大氣波導傳播現(xiàn)象研究及通信應用設想

任香凝

(中國電子科技集團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備的性價比要求越來越高，優(yōu)質通信信道資源的普查和高效利用成為研究熱點。

優(yōu)質通信信道資源，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，主要增強兩方面能力:一是擴展通信距離，變視距(LOS)為BLOS/OTH，或超視距距離擴展;二是增加信號強度，可用于提升傳輸速率、質量和可靠度，或減小設備足跡(站型)和能耗。對流層中的大氣波導就是一種支持高性價比超視距通信的優(yōu)質通信信道資源。

1 大氣波導的傳播機制及分類

大氣波導是對流層環(huán)境中形成陷獲折射的一種異常大氣結構，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(即波導層)內，就像電磁波在平板介質波導中傳播一樣，這種電磁波的陷獲折射傳播現(xiàn)象稱為大氣波導傳播。

大氣波導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。

大氣波導可分為表面波導、蒸發(fā)波導和懸空波導3種類型。表面波導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。懸空波導又稱抬升波導，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種波導類型在海洋大氣環(huán)境中皆可出現(xiàn);表面波導和懸空波導也會出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中。

大氣波導的厚度越厚、強度越強，可形成波導傳播的電磁波的最大波長越長(對應最低陷獲頻率越低)、發(fā)射角度范圍的上限(即臨界仰角)愈大。當存在大氣波導時，位于波導層內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，將被陷獲在波導層內形成波導傳播。

大氣波導傳播現(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傳播到很遠的地方，形成超視距傳播。

2 大氣波導傳播現(xiàn)象分析

為了掌握大氣波導這種優(yōu)質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特性測試數(shù)據(jù)，研究了大氣波導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)境下的試驗結果展開分析。

2．1 陸地大氣波導傳播現(xiàn)象

(1)VHF 頻段［9］

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

①VHF超視距鏈路上存在大氣波導和對流層散射兩種信道模式，二者主要差異是:大氣波導是低損耗、準恒參信道，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變參信道;大氣波導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，大氣波導的發(fā)生概率(即作為主導信道模式的時間百分比)約為17%;

③大氣波導主要發(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模式，試驗統(tǒng)計結果如下:

①大氣波導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。大氣波導的試驗統(tǒng)計結果如下:

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;冬季雖然強波導少于夏季，但波導總的發(fā)生概率高于夏季。

表1 跨海鏈路大氣波導模式的發(fā)生時間及概率

②發(fā)生規(guī)律:大氣波導晴天多而陰天少;也有陰天突降小雨期間發(fā)生波導傳播的現(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，大氣波導最長持續(xù)27 h35 min，信號電平既強又穩(wěn)定。

③信道傳輸損耗特性:大氣波導的信道傳輸損耗小，強波導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64 dB)，電平變化范圍大。冬季強波導現(xiàn)象少于夏季。

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

⑤多徑時延特性:在海洋環(huán)境下大氣波導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計值。冬季的多徑現(xiàn)象(64 km鏈路多徑時延展寬可達6 μs)比夏季更為嚴重。

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

2．3 大氣波導傳播特性分析

根據(jù)上述試驗統(tǒng)計結果，可歸納出如下的大氣波導傳播特性:

(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，大氣波導一旦出現(xiàn)則占據(jù)鏈路主導信道模式地位;②夏季大氣波導發(fā)生概率高、信號強度大及持續(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強波導接近準恒參信道，多徑衰落的影響可忽略;②波導強度不太高時存在多徑衰落，根據(jù)相關試驗統(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、抗衰落技術予以克服。

(3)通信可用性

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

3 大氣波導通信應用設想

鑒于在陸地和海洋環(huán)境下，大氣波導都是一種以較高概率出現(xiàn)的、低損耗高電平的優(yōu)質不連續(xù)通信信道資源，提出波導/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術、基于大氣波導的容中斷伺機通信技術兩種技術方案。

3．1 波導/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術

(1)技術內涵

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)，基于對流層散射通信確保全年高通信可靠度(例如95%以上)的鏈路設計原則確定站型配置(四重顯分集架構)和任務下限速率，平時工作在散射模式提供中低速稀業(yè)務通信;一旦自動識別到大氣波導信道，則切換至寬帶優(yōu)質通信模式提供大容量多業(yè)務服務。

該技術通過認知min級的信道傳輸損耗，并基于閉環(huán)鏈路控制機制，動態(tài)調整符號速率及用戶終端接入配置與信道條件匹配，能夠在大氣波導模式下以較高概率伺機接入寬帶優(yōu)質服務，使平均信息吞吐量激增，并能以散射模式保證任務關鍵型業(yè)務的近全時段、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)關鍵技術

①信道認知、速率評估及閉環(huán)鏈路控制技術

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

系統(tǒng)開機后，首先以散射模式的任務下限速率建鏈，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量的誤碼率，結合適宜的彈性頻度和粒度設計，經(jīng)綜合評估給出信道模式指示及最佳速率建議，進而通過閉環(huán)鏈路控制機制完成兩端站速率切換控制信息的應答與交互，以控制發(fā)送速率、調制波形的選取與業(yè)務的動態(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)匹配的調制解調技術

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調制解調技術。

通過閉環(huán)鏈路控制機制，基于動態(tài)符號速率及自適應調制方式，在不同信道模式、不同速率下采取相宜的調制解調波形。散射模式下，進行4重空間分集×2重帶內頻率分集的高重分集設計，并結合失真自適應接收技術實現(xiàn)抗多徑衰落平穩(wěn)傳輸;波導模式下，無需高重分集設計，以4重顯分集架構結合自適應均衡技術支持大容量可靠通信。

③業(yè)務動態(tài)接入技術

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

按照一定的自適應業(yè)務接入及動態(tài)帶寬分配策略，通過閉環(huán)鏈路控制機制，實現(xiàn)業(yè)務接入的種類、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關鍵型業(yè)務的近全天候(例如95%以上)實時傳遞，散射信道較好條件下更多業(yè)務的較高可靠度傳遞，以及大氣波導條件下IP多媒體業(yè)務較高概率傳遞，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/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術，系統(tǒng)為四重顯分集架構，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)計預測模式，理論預計通信可靠度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”的理論進行預測，因大氣波導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，假設射頻帶寬不受限，可支持傳輸速率比任務下限速率提升約40倍;而在大氣波導發(fā)生的27.4%時間內，平均傳輸速率理論值甚至可達1 Gb/s;

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

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

3．2 基于大氣波導的容中斷伺機通信技術

(1)技術內涵

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)信機的高性價比小站型，可采取容中斷伺機通信技術，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“伺機通信”，是指用戶有使用需求和鏈路有通信條件時，進行并完成一次通信，長持續(xù)的強波導出現(xiàn)時，將允許大量寬帶業(yè)務的優(yōu)質傳輸。

該技術也可兼蓄并用對流層散射信道資源，以提高鏈路可通率。

(2)關鍵技術

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

二者主要差異在于，后者基于信道認知(伺信道之機)及業(yè)務請求(伺業(yè)務之機)聯(lián)合的伺機通信控制技術，平時允許關閉發(fā)射機，當有信道可供建鏈的同時用戶又有業(yè)務發(fā)送請求時，自動“喚醒”鏈路伺機通信。

4 結束語

大氣波導是一種可顯著增強超視距通信能力的優(yōu)質信道資源，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發(fā)生概率較高的區(qū)域。針對大氣波導低損耗高電平、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)需具有即時認知波導優(yōu)質信道的能力，采用使鏈路性能與之動態(tài)匹配的符號速率及調制解調波形，使用戶享受到因波導帶來的帶寬倍增和質量優(yōu)化的增值業(yè)務服務。隨著對流層散射通信領域向彈性通信技術與容中斷伺機通信技術的擴展，大氣波導優(yōu)質信道資源的高效通信應用已納入其研究范疇，將為超視距通信注入新的生命力。

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