王立國(guó)，朱宏光

(中國(guó)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

單跳跨距遠(yuǎn)是對(duì)流層散射通信最顯著的特點(diǎn)之一。但是在許多應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是西部山區(qū)，要求散射通信站跨越近距離遮擋。在跨山通信中，散射通信站以犧牲通信距離為條件，以增加天線仰角的方式實(shí)現(xiàn)了跨越迎面山峰與另一端站的通信[1]。

傳播損耗的預(yù)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中是非常重要的?？缟酵ㄐ胖校姴ù嬖趯?duì)流層散射和山峰繞射2種傳播模式，需要按照不同的傳播方式計(jì)算傳播損耗[2]。對(duì)于散射傳播損耗目前工程上常用ITU-R617[3]和NBS-101[4]兩種方法計(jì)算，對(duì)于繞射傳播損耗ITU-RP.256也給出了計(jì)算方法。2種傳播損耗的計(jì)算都需要借助地形剖面圖求得散射角、山體高度等參數(shù)來(lái)完成。在實(shí)際使用中，往往遇到臨時(shí)更改通信地點(diǎn)的情況，這時(shí)就需要在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算出結(jié)果。但若無(wú)計(jì)算機(jī)攜帶，無(wú)法在地圖上作業(yè)就無(wú)法進(jìn)行傳播損耗的預(yù)計(jì)。因此，需要有簡(jiǎn)便的算法來(lái)完成傳播損耗的估算。文獻(xiàn)[5]對(duì)這2種算法進(jìn)行了分析，指出其不適用于跨山通信傳播損耗計(jì)算。文獻(xiàn)[6]提出了一種高仰角散射傳播損耗的計(jì)算方法。本文結(jié)合文獻(xiàn)[6]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出了近距離跨山通信中散射傳播損耗的簡(jiǎn)便工程算法，介紹了山峰繞射傳播損耗的工程計(jì)算方法，提出了繞射參數(shù)的工程算法，最后給出了散射和繞射傳播損耗的簡(jiǎn)便工程算法，并對(duì)近距離跨山通信的站址選擇提出了建議，可作為實(shí)際應(yīng)用參考。

1 近距離跨山通信對(duì)流層散射傳播損耗的 計(jì)算方法

1.1 現(xiàn)有散射跨山通信傳播損耗算法

散射傳播損耗目前主要有ITU-R617和NBS-101兩種方法，文獻(xiàn)[5]指出這2種方法都以等效地球半徑為背景，都能很好地預(yù)計(jì)出傳播損耗，在散射角小的時(shí)候，2種方法與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較小，隨著通信距離或散射角的增大，散射體公共體高度大于1 km，大氣折射系數(shù)不滿足線性關(guān)系，電波實(shí)際傳播方式不在等效地球上直線傳播，在跨山通信中2種計(jì)算方法都會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，此時(shí)NBS-101方法更能反映實(shí)際情況[5]。跨山散射通信示意圖如圖1所示。

圖1 跨山散射通信示意

文獻(xiàn)[6]指出天線仰角增大一般有3種因素影響散射傳播損耗[6]：散射角增加使得散射截面減??；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，三者引起的附加損耗分別為：LS、LV、LN。通過(guò)對(duì)影響傳播損耗因素的分析并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出了高仰角條件下散射附加損耗：

Lθ=LS+LV+LN=40lgθ+10lg[(1+S2)(1+S1)θ/4]+

0.2×ΔN，

(1)

式中，θ為散射角(°)，如圖1所示，在近距離通信中，不考慮地球曲率的影響，散射角θ=α+β；α，β為發(fā)收端天線束的夾角，為了避免仰角增大引起傳播損耗增加，一般α，β選為發(fā)收兩點(diǎn)到山頂?shù)难鼋?，可由森林羅盤(pán)測(cè)得；S1，S2為對(duì)稱因子，S1=α/β，S2=β/α，當(dāng)α=β=θ/2時(shí)LV最小，LV最小=10lg(θ)；LN=0.2×(NS1-NS2)；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)，NS隨高度變化的模型為：NS(h)=Nse-ch；h為散射體離地面高度(km)。由文獻(xiàn)[3]可知：h=aeθ2/8，ae為等效地球半徑。散射總傳播損耗為：Ld=LG+Lθ，其中LG是光滑球面條件下的散射傳播損耗，可按ITU-R617建議方法計(jì)算。

1.2 簡(jiǎn)便工程算法

由式(1)可以看出，LS，LV，LN都與散射角θ有關(guān)，為此采用散射角θ作為附加損耗的唯一參數(shù)。在文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，參照文獻(xiàn)[7]中提出的近距離散射傳播損耗工程預(yù)計(jì)方法[7]，利用Matlab中曲線擬合工具箱Surface Fitting Tool對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘曲線擬合處理[8]，可得

Ld=LG+Lθ=153+2d/3+58.24lgθ，
10≤d≤70，

(2)

式中，θ的單位是(°)；d的單位是km。

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

將文獻(xiàn)[6]中的實(shí)際線路用提出的計(jì)算公式進(jìn)行預(yù)計(jì)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如表1所示。公式最大誤差-14 dB，誤差均值0.13 dB，均方根值6.2 dB。由于公式省去了對(duì)稱因子等參數(shù)，計(jì)算個(gè)別結(jié)果存在較大誤差。但是與文獻(xiàn)[6]計(jì)算結(jié)果相比，簡(jiǎn)便工程算法不僅在計(jì)算過(guò)程上簡(jiǎn)單易行，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)便工程算法的大部分計(jì)算結(jié)果也十分接近。因此，此算法完全可以用于在近距離跨山通信情況下散射傳輸損耗的工程計(jì)算。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果

線路通信距離/km收/發(fā)仰角/(°)實(shí)測(cè)損耗/dB計(jì)算損耗/dB文獻(xiàn)[6]計(jì)算損耗/dB江城機(jī)場(chǎng)—李思莊24.0167/15240242243延慶康莊—長(zhǎng)陵中學(xué)29.458/46227232237牛家莊—隱風(fēng)山15.013/11241243241前仙村—白城16.16/12239237235前仙村—倒馬口17.655/6223227227海鷹煤場(chǎng)—金億煤場(chǎng)12.622/6243246238官?gòu)d—高崖口29.335/9251237247

2 近距離跨山通信山峰繞射傳播損耗的簡(jiǎn)便 工程計(jì)算方法

2.1 山峰繞射傳播損耗的簡(jiǎn)便工程計(jì)算方法

繞射傳播主要有單峰繞射和多峰繞射。繞射路徑的傳播損耗Lss由自由空間傳播損耗和繞射傳播損耗組成。單刃峰繞射傳播損耗ITU-R.P.526給出的計(jì)算方法如下[9]：

v≥-0，7，

(3)

λ為工作波長(zhǎng)；d1，d2為障礙點(diǎn)到發(fā)、收點(diǎn)的距離，d=d1+d2是收發(fā)端的直線距離。h，F(xiàn)1，λ的單位為m，d1，d2，d的單位為km[10]。

文獻(xiàn)[11]對(duì)此公式做了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化[11]：

(4)

對(duì)于微波頻段的散射鏈路，2個(gè)以上的山峰遮擋時(shí)，繞射信號(hào)非常微弱[12]，此時(shí)傳播將幾乎只有對(duì)流層散射。因此在線路存在多峰的時(shí)候，傳播損耗可只按照對(duì)流層散射傳播計(jì)算。對(duì)于跨山通信的山峰繞射，只需按雙峰繞射損耗計(jì)算。

雙峰繞射損耗可以看成2個(gè)單峰繞射損耗之和，如圖2所示。

圖2 多峰繞射示意

計(jì)算方法為：首先找到線路上為主障礙的最高山峰，山峰高度h1，其第一菲涅爾半徑為:

式中，d1，d2為主障礙點(diǎn)到發(fā)、收點(diǎn)的距離。按F1a計(jì)算出傳播損耗Lknf1，然后假設(shè)發(fā)射點(diǎn)位于最高峰的頂點(diǎn)，找出從頂點(diǎn)到接收點(diǎn)的第二障礙山峰，山峰高度為h2，繞射等效山峰高度h2-d4h1/d2，其第一菲涅爾半徑為:

式中，d3為主障礙點(diǎn)到第二障礙點(diǎn)的距離；d4為第二障礙點(diǎn)到收端距離。按F1b計(jì)算出傳播損耗Lknf2，總繞射損耗為A=Lknf1+Lknf2，自由空間傳播損耗LLos=32.45+20lgf+20lgd，f的單位為MHz，d的單位為km?？倐鞑p耗Lss=A+LLos。

2.2 繞射參數(shù)的工程算法

在實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)鍵在于h，d1，d2等參數(shù)的獲得。這些參數(shù)大都通過(guò)地形剖面圖得到，然而在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算出結(jié)果。

如圖3所示，在通信方向上選擇散射通信站作為一點(diǎn)，在通信方向后方附近選擇一點(diǎn)，確保這2個(gè)點(diǎn)與遮擋山體頂點(diǎn)成一個(gè)豎面。測(cè)量出兩點(diǎn)間距離為l，利用森林羅盤(pán)[13]測(cè)出兩點(diǎn)到山頂?shù)牟煌鼋铅?，φ，?jì)算出遮擋山體高度為：

山體離散射站距離d1=htanα，d2=d-d1。

圖3 繞射參數(shù)求解示意

2.3 繞射參數(shù)工程算法分析

文獻(xiàn)[11]給出的工程化近似模型可以簡(jiǎn)化工程計(jì)算，并能夠直觀地表達(dá)山區(qū)電波傳播的客觀規(guī)律，有利于山區(qū)通信問(wèn)題的分析和研究。但是在實(shí)際計(jì)算中，受制于h，d1，d2等實(shí)地參數(shù)的獲得，不便于在使用現(xiàn)場(chǎng)使用，為此，提出了參數(shù)的工程算法。此算法解決了在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)由于沒(méi)有地形相關(guān)資料而無(wú)法得到相關(guān)繞射參數(shù)的問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，人員在附加地面找2個(gè)點(diǎn)就能輕松測(cè)試，為了減小計(jì)算誤差還可以多選幾個(gè)點(diǎn)計(jì)算求測(cè)量平均值。參數(shù)的工程算法解除了繞射損耗計(jì)算中對(duì)地形圖的依賴，對(duì)繞射損耗計(jì)算有很強(qiáng)實(shí)用性。

3 近距離散射跨山通信選址建議

近距離跨山散射通信中電波存在山峰繞射和對(duì)流層散射2種傳播方式。根據(jù)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，C波段在單峰阻擋時(shí)，繞射為主要傳播方式。在多峰阻擋時(shí)以散射傳播為主。在同樣長(zhǎng)度的通信距離上，山峰繞射傳播損耗比對(duì)流層散射傳播損耗一般要低20～30 dB[14-15]，可對(duì)散射信號(hào)起到明顯的增強(qiáng)或平滑作用。在山區(qū)通信實(shí)踐中，利用刃峰繞射構(gòu)建通信線路有可能產(chǎn)生障礙增益，可獲得很好的通信效果[16-17]。

實(shí)際應(yīng)用中可分別按照對(duì)流層“天波”模式和刃峰繞射模式來(lái)估算余量，如果設(shè)備能力強(qiáng)，2種模式所提供的余量有任何一種達(dá)到10～20 dB，則該線路將具有高的可通概率，反之則建議重新選擇站址。

站址選擇要選可構(gòu)造出繞射鏈路的站址，應(yīng)盡量找山峰尖銳，山頂為石質(zhì)，無(wú)高大樹(shù)木覆蓋者，山峰越尖銳其利用價(jià)值越大，非常慎重選擇跨越雙峰甚至多峰的站址。

4 結(jié)束語(yǔ)

在散射通信的應(yīng)用中，移動(dòng)通信站已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位[18]。移動(dòng)通信站使用中往往遇到臨時(shí)更改站址的情況，這就需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳播損耗做出估計(jì)。提出的跨山散射傳播損耗簡(jiǎn)便計(jì)算方法、繞射傳播損耗的簡(jiǎn)便算法與參數(shù)的工程求解方法，為在工程設(shè)計(jì)[19-20]中快速預(yù)計(jì)跨山散射通信傳播損耗提供了便利的方法。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分利用山區(qū)地形，合理選擇路由，實(shí)現(xiàn)山峰繞射，建立山峰繞射和對(duì)流層散射相結(jié)合的線路，增大近距離散射跨山通信的傳播可靠度。

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