彭 沛，龐興豪，周曉蘭，米新朝，楊忠海，王亞輝，陳召村

（1.66138部隊(duì)，北京 100144；2.原軍委訓(xùn)練管理部指揮自動(dòng)化工作站，北京 100851）

微波通信具有抗干擾能力強(qiáng)，線路噪聲不積累，天線波束定向性好，線路保密性好等特點(diǎn)，是軍事通信領(lǐng)域一種重要的信息傳輸手段，但由于微波通信的波長較短，波束在空間傳播時(shí)多為視距傳輸，開設(shè)地域特點(diǎn)明顯，在實(shí)際使用過程中，鏈路開通常受地形、天氣等諸多因素影響，臺站開設(shè)之初，要科學(xué)、快速完成站址選取和鏈路規(guī)劃十分困難，往往需要在紙質(zhì)地圖上進(jìn)行作業(yè)，主要依賴人工，整個(gè)分析過程工作量大，效率非常低，無法快速提供直觀、可靠的分析結(jié)果，嚴(yán)重制約了微波通信鏈路的開設(shè)效率。

為解決上述問題，擬設(shè)計(jì)一種微波通信鏈路自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于包括地形、地貌、地物等對無線電波傳播有影響的地理信息和必要的無線傳輸模型，能夠?qū)ぷ髟谏絽^(qū)、平原、丘陵、海島等不同環(huán)境中的微波通信設(shè)備的站址選擇、鏈路質(zhì)量、覆蓋范圍等方面進(jìn)行分析，向部隊(duì)提供臺站配置、用頻選擇等相關(guān)領(lǐng)域的輔助決策，提升通信建立速度與質(zhì)量，提高裝備使用效能。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由三個(gè)主模塊組成，分別為：基礎(chǔ)模塊、應(yīng)用平臺、輸出模塊，如圖1所示。基礎(chǔ)模塊與應(yīng)用平臺之間通過定義服務(wù)的方式進(jìn)行交互。各模塊功能如下：

圖1 微波通信鏈路自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 基礎(chǔ)模塊

基礎(chǔ)模塊為軟件提供基礎(chǔ)的應(yīng)用支撐，包括電波傳播模型庫、地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等。電波傳播模型庫提供系統(tǒng)需要的微波通信傳播計(jì)算模型，是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)所涉及到的電波傳播模型根據(jù)我國實(shí)際工程鏈路和實(shí)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過修訂；GIS系統(tǒng)，即地理信息系統(tǒng)，包含豐富地形、地貌、地物數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供計(jì)算所需的實(shí)際地理信息數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)系統(tǒng)輸入輸出，以及過程數(shù)據(jù)的管理。由于本系統(tǒng)基于開發(fā)難度和成本兩方面考慮，對比關(guān)系數(shù)據(jù)庫，采用XML形式的數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，利用XML對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

1.2 應(yīng)用平臺

應(yīng)用平臺為系統(tǒng)提供三個(gè)層面的應(yīng)用級服務(wù)，分別為：地理級，提供圖上作業(yè)所必需的圖上量算、查詢、地圖瀏覽等；鏈路級，為用戶提供系統(tǒng)無線通信的相關(guān)功能，包括預(yù)測鏈路傳輸質(zhì)量、選擇通信站址、計(jì)算站址覆蓋能力等；網(wǎng)絡(luò)級，提供通信組網(wǎng)相關(guān)的服務(wù)，包括鏈路規(guī)劃，效能評估，網(wǎng)絡(luò)連通分析，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖傻取?/p>

1.3 輸出模塊

輸出模塊為軟件和用戶提供UI層的輸出和結(jié)果展示，包括鏈路計(jì)算結(jié)果的界面直觀顯示、鏈路規(guī)劃報(bào)告的輸出、鏈路高程剖面曲線的生成等。

2 系統(tǒng)功能

微波通信鏈路自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)集GIS系統(tǒng)和微波通信傳播模型于一體，可以為用戶提供電子地圖瀏覽、圖上量算操作、鏈路傳播質(zhì)量預(yù)測、微波通信陣地選擇、微波鏈路開通參數(shù)選擇等功能。

如圖2所示，本系統(tǒng)主要具備三方面功能，分別為GIS操作、鏈路傳播計(jì)算、數(shù)據(jù)管理。各功能的具體介紹如下：

2.1 GIS操作

GIS操作即系統(tǒng)利用較為精確的電子地圖將鏈路計(jì)算所需的具體地形地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示，使系統(tǒng)使用更為便捷簡便，主要用途：一是電子地圖為用戶提供地圖瀏覽功能，可通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)地圖漫游、地圖縮放等操作；二是借助具體的地理信息數(shù)據(jù)，可在地圖上完成所需的圖上量算功能，包括測量距離、角度等；三是為通信站點(diǎn)、通信鏈路、聯(lián)接關(guān)系等通信元素的顯示提供支撐。

2.2 鏈路傳播計(jì)算

鏈路傳播計(jì)算即系統(tǒng)提供微波鏈路傳播可靠度計(jì)算，并以計(jì)算結(jié)果為依托，向用戶提供以下產(chǎn)品：一是任意地面兩點(diǎn)間，按照指定工作參數(shù)，達(dá)成通信鏈路的可行性，并計(jì)算出設(shè)備的相關(guān)工作參數(shù)；二是任意地面兩點(diǎn)間，考慮地球曲率的地理高程的剖面分析，并計(jì)算出傳播遮擋發(fā)生的位置；三是對某一地面區(qū)域進(jìn)行分析，為開通微波鏈路并尋找合適站址；四是鏈路規(guī)劃報(bào)告的輸出和鏈路計(jì)算結(jié)果的保存。

2.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理即系統(tǒng)向用戶提供設(shè)備的工作參數(shù)管理和鏈路計(jì)算參數(shù)的保存功能：一是設(shè)備工作參數(shù)的管理，具體包括設(shè)備工作參數(shù)的新建、添加、修改、刪除、保存等；二是計(jì)算出的鏈路參數(shù)的管理，具體包括相關(guān)計(jì)算結(jié)果的添加、修改、刪除、保存等。

3 微波鏈路自動(dòng)規(guī)劃流程

微波通信鏈路規(guī)劃的核心在于根據(jù)鏈路所在地域的地形條件、鏈路沿途遮擋和降雨等因素，預(yù)估計(jì)微波的傳播損耗，主要分以下步驟完成：

3.1 鏈路幾何特性計(jì)算

對于微波波束而言，其運(yùn)行軌跡主要在大氣對流層中，由于受大氣折射的影響，電磁波在沿地球上空傳播時(shí)，可將其等效為一個(gè)半徑為KR的無折射地球上空的傳播。其中R為真實(shí)地球半徑，K為等效地球半徑因子，一般來說，K值是隨著時(shí)間變化而隨機(jī)變化的。

逐一計(jì)算各點(diǎn)的等效高度he：

式中，d1，d2為該點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)和接受點(diǎn)的距離（km）；H為該點(diǎn)的海拔高度（m）；he為該點(diǎn)的等效高度（m）。

在對鏈路路徑所有點(diǎn)進(jìn)行完等效高度變化后，尋找等效高度變化后的最高點(diǎn)Pnmax

式中，hemax為最高點(diǎn)等效高度（m）；index為最高點(diǎn)的序列號。

3.2 鏈路損耗計(jì)算

微波鏈路的傳輸損耗主要由地面遮擋附加損耗、自由空間傳輸損耗、降雨衰落損耗幾部分組成。

3.2.1 地面遮擋附加損耗計(jì)算

地面遮擋的附加損耗主要來自地面障礙物，如樹木、山峰等物體對于電波波束的遮擋。一般情況下計(jì)算遮擋附加損耗時(shí)，主要考慮波束的第一菲涅爾區(qū)內(nèi)是否存在遮擋。

因此，第一步是計(jì)算第一菲涅爾半徑F1：

式中，F(xiàn)1為該點(diǎn)菲涅爾半徑（m）；λ為波長（m）；d1，d2為該點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)和接受點(diǎn)的距離（km）；d0為鏈路通信距離（km）；f為工作頻率（GHz）。

第二步是計(jì)算鏈路剖面最高點(diǎn)的等效余隙hce（m）

式中，H1，H2為發(fā)射端和接收端的海拔高度（m）；h1，h2為發(fā)射端和接收端的天線架高（m）；d1，d2為反射點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的距離（km）；hen為采樣點(diǎn)等效高度（m）。

第三步是根據(jù)相對余隙計(jì)算附加損耗LdB

定義：相對余隙：v=hce/F1利用修正的繞射公式計(jì)算附加損耗LdB。

3.2.2 計(jì)算自由空間傳輸損耗

計(jì)算自由空間傳輸損耗Ls：

式中，Ls為自由空間傳輸損耗（dB）；d為傳輸距離（km）；f為工作頻率（GHz）。

3.2.3 計(jì)算降雨衰落造成的影響式中，rs為單位距離衰減量（dB/km）；λ為信號波長（cm）。然后，計(jì)算降雨環(huán)境下鏈路的有效路徑長度：

式中，leff為鏈路的等效長度（km）；l為鏈路的實(shí)際路徑長度（km）；r為路徑減弱因子。

故降雨衰落可表示為：

3.3 傳播可靠度計(jì)算

第一步根據(jù)設(shè)備參數(shù)計(jì)算設(shè)備的能力。所謂設(shè)備的能力是指設(shè)備能接受并準(zhǔn)確解調(diào)時(shí)的信號強(qiáng)度。該參數(shù)被稱為接收門限電平。計(jì)算接收門限電平Pr0：

式中，Pr0為接收門限電平（dBm）；NF為噪聲系數(shù)，固定值；fb為數(shù)字信息比特率（kb/s）；Eb’/No為解調(diào)門限/誤碼率，調(diào)制方式有關(guān)。

第二步計(jì)算接收端設(shè)備接收到的信號強(qiáng)度，該參數(shù)被稱為接收電平。其計(jì)算方法如下：

式中，Pr為接收電平（dB）；Pt為發(fā)送功率（dBm）；Gt，Gr為發(fā)送，接收天線的增益（dB）；Lft，Lfr為收發(fā)饋線損耗（dB）；LdB為余隙附加損耗；Lrain為雨衰。

一般來說，接收電平大于接收門限電平則意味著設(shè)備接收到的信號強(qiáng)度足夠進(jìn)行解析，也就意味著可以達(dá)成開通條件。為了能定量評估，定義電平儲(chǔ)備Fd，表示為：

顯然，電平儲(chǔ)備越大，通信效果越好。由此可以計(jì)算傳播可靠度：

式中，Pf r為鏈路中斷概率；Fd為電平儲(chǔ)備，也被稱為衰落深度（dB）；d為站距（km）；f為工作頻率（GHz）；KQ為影響因子，其內(nèi)容選取如表1所示。

表1 KQ取值對照表

4 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

要運(yùn)用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)微波通信鏈路的自動(dòng)規(guī)劃并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性、可用性，需要解決以下技術(shù)問題：

（1）基于大量工程實(shí)踐和實(shí)測數(shù)據(jù)，對ITU-R P.526提供的單刃峰繞射損耗計(jì)算模型進(jìn)行修正，構(gòu)建新的微波通信鏈路傳播評估模型；通過大量仿真試驗(yàn)篩選出合適的KQ影響因子，解決基于ITU-R P.526提供的模型和通用KQ值所得傳播損耗不準(zhǔn)確導(dǎo)致站址選擇和鏈路規(guī)劃可信度差的問題，使利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成高可信度的微波站址選擇與鏈路規(guī)劃成為可能。

（2）通過對雨衰、霧衰、地理磁偏角等走勢曲線進(jìn)行分解、量算、錄入、擬合和柵格化處理，完成地理環(huán)境信息的數(shù)字化、數(shù)據(jù)化，并將地理信息系統(tǒng)與鏈路模型庫進(jìn)行有效捆綁，為微波信鏈路自動(dòng)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。