN Mingyue,XU Songyi,JIA Wei.The performance analysis of LDPC codes in troposcatter communication[J].Radio Communications Technology,2008,34(4)：16-18.(in Chinese)

[3] Rec.ITU-RP.617-1.Propagation prediction techniques and data required for the design of trans-horizon radiorelay systems[R].1992.

[4] 劉圣民,熊兆飛.對(duì)流層散射通信技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1982：45-51.

[5] 王長(zhǎng)清.現(xiàn)代電磁學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2025：4-13.

[6] DOCKERY G .D.M odeling electromagnetic wave propagation in the troposphere using the parabolic equation[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1988,236(10)：1464-1470.

[7] CRAIG K H.Propagation modeling in the troposphere：parabolic equation method[J].Electronics Letters,1988,24(18)：1136-1139.

[8] BARRIOS A E.A terrain parabolic equation model for propagation in the troposphere[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1994,42(1)：90-98.

[9] 張明高.對(duì)流層散射傳播[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004：8-13.

[10] 石丸A.隨機(jī)介質(zhì)中波的傳播和散射[M].北京：科學(xué)出版社,1986：363-372.

[11] 楊志強(qiáng),陳祥明,趙振維.對(duì)流層電波折射誤差修正經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯縖J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(3)：580-582.YANG Zhiqiang,CHEN Xiangming,ZHAO Zhenwei.Empirical model for radio wave ref ractive error correction of troposphere[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(3)：580-582.(in Chinese)

[12] 總參通信部.對(duì)流層散射遠(yuǎn)距離通信[M].北京：戰(zhàn)士出版社,1982：17-21.