孫長(zhǎng)龍
(中國(guó)人民解放軍91404 部隊(duì),河北 秦皇島 066001)
對(duì)流層散射通信是利用對(duì)流層(從地面至12 km高度范圍內(nèi))大氣的不均勻性對(duì)電波的前向散射作用實(shí)現(xiàn)超視距通信。是一種長(zhǎng)距離、低時(shí)延、大容量、全天候的通信方式,在國(guó)內(nèi)、國(guó)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(hào)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(duì)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(xiàng)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(jì)算多采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式。
對(duì)流層散射年中值傳輸損耗的計(jì)算方法有很多種,均是基于半公式半經(jīng)驗(yàn);主要的計(jì)算方法有L.P葉、NBS-101、CCIR 以及中國(guó)ITU-R REC.P.617。其中,中國(guó)ITU-R REC.P.617 方法因其預(yù)計(jì)準(zhǔn)確度相對(duì)較高,為我國(guó)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(shí)踐應(yīng)用中也證明其更適合與我國(guó)國(guó)土范圍的散射通信鏈路傳輸損耗的預(yù)計(jì)。
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(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出了一套比較完整的適合我國(guó)條件的傳輸損耗統(tǒng)計(jì)預(yù)計(jì)模式,并被原CCIR采納于CCIR238-3 報(bào)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(duì)流層散射傳輸損耗預(yù)計(jì)方法,隨后逐漸形成現(xiàn)在常用的ITU-R.617 建議。
簡(jiǎn)單介紹ITU-R REC.P.617 的預(yù)計(jì)方法,以ITU-R REC.P.617-3 為參考版本。
在q%時(shí)間百分比內(nèi)不超過(guò)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(guò)ITU-R REC.P.617-3 建議,可計(jì)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。
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(jì)平均值,通常每天中午到傍晚的場(chǎng)強(qiáng)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(chǔ)備。
散射信號(hào)的快衰落是由多徑信號(hào)的傳輸造成的,是由許多散射波元相互干涉的結(jié)果。通過(guò)不同路徑接收到的信號(hào),其幅度、相位和時(shí)延均不相同。當(dāng)不同路徑的傳輸時(shí)延差Δτ比傳輸?shù)幕鶐盘?hào)的持續(xù)時(shí)間T或信號(hào)帶寬的倒數(shù)1/W相當(dāng)或大得多時(shí),多徑傳輸對(duì)接收信號(hào)的影響就表現(xiàn)為頻率選擇性快衰落??褂啥鄰叫盘?hào)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(shí)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(hào),并將各分支信號(hào)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(shí)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(duì)于視距微波和衛(wèi)星通信來(lái)說(shuō),對(duì)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(chǔ)備,否則,即使接收電平相當(dāng)可觀,無(wú)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(gè)系統(tǒng)無(wú)法使用,圖2 的仿真結(jié)果表明了系統(tǒng)無(wú)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(chǔ)備,這些能力儲(chǔ)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(lái)彌補(bǔ)。以上述例子中發(fā)射功率400 W,天線口徑2.4 m 計(jì)算,30 dB 以上的能力儲(chǔ)備,單靠增加發(fā)射功率或增大天線口徑來(lái)實(shí)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
一般情況下,基于式(1)預(yù)計(jì)的散射通信鏈路損耗與實(shí)際損耗比較吻合,誤差一般在0.5~2 dB 之內(nèi)。對(duì)于工作在C 頻段(4.4~5 GHz)的散射通信,雨衰對(duì)鏈路損耗的增加不明顯,反而出現(xiàn)通信能力增強(qiáng)的現(xiàn)象。這種反常現(xiàn)象在實(shí)際長(zhǎng)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(yàn)中也被發(fā)現(xiàn),具體表現(xiàn)就是通過(guò)頻譜儀觀測(cè)接收信號(hào)時(shí),會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)dB 的增強(qiáng)。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(yàn)中都被觀察到,出現(xiàn)所謂的“雨增”現(xiàn)象,一般會(huì)增加2~5 個(gè) dB。
根據(jù)ITU-R P.839-4 中相關(guān)預(yù)測(cè)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(diǎn)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(jì)算得:0.97 km。由此可見,散射通信鏈路的信號(hào)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(qiáng)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(guò)雨衰的計(jì)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(jì)算出工作頻率在4.7 GHz 時(shí)的雨衰值為2.1 dB。
根據(jù)式(1)計(jì)算,取華北地區(qū)的大氣折射指數(shù)典型值為310,計(jì)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(chǎng)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(shí),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(jì)算可得鏈路傳播損耗為216.5 dB,再考慮到雨衰的影響,對(duì)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(duì)散射通信效果是具有一定好處的。
參照ITU-R P.617-3 的散射傳播特性預(yù)測(cè)模型,將陸地和跨海應(yīng)用條件下的鏈路損耗預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析對(duì)比,結(jié)果如表1 所示。
通過(guò)表1 的仿真結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)總結(jié),對(duì)流層散射通信鏈路在跨越海面應(yīng)用時(shí),存在下面幾個(gè)優(yōu)勢(shì):
表1 鏈路損耗預(yù)計(jì)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(diǎn)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(guò)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(jì);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(hào)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(qiáng)于在陸地上的通信能力。
總體來(lái)說(shuō),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(shí),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。
對(duì)流層散射通信傳播特性的研究是基于經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)和理論計(jì)算的綜合性探索,需要在實(shí)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(jì)算模型,只是通過(guò)試驗(yàn)觀察、測(cè)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。