任香凝

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

近年來，隨著用戶對無線超視距通信設(shè)備的性價比要求越來越高，優(yōu)質(zhì)通信信道資源的普查和高效利用成為研究熱點。

優(yōu)質(zhì)通信信道資源，是指能夠在特定條件下使超視距(BLOS)、跨越視線障礙(OTH)通信能力顯著提升的可供無償使用的天然信道資源，主要增強(qiáng)兩方面能力:一是擴(kuò)展通信距離，變視距(LOS)為BLOS/OTH，或超視距距離擴(kuò)展;二是增加信號強(qiáng)度，可用于提升傳輸速率、質(zhì)量和可靠度，或減小設(shè)備足跡(站型)和能耗。對流層中的大氣波導(dǎo)就是一種支持高性價比超視距通信的優(yōu)質(zhì)通信信道資源。

1 大氣波導(dǎo)的傳播機(jī)制及分類

大氣波導(dǎo)是對流層環(huán)境中形成陷獲折射的一種異常大氣結(jié)構(gòu)，它具有超長水平尺度特征和顯著的天氣背景，主要是由于大氣的逆溫和逆濕引起的，即水汽密度隨高度增加迅速下降和溫度隨高度增加而升高。有利于大氣波導(dǎo)形成的主要天氣過程包括:海面蒸發(fā)、高壓下沉、鋒面過程、夜間輻射逆溫和平流作用等［1－8］。

大氣波導(dǎo)發(fā)生時，近地層中傳播的電磁波受大氣折射影響其傳播軌跡彎向地面，當(dāng)曲率超過地球表面曲率時電磁波會部分地被陷獲在一定厚度的大氣薄層(即波導(dǎo)層)內(nèi)，就像電磁波在平板介質(zhì)波導(dǎo)中傳播一樣，這種電磁波的陷獲折射傳播現(xiàn)象稱為大氣波導(dǎo)傳播。

大氣波導(dǎo)陷獲折射是一種極端的超折射，滿足如下公式:

式中:N表示大氣折射率;M表示大氣修正折射率;z表示地面以上高度，單位為m表示折射率梯度，單位為表示修正折射率梯度，單位為m－1。

大氣波導(dǎo)可分為表面波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)3種類型。表面波導(dǎo)的下邊界與地表相連，一般發(fā)生在300 m高度以下的邊界層大氣中。蒸發(fā)波導(dǎo)是由于海面水汽蒸發(fā)使得大氣濕度隨高度銳減而形成的，一般發(fā)生在40 m高度以下的近海面大氣中。懸空波導(dǎo)又稱抬升波導(dǎo)，其下邊界懸空，一般發(fā)生在3 000 m高度以下的低層大氣中。3種波導(dǎo)類型在海洋大氣環(huán)境中皆可出現(xiàn);表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)也會出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中。

大氣波導(dǎo)的厚度越厚、強(qiáng)度越強(qiáng)，可形成波導(dǎo)傳播的電磁波的最大波長越長(對應(yīng)最低陷獲頻率越低)、發(fā)射角度范圍的上限(即臨界仰角)愈大。當(dāng)存在大氣波導(dǎo)時，位于波導(dǎo)層內(nèi)的波長小于最大陷獲波長的電磁波以小于臨界仰角發(fā)射，將被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)形成波導(dǎo)傳播。

大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅可以改變電磁波的傳播軌跡，而且能夠使電磁波以較小的衰減沿波導(dǎo)傳播到很遠(yuǎn)的地方，形成超視距傳播。

2 大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象分析

為了掌握大氣波導(dǎo)這種優(yōu)質(zhì)超視距通信信道資源的存在性、信道傳輸特性和通信可用性，利用信道測試系統(tǒng)，在華北地區(qū)和黃海海域選擇典型鏈路開展了不同頻段的信道傳輸試驗，積累了電平特性、多徑時延特性和頻率相關(guān)特性測試數(shù)據(jù)，研究了大氣波導(dǎo)與對流層散射雙模式傳播現(xiàn)象。下面分別針對陸地和海洋環(huán)境下的試驗結(jié)果展開分析。

2．1 陸地大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象

(1)VHF 頻段［9］

2010年9月，在華北地區(qū)一條距離286 km的鏈路上進(jìn)行了VHF頻段的秋季信道傳輸試驗，試驗統(tǒng)計結(jié)果如下:

①VHF超視距鏈路上存在大氣波導(dǎo)和對流層散射兩種信道模式，二者主要差異是:大氣波導(dǎo)是低損耗、準(zhǔn)恒參信道，而對流層散射(包括湍流體散射和層反射)是存在多徑衰落的隨機(jī)變參信道;大氣波導(dǎo)信號中值電平顯著高于湍流體散射信號(10 dB以上);

②在186 h的有效測試時間內(nèi)，大氣波導(dǎo)的發(fā)生概率(即作為主導(dǎo)信道模式的時間百分比)約為17%;

③大氣波導(dǎo)主要發(fā)生在傍晚20:00～上午11:00之間，1:00～6:00為出現(xiàn)高峰時段，發(fā)生概率超過46%。

(2)C頻段

2007年6月、2007年11月和2008年4月，在華北地區(qū)一條距離182 km的鏈路上進(jìn)行了C頻段的夏/冬/春三季信道傳輸試驗，并將高于對流層散射模式(即湍流體散射模式)中值電平理論值10 dB以上的接收信號視為大氣波導(dǎo)模式，試驗統(tǒng)計結(jié)果如下:

①大氣波導(dǎo)模式信道傳輸損耗低，接收信號電平高，夏季尤為顯著。從圖1可見，波導(dǎo)模式比對流層散射模式的信號中值電平可高出十幾～30 dB以上，電平變化范圍大。

圖1 C頻段接收信號電平2分鐘中值曲線

②大氣波導(dǎo)模式在C頻段超視距鏈路上占有較大時間比例。夏季發(fā)生概率為27.4%，信道特性接近于準(zhǔn)恒參信道，衰落速率、衰落深度、多徑時延展寬值均很小。秋季發(fā)生概率為19.7%，春季13.3%，信道存在略好于湍流體散射模式的多徑衰落。

③大氣波導(dǎo)主要發(fā)生在傍晚19:00～上午11:00之間，可持續(xù)十幾小時;霧天多發(fā)。

2．2 海洋大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象

2008年6月，在黃海海域的64 km鏈路、98 km鏈路和136 km鏈路上開展了夏季C、X頻段的信道傳輸試驗。2008年12月，又在該64 km鏈路上開展了C、X、Ku頻段的冬季試驗。大氣波導(dǎo)的試驗統(tǒng)計結(jié)果如下:

①發(fā)生概率:如表1所示，百公里左右跨海鏈路的大氣波導(dǎo)平均發(fā)生概率在30%以上;X、Ku頻段比C頻段發(fā)生概率更高;冬季雖然強(qiáng)波導(dǎo)少于夏季，但波導(dǎo)總的發(fā)生概率高于夏季。

表1 跨海鏈路大氣波導(dǎo)模式的發(fā)生時間及概率

②發(fā)生規(guī)律:大氣波導(dǎo)晴天多而陰天少;也有陰天突降小雨期間發(fā)生波導(dǎo)傳播的現(xiàn)象;白天與黃昏多而夜間少。在64 km鏈路的測試期間，晴天較多，大氣波導(dǎo)最長持續(xù)27 h35 min，信號電平既強(qiáng)又穩(wěn)定。

③信道傳輸損耗特性:大氣波導(dǎo)的信道傳輸損耗小，強(qiáng)波導(dǎo)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(可達(dá)64 dB)，電平變化范圍大。冬季強(qiáng)波導(dǎo)現(xiàn)象少于夏季。

④單頻快衰落特性:在強(qiáng)波導(dǎo)條件下，接收信號電平波動小，但偶爾也可能突發(fā)短時的快衰落;在波導(dǎo)強(qiáng)度不太高時，接收信號往往有快衰落。通常夏季衰落速率在4 Hz以內(nèi)、衰落深度小于15 dB，惡劣時接近散射模式。冬季快衰落更為嚴(yán)重，衰落速率可達(dá)35 Hz，衰落深度可達(dá)21 dB。

⑤多徑時延特性:在海洋環(huán)境下大氣波導(dǎo)常伴隨有不容忽視的多徑傳播現(xiàn)象，多徑時延展寬值甚至常常高于按照湍流體散射模式預(yù)計值。冬季的多徑現(xiàn)象(64 km鏈路多徑時延展寬可達(dá)6 μs)比夏季更為嚴(yán)重。

⑥頻率相關(guān)特性:大氣波導(dǎo)模式在不同頻段具有頻率選擇性衰落;在同一頻段內(nèi)，夏季頻率相隔10 MHz以內(nèi)的信號呈平衰落;但在冬季，頻率相隔100 kHz即具有一定的衰落不相關(guān)概率。

2．3 大氣波導(dǎo)傳播特性分析

根據(jù)上述試驗統(tǒng)計結(jié)果，可歸納出如下的大氣波導(dǎo)傳播特性:

(1)存在性

①頻率從VHF頻段至Ku頻段、距離從64～286 km的無線超視距鏈路上存在大氣波導(dǎo)模式，它與對流層散射模式并存于鏈路中。二者的主要差異體現(xiàn)在其信道傳輸損耗不同，大氣波導(dǎo)傳播信號電平可高出湍流體散射傳播信號十幾到幾十分貝之多。對流層散射為鏈路平時基本模式，大氣波導(dǎo)一旦出現(xiàn)則占據(jù)鏈路主導(dǎo)信道模式地位;②夏季大氣波導(dǎo)發(fā)生概率高、信號強(qiáng)度大及持續(xù)時間長，海洋比陸地更為顯著;春季、秋季發(fā)生概率次之，冬季最少;

(2)信道傳輸特性

①強(qiáng)波導(dǎo)接近準(zhǔn)恒參信道，多徑衰落的影響可忽略;②波導(dǎo)強(qiáng)度不太高時存在多徑衰落，根據(jù)相關(guān)試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可采用對流層散射通信系統(tǒng)常用的抗多徑時延展寬、抗衰落技術(shù)予以克服。

(3)通信可用性

①大氣波導(dǎo)是一種可顯著增強(qiáng)超視距鏈路通信保障能力的優(yōu)質(zhì)信道資源，即與傳統(tǒng)對流層散射通信系統(tǒng)設(shè)計能力相比，或支持超視距通信距離擴(kuò)展;或支持平均信息吞吐量躍升與接入的業(yè)務(wù)終端種類、數(shù)量遞增;或顯著改善信息傳輸質(zhì)量;②大氣波導(dǎo)也是發(fā)生概率較高、有日變化預(yù)報趨勢可循的可信、可用的優(yōu)質(zhì)資源，依據(jù)特定地域/海域的大氣波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律可合理分配窄帶迅達(dá)類/寬帶緩達(dá)類通信任務(wù)時間，更有效地對其通信應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計。

3 大氣波導(dǎo)通信應(yīng)用設(shè)想

鑒于在陸地和海洋環(huán)境下，大氣波導(dǎo)都是一種以較高概率出現(xiàn)的、低損耗高電平的優(yōu)質(zhì)不連續(xù)通信信道資源，提出波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)、基于大氣波導(dǎo)的容中斷伺機(jī)通信技術(shù)兩種技術(shù)方案。

3．1 波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)

(1)技術(shù)內(nèi)涵

在追求高性價比通信的C/X/Ku頻段超視距鏈路上(通常200 km以內(nèi))，基于對流層散射通信確保全年高通信可靠度(例如95%以上)的鏈路設(shè)計原則確定站型配置(四重顯分集架構(gòu))和任務(wù)下限速率，平時工作在散射模式提供中低速稀業(yè)務(wù)通信;一旦自動識別到大氣波導(dǎo)信道，則切換至寬帶優(yōu)質(zhì)通信模式提供大容量多業(yè)務(wù)服務(wù)。

該技術(shù)通過認(rèn)知min級的信道傳輸損耗，并基于閉環(huán)鏈路控制機(jī)制，動態(tài)調(diào)整符號速率及用戶終端接入配置與信道條件匹配，能夠在大氣波導(dǎo)模式下以較高概率伺機(jī)接入寬帶優(yōu)質(zhì)服務(wù)，使平均信息吞吐量激增，并能以散射模式保證任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)的近全時段、高可靠接入，從而以最簡站型獲得超視距通信效能的倍增［10］。

(2)關(guān)鍵技術(shù)

①信道認(rèn)知、速率評估及閉環(huán)鏈路控制技術(shù)

彈性通信有別于剛性通信的特點之一，是其信道認(rèn)知與閉環(huán)鏈路控制機(jī)制。

系統(tǒng)開機(jī)后，首先以散射模式的任務(wù)下限速率建鏈，根據(jù)接收信號實時檢測反映信道傳輸損耗的平均信噪比以及反映信息傳輸質(zhì)量的誤碼率，結(jié)合適宜的彈性頻度和粒度設(shè)計，經(jīng)綜合評估給出信道模式指示及最佳速率建議，進(jìn)而通過閉環(huán)鏈路控制機(jī)制完成兩端站速率切換控制信息的應(yīng)答與交互，以控制發(fā)送速率、調(diào)制波形的選取與業(yè)務(wù)的動態(tài)接入，兩端實時互控實現(xiàn)高效彈性通信。

②與信道動態(tài)匹配的調(diào)制解調(diào)技術(shù)

彈性通信有別于剛性通信的特點之二，是采用使鏈路呈現(xiàn)與信道動態(tài)匹配的彈性性能的先進(jìn)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

通過閉環(huán)鏈路控制機(jī)制，基于動態(tài)符號速率及自適應(yīng)調(diào)制方式，在不同信道模式、不同速率下采取相宜的調(diào)制解調(diào)波形。散射模式下，進(jìn)行4重空間分集×2重帶內(nèi)頻率分集的高重分集設(shè)計，并結(jié)合失真自適應(yīng)接收技術(shù)實現(xiàn)抗多徑衰落平穩(wěn)傳輸;波導(dǎo)模式下，無需高重分集設(shè)計，以4重顯分集架構(gòu)結(jié)合自適應(yīng)均衡技術(shù)支持大容量可靠通信。

③業(yè)務(wù)動態(tài)接入技術(shù)

彈性通信有別于剛性通信的特點之三，是能夠伺機(jī)接入剛性通信不能支持的終端以提供寬帶優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

按照一定的自適應(yīng)業(yè)務(wù)接入及動態(tài)帶寬分配策略，通過閉環(huán)鏈路控制機(jī)制，實現(xiàn)業(yè)務(wù)接入的種類、數(shù)量、帶寬對信道條件和用戶需求的匹配，支持散射信道最惡劣條件下任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)的近全天候(例如95%以上)實時傳遞，散射信道較好條件下更多業(yè)務(wù)的較高可靠度傳遞，以及大氣波導(dǎo)條件下IP多媒體業(yè)務(wù)較高概率傳遞，充分體現(xiàn)彈性通信的優(yōu)越性。

(3)效能評估

以華北地區(qū)182 km鏈路為例，若采用波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)，系統(tǒng)為四重顯分集架構(gòu)，發(fā)射功率200 W，天線口徑2．4 m，利用 ITU-R P.617－1建議給出的全球適用型對流層散射線路傳輸損耗統(tǒng)計預(yù)測模式，理論預(yù)計通信可靠度95%、誤碼率優(yōu)于1×10－5條件下，散射模式的任務(wù)下限速率為192 kb/s。則按照“信噪比每變化一倍，也可使速率變化一倍”的理論進(jìn)行預(yù)測，因大氣波導(dǎo)帶來的通信效能提升評估如下:

①夏季4天試驗的95%時間內(nèi)，假設(shè)射頻帶寬不受限，可支持傳輸速率比任務(wù)下限速率提升約40倍;而在大氣波導(dǎo)發(fā)生的27.4%時間內(nèi)，平均傳輸速率理論值甚至可達(dá)1 Gb/s;

②秋季，在大氣波導(dǎo)發(fā)生的19.7%時間內(nèi)，平均傳輸速率理論值可提升約30倍，達(dá)6 Mb/s;

③春季，在大氣波導(dǎo)發(fā)生的13.3%時間內(nèi)，平均傳輸速率可提升約38倍，達(dá)7 Mb/s。

3．2 基于大氣波導(dǎo)的容中斷伺機(jī)通信技術(shù)

(1)技術(shù)內(nèi)涵

在允許鏈路中斷、有節(jié)能省電需求的特定場合，且大氣波導(dǎo)以較高概率出現(xiàn)、日變化有趨勢性發(fā)生規(guī)律的陸地或海洋環(huán)境下，基于VHF/UHF單天線、單收發(fā)信機(jī)的高性價比小站型，可采取容中斷伺機(jī)通信技術(shù)，實現(xiàn)剛剛超出視距～數(shù)百公里距離段的非時敏信息超視距傳遞。

所謂“伺機(jī)通信”，是指用戶有使用需求和鏈路有通信條件時，進(jìn)行并完成一次通信，長持續(xù)的強(qiáng)波導(dǎo)出現(xiàn)時，將允許大量寬帶業(yè)務(wù)的優(yōu)質(zhì)傳輸。

該技術(shù)也可兼蓄并用對流層散射信道資源，以提高鏈路可通率。

(2)關(guān)鍵技術(shù)

波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)成果，在很大程度上也可用于支撐基于大氣波導(dǎo)的容中斷伺機(jī)通信技術(shù)，二者在信道認(rèn)知、閉環(huán)鏈路控制、動態(tài)符號速率及動態(tài)業(yè)務(wù)接入方面頗多相似之處，此處不再贅述。

二者主要差異在于，后者基于信道認(rèn)知(伺信道之機(jī))及業(yè)務(wù)請求(伺業(yè)務(wù)之機(jī))聯(lián)合的伺機(jī)通信控制技術(shù)，平時允許關(guān)閉發(fā)射機(jī)，當(dāng)有信道可供建鏈的同時用戶又有業(yè)務(wù)發(fā)送請求時，自動“喚醒”鏈路伺機(jī)通信。

4 結(jié)束語

大氣波導(dǎo)是一種可顯著增強(qiáng)超視距通信能力的優(yōu)質(zhì)信道資源，根據(jù)試驗統(tǒng)計，我國華北地區(qū)和黃海海域是大氣波導(dǎo)發(fā)生概率較高的區(qū)域。針對大氣波導(dǎo)低損耗高電平、不連續(xù)但有日變化趨勢性發(fā)展規(guī)律的特點，通信系統(tǒng)需具有即時認(rèn)知波導(dǎo)優(yōu)質(zhì)信道的能力，采用使鏈路性能與之動態(tài)匹配的符號速率及調(diào)制解調(diào)波形，使用戶享受到因波導(dǎo)帶來的帶寬倍增和質(zhì)量優(yōu)化的增值業(yè)務(wù)服務(wù)。隨著對流層散射通信領(lǐng)域向彈性通信技術(shù)與容中斷伺機(jī)通信技術(shù)的擴(kuò)展，大氣波導(dǎo)優(yōu)質(zhì)信道資源的高效通信應(yīng)用已納入其研究范疇，將為超視距通信注入新的生命力。

［1］ 王波．基于雷達(dá)雜波和GNSS的大氣波導(dǎo)反演方法與實驗［D］．陜西:西安電子科技大學(xué)，2011:13－19．

［2］ 趙小龍．電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)境中的傳播特性及其應(yīng)用研究［D］．陜西:西安電子科技大學(xué)，2008:13－19．

［3］ 成印河．海上低空大氣波導(dǎo)的遙感反演及數(shù)值模擬研究［D］．北京:中國科學(xué)院研究生院，2009:7－20．

［4］ 孟書生．海洋大氣波導(dǎo)電磁傳播模型及波導(dǎo)參數(shù)反演算法研究［D］．北京:中國海洋大學(xué)，2010:5－11．

［5］ 陳莉，高山紅，康士峰，等．中國近海大氣波導(dǎo)的時空特征分析［J］．電波科學(xué)學(xué)報，2009，24(4):702 －707．

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［9］ 任香凝，王偉，龐博．超短波聯(lián)合超視距通信技術(shù)研究［J］．無線電通信技術(shù)，2013，39(4):18 －21．

［10］ BASTOSL WIETGREFE H．Highly-deployable Troposcatter Systems in Support of NATO Expeditionary Operations［C］∥The 2011 Military Communications Conference:2042－2049．