超短波遠距離山區通信關鍵技術研究

金紅軍

（中國電子科技集團公司第五十研究所,上海 200063）

0 引言

超短波也稱“米波”，指波長從1～10 m，相應的頻率從30～300 MHz的無線電波段[1-2]。整個超短波的頻帶寬度有270 MHz，是短波頻帶寬度的10倍，由于頻帶較寬，廣泛應用于電視、廣播、雷達、導航、移動通信和戰術通信。超短波山區通信，碰到最多的問題就是山體阻擋，使收發不可視，這時通信要靠電波的繞射能力，當然繞射損耗是很大的，只有在超短波的低頻段才可利用繞射通信，一般球面地上的繞射損耗要比山峰的繞射損耗大得多，隨障礙屏高度增加繞射損耗迅速增大。戰術超短波電臺一般工作在30～88 MHz，以視線傳播為主，當發射功率50 W、傳輸速率16 kb/s時，平原通信距離單跳可達 30 km；當遇到崇山峻嶺（在山區）、建筑物等阻擋時，通信距離則明顯下降，嚴重時可能導致通信中斷，這就要求超短波電臺要具有山區通信的能力。

如何進一步提升超短波電臺的山區通信能力呢？在接收靈敏度性能不變的情況下，從系統的角度可以從三個方面考慮，第一，提高發射增益；第二，降低傳輸損耗；第三，采用網絡技術。發射增益與發射功率、天線有直接關系，直接增大發射功率，發射增益就會直接提高，目前戰術超短波電臺的發射功率一般在幾瓦到幾十瓦之間，比如增大發射功率，則發射增益也增大；天線增益越高，發射增益也越高，因此，通過提高發射功率和天線增益，可以提高發射增益。傳輸損耗一般與頻率和天線架設高度有關，頻率越低，傳輸損耗越小，頻率越高，傳輸損耗越大；天線架設越高，傳輸損耗越小，天線架設越低，傳輸損耗越大，因此，通過選擇低頻段和架設高天線，可以降低傳輸損耗。網絡技術也是一種重要手段，通過多跳、迂回路由等技術，可以有效間接避免山體阻擋，延伸通信距離，這種方式容易被人忽視或很少采用，但實際上是一種簡單、行之有效的方法。

1 山區通信存在的主要問題

山區通信的技術特點是：山區部署、鏈狀分布、移動后可快速部署，要求“山中通”的能力；梯隊行進間，要保持通信聯絡，要求“動中通”的能力；作戰區域受到敵方干擾，包括山區可能的空投干擾，要求“抗中通”能力。這些特點就給山區通信帶來了很大困難，主要問題是：

1）山中通能力差，遇到高山阻擋，通信性能大幅下降。

2）動中通能力差，在移動過程中，網絡拓撲結構發生變化，系統適應能力差。

3）抗中通能力差，干擾源主要是敵方空投，工業環境或自身干擾，系統適應能力差。

4）傳輸速率低，反應時間長，連續工作能力差。

這些問題正在逐步得到解決或改善，但在山中通問題上仍然比較突出，需要進行體系適應性構建，通過采用一些新技術、新方法來化解這些問題，從而全面提升山區通信性能。

2 超短波傳播特性

2.1 視距傳播

超短波在傳輸特性上與短波有很大差別，由于頻率較高，發射的天波一般將穿透電離層射向太空，而不能被電離層反射回地面，主要靠空間直射波、地面波和地面反射波3種方式傳播[3-4]，如圖1所示。地面波沿地面衰減極快，在距發射天線數公里以外，地面波就很弱了，數十公里以上，地面波已經可以忽略不計了；地面反射波，地面略有凹凸不平或傳播途中遇到任何障礙，都會對傳播產生影響，因而不能夠加以適當的利用。所以，超短波通信主要靠空間直射波，在低空大氣層作視距傳播。象光線一樣，傳播距離不僅受視距的限制，還要受高山和高大建筑物的影響。因此，要求天線架高一些，以便增加視線距離。

圖1 超短波傳播方式

2.2 只有有限的繞射能力

無線電波有繞過它所碰到的障礙繼續傳播的能力，這種繞過障礙的現象就叫做繞射，如圖2所示。電波的繞射能力與其波長有關，波長越長，繞過能力越強。對長波來說，繞過能力很強，很高的山峰也能繞過去；但對超短波來說，地面上不大的凸起部分也會成為嚴重的障礙，當遇到障礙物時，電波的能量一部分為障礙物所吸收，造成損失；一部分即行反射；只有剩下的一小部分能夠以較小的曲率繞過障礙物。因此，超短波的繞射能力遠較長波為差，只有有限的繞射能力。同時，在障礙物的后面造成很大的陰影區（就是電波不能到達的地方），所遭受的損失稱為陰影損失。頻率越高，繞射能力越差，所能繞過的障礙物也越小，陰影損失也越大。經驗表明：當電波在150 MHz以上時，繞射能力就非常弱了，幾乎只能沿著直線傳播。

圖2 超短波的繞射傳播方式

2.3 有效視線距離

一般都認為超短波很近與光的特性，只能夠直線前進，給定發射天線和接收天線高度H1、H2，當H1、H2遠小于地球半徑R(6370 km)時，則超短波的視線距離d也就為極限距離D，由此可以計算出視線距離d為：

當標準大氣折射時，R近似為8500 km，視線距離將增加到：

2.4 傳播損耗

超短波傳播是不受電離層影響的。但當氣候變化時，信號的大小也產生變化，這就是衰落現象。近距離的衰落現象較少；在遠距離，衰落現象就不可避免。衰落現象與頻率有關，一般說來，頻率越高，衰落現象越嚴重。自由空間電波基本傳輸損耗Lbf為：

由式（3）可以看出，傳輸損耗與頻率和距離的平方成正比，頻率越高，損耗越嚴重，距離越遠，損耗越大。EgLi根據在不規則地形上所得到的大量數據，總結出如下計算電波傳輸損耗經驗公式：

式（4）中，LM為中值路徑損耗(dB)，f為載頻頻率(MHz)，hb為基地臺發信天線高度(m)，hm為移動臺接收天線高度(m)，d為收、發天線之間的距離(km)，Kh為地形校正因子(dB)。

3 山區通信關鍵技術分析

3.1 定向天線技術

目前戰術超短波電臺主要使用全向天線，定向天線由于體積比較大，架設相對困難，移動性較差，所以，很少使用。定向天線相對于全向天線，結構要復雜的多，但具有相當高的增益[3]，這對于山區遠距離通信是一突出的優勢，作為山區重要中繼節點使用是非常好的選擇。定向天線有面結構和振子陣結構，其中，對數周期天線是一個很好的選擇，這里是指對數周期偶極子天線，它在一些離散的頻率間隔點上其結構成比例，天線的特性隨頻率的對數做周期變化，對數周期天線電壓駐波比小于 3，天線增益平均可達8 dBi以上。針對30～88 MHz的超短波對數周期天線，假設天線增益選擇為8.5 dBi，查設計手冊最佳設計對應的比例因子 τ和相鄰振子間的距離用間距因子σ值為，τ=0.822和σ=0.149，然后計算各參數得：頂角2α=33.3°；振子長度l1=5 m、l2=4.11 m、l3=3.38 m、l4=2.77 m、l5=2.28 m、l6=1.87 m、l7=1.54 m；振子間隔d1=1.49 m、d2=1.22 m、d3=1 m、d4=0.82 m、d5=0.68 m、d6=0.56 m；d總=5.77 m?？梢?0～88 MHz頻段的對數周期天線展開面積較大，長度為5.77 m，高度為5 m，但增益很高，達到 8.5 dBi以上，比常規使用的中饋天線（-2 dBi）平均提高10 dB以上。

3.2 大功率技術

目前軍用大功率技術主要應用于短波和微波頻段，功率可以達到kW、10 kW級以上，在戰術超短波頻段采用的發射功率都比較低，一般為50 W，而民用的大功率設備通常以固定基站模式，設備體積龐大，維護要求較高，無法滿足軍用車載式、機動性要求。超短波大功率技術由于頻率相對較高，輸出功率大，對器件要求較高，隨著大功率MOS器件的發展，采用晶體管技術的全固態kW級超短波頻段發射機技術已經成熟[5]，主要應用于廣播電視、電子對抗和流星余跡通信等，在戰術超短波通信方面還沒有實際應用，因此，從技術、成本、體積和干擾等幾方面綜合考慮，選擇設計500 W功率放大器。主要采用寬帶匹配、功率合成、功率回退、負反饋、自動功率控制等技術輸出一種功率大、工作頻帶寬、帶內增益波動小、線性度高的超短波射頻功率放大器，最大輸出功率不小于 500 W。由此，通過把超短波功率放大器由50 W（47 dBm）提升到500 W（57 dBm）后，發射功率增益提高了10 dB。

3.3 網絡技術

對于戰術通信應用場合，需要一種能夠隨機、快速自動組網的移動通信技術，Ad-Hoc網絡技術就是可以滿足這種特殊場合需求的新網絡技術[6-8]。Ad-Hoc網絡采用分布式、多跳、動態拓撲技術，實現網絡的自動組織和運行，稱為自組織網絡（SON）。由于節點的移動、隨時開機和關機、發射功率的變化、無線干擾和地形等綜合因素的影響，節點間的網絡拓撲結構是變化的，因此，通過采用動態路由技術，交換路由信息，監控網絡拓撲結構變化，定位目的節點位置，產生、維護和選擇路由，并根據選擇的路由轉發數據，提供網絡的連通性。因此，通過采用 Ad-Hoc網絡技術，可以實現超短波電臺自動中繼轉發和自動組網能力，將遍布區域的移動戰術電臺互聯成一個整體，從而擴展和延伸通信距離，實現山區遠距離通信的目標。

3.4 空中平臺技術

空中平臺主要包括無人機、飛艇（或系留氣球）等[9-10]，提供超視距連接能力，通過不同類型的升空平臺實現空中轉發，與地面網絡組成完整的天空地一體化的立體通信網絡，覆蓋整個戰場空間，其覆蓋范圍主要取決于平臺高度，隨平臺高度增加而擴大。無人機的軍用價值已被各國公認，具有機動靈活、易于部署和控制的特點，用于戰場通信覆蓋和中繼具有高效低成本（相對衛星）的優勢。利用無人機可以進行低空、中空和高空中繼通信。飛艇作為空中平臺，比無人機成本更加低廉，使用也更加方便，隨著技術的發展，在抗風性能、安全性、姿態穩定性、適應性都大大提高，基本上能達到全天候飛行，具有方便快捷、經濟實用、穩定可靠、運行成本低等突出優勢，適合用于空中區域中繼。根據實際情況需求，以及成本、復雜性、隱蔽性等綜合考慮，可以靈活選擇無人機或飛艇，一般盡量選擇低空中繼平臺為宜，仍然可以提供100 km以上的通信覆蓋范圍。

超短波通信最大的問題就是阻擋，而空中平臺徹底克服了這一障礙，實現了超短波直射波傳播的要求，是超短波電臺實現超視距、山區通信最有效的方法。但空中平臺技術也存在很多不確定性、欠缺性，受天氣影響較大，容易暴露目標，相對地面設備來說，復雜性高，成本高，穩定性差，隱身性差，這些新問題也都需要不斷完善，綜合考慮，機智應用。

4 性能評估和分析

超短波電臺的傳輸能力與通信頻段、發射功率、接收靈敏度、天線增益和地形等因素都有關系，在復雜地形條件下，超短波的傳播損耗可以采用Egli模型計算，電波傳輸損耗由經驗公式（4）確定。資料表明，地形校正因子，既與測試點周圍地形平均起伏高度H(m)有關，又與使用頻率有關，在公式中，當測試點周圍地形平均起伏高度H(m)等于15 m時，K取0，當測試點周圍地形平均起伏高度H(m)大于或小于15 m時，則應加地形校正因子。以下分析K值取0，收發天線兩端高度為15 m。

4.1 發射功率50 W、中饋天線

當發射功率為50 W（47 dBm），選擇中饋天線增益為-2 dBi時，天線收發兩端合計增益為-4 dB，發射總增益為43 dB，由電波傳播損耗公式（4）計算可知，其30 km的中值路徑損耗預測30～88 MHz頻段分別在130～139 dB，到達接收點的信號強度為-87～-96 dBm，均高于接收靈敏度（-109 dBm），即通信距離可達到30 km。

4.2 發射功率500 W、定向天線

當發射功率為500 W（57 dBm），定向天線選用對數周期天線，增益為8.5 dBi時，天線收發兩端合計增益為17 dB，發射總增益為74 dB，由電波傳播損耗公式（4）計算可知，其100 km的中值路徑損耗預測30～88 MHz頻段分別在151 dB至160 dB之間，到達接收點的信號強度為-77 dBm至-86 dBm，均高于接收靈敏度（-109 dBm），即通信距離可達到100 km。

從電波傳播損耗公式（4）中可以看出：傳播損耗與通信距離的關系是40·log(d)，即通信距離增加1倍，傳輸損耗增加12 dB；亦即在其它條件不變情況下，通過增加功率增益12 dB，通信距離可提高1倍。基于以上數據分析，采用超短波500 W大功率技術和高性能定向天線技術可以大幅提高發射增益，發射增益提高可達31 dB，通信距離由30 km提高到100 km，通信距離提高3倍多，從而大幅提高了傳輸性能，是一種解決超短波電臺山區通信的有效方案。

5 結語

提出實現超短波遠距離山區通信的四項關鍵技術和方案，通過高性能定向天線，發射增益平均可以提高17 dB以上，通過500 W大功率放大器，發射增益也提高10 dB，這樣，通過采用定向天線和大功率兩項技術，發射總增益可達 74 dB，通信距離達到 100 km，通信距離提高3倍多，實現了單跳大跨度遠距離通信；通過運用Ad-Hoc網絡技術，可以構建戰術電臺互聯網，通過單跳、多跳、迂回路由技術，實現自組織、分布式動態組網，從而達到有效間接延伸通信距離的目的；通過空中平臺技術，可以實現更大的通信覆蓋，更好實現山區超視距通信。總之，通過這些技術有機結合和綜合應用，通信距離可成倍提高，覆蓋范圍可加倍延伸，使網絡生存性大大提高，可以很好地解決超短波電臺遠距離山區通信問題。

[1]宋錚,張建華,黃治.天線與電波傳播[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011.

[2]吳志忠.移動通信無線電波傳播[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[3]史彥斌,高憲軍.航空機載超短波電臺效能評估研究[J].通信技術,2010,43(02):51-53.

[4]郭晉宏,李建濤.艦船超短波通信偵查系統偵察效能評估[J].通信技術,2009,42(02):117-120.

[5]黃智偉.射頻功率放大器電路設計[M].西安:西安電子科技大學出版社,2009.

[6]李培,吳越.無線Mesh網絡可信路由協議THWMP研究[J].信息安全與通信保密,2012(04):93-95.

[7]金紅軍.基于LTE技術的戰術通信系統研究進展[J].電訊技術,2012,52(08):1387-1394.

[8]樂強.WiMAXMesh網絡技術分析[J].信息安全與通信保密,2012(08):71-73.

[9]魏瑞軒,李學仁.無人機系統及作戰使用[M].北京:國防工業出版社,2009.

[10]甘曉華,郭潁.飛艇技術概論[M].北京:國防工業出版社,2005.