VHF在超視距和不規(guī)則地形條件下電平特性傳播模型研究

騰潢龍 楊濤

【摘? 要】為了探索VHF波段在超視距不規(guī)則地形的傳播特性，選取圓頂單峰地形，開展VHF信道電平特性傳播模型試驗(yàn)。首先給出了符合試驗(yàn)需求的測(cè)試方法、測(cè)試硬件設(shè)備搭建，然后從10個(gè)測(cè)試點(diǎn)實(shí)測(cè)了不同氣候條件、不同距離、不同時(shí)段的傳播損耗。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比，計(jì)算出衰落中值、衰落幅度、直方圖等指標(biāo)，得出了以距離為分界，VHF傳播衰減數(shù)據(jù)符合ITU R P1546和ITU R P370兩個(gè)傳播模型的結(jié)論。該結(jié)論可以為軍用和民用VHF網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供鏈路預(yù)算參考。

【關(guān)鍵詞】VHF;信道衰減;電平特性;信道模型

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）04-0075-06

[Abstract]?In order to explore the propagation characteristics of VHF band under over-the-horizon irregular terrains， the single-peak dome terrain was selected to perform VHF channel propagation model test. Firstly， the testing method， testing hardware and equipment establishment fitting experimental needs were presented. Then， the propagation loss of ten test points under different climate conditions， distances and time periods was measured. After data analysis and comparison， the metrics including fading mean， fading amplitude and histogram are calculated to conclude that the attenuation data of VHF transmission is in accordance with ITU R P1546 and ITU R P370 propagation models. This conclusion can provide a reference of link budget to both military and civil VHF network planning.

[Key words]VHF; channel attenuation; level characteristics; channel model

1? ?引言

超短波又稱甚高頻（VHF， Very High Frequency），即工作頻帶在30 MHz～300 MHz的無線電波，波長(zhǎng)為1 m～10 m。超短波通信的電子對(duì)抗性強(qiáng)，視距內(nèi)傳播穩(wěn)定性強(qiáng)，被廣泛用于民航、海事的近距離通信系統(tǒng)中。

超短波以空間波傳播方式為主，表面衰減快，傳播距離有限，電波容易受到對(duì)流層的影響，受地形、地物的影響也很大。對(duì)我國(guó)軍用無線通信的需求而言，摸清楚VHF波段在超視距通信條件下的傳播模型，將會(huì)為軍用通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供非常有益的參考。

本文在超視距條件下，對(duì)VHF電波在不規(guī)則地形條件、典型時(shí)間段的傳播特性影響（電平特性）及傳播模型進(jìn)行研究，以期得出有益于軍用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的結(jié)論。

2? ?VHF信道電平特性測(cè)試方法

2.1? 電平特性測(cè)試要求

接收到的電平特性數(shù)據(jù)，要能分析出地形地貌、不同時(shí)間段對(duì)傳播損耗的影響。為此，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)有如下基本要求：

（1）接收機(jī)靈敏度能保證電平測(cè)試門限，一般設(shè)定為小于等于-130 dBm;

（2）發(fā)射機(jī)功率能保證電平測(cè)試的探測(cè)距離。

2.2? 接收機(jī)靈敏度設(shè)置

2.3? 發(fā)射機(jī)功率設(shè)置

其中，Ae為自由空間視距傳播損耗、Aed為自由空間衍射傳播損耗，Aes為自由空間散射傳播損耗，k1、k2為視距傳播損耗系數(shù)，md為衍射傳播損耗系數(shù)，ms為散射傳播損耗系數(shù)，dmindx為散射傳播距離。

綜合考慮其他相關(guān)因素，包括天線極化方式、空氣折射率、地面相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率、測(cè)試地氣候模型等因素，并考慮到本次研究的實(shí)際情況，在地面起伏高度500 m，收發(fā)天線高度15 m，10 km～100 km傳播距離的條件下：

（1）當(dāng)傳輸距離小于22 km時(shí)為視距傳播，視距內(nèi)由于傳播路徑地形起伏和遮蔽等情況，又分為反射和繞射，路徑損耗最大為140 dB。

（2）當(dāng)傳輸距離在22 km～38 km，電波傳播的主要障礙考慮發(fā)射站和接收站之間地形的球冠部分，傳播方式以光滑球面繞射計(jì)算，路徑損耗最大為155dB。

（3）當(dāng)傳播距離大于38 km時(shí)，接收點(diǎn)相當(dāng)于處在陰影區(qū)，主要傳播方式考慮對(duì)流層散射傳播，傳播損耗是散射損耗和自由空間傳播損耗，路徑損耗記為175 dB。

綜上所述，本次研究條件下傳播損耗最大值為175 dB。考慮接收機(jī)靈敏度需小于等于-130 dBm，天線增益為8 dB，則發(fā)射功率需至少大于37 dBm。故試驗(yàn)中發(fā)射功率大于等于50 dBm。

3? ?VHF信道電平特性測(cè)試設(shè)備

4? ?測(cè)試的數(shù)據(jù)設(shè)置和統(tǒng)計(jì)方法

4.1? 測(cè)試統(tǒng)計(jì)項(xiàng)

統(tǒng)計(jì)項(xiàng)包括傳播損耗、衰落中值、衰落幅度、直方圖、日夜衰落差。其中，傳播損耗如式（5）所示：

4.2? 主要分析項(xiàng)

（1）按小時(shí)的分析項(xiàng)

每個(gè)小時(shí)的衰落中值：以2小時(shí)為間隔，分析一天內(nèi)衰落中值的變化曲線。

每個(gè)小時(shí)的衰落均方差：以2小時(shí)為間隔，分析一天內(nèi)衰落均方差的變化曲線。

每個(gè)小時(shí)的衰落幅度：以2小時(shí)為間隔，分析一天內(nèi)衰落幅度的變化曲線。

當(dāng)日衰落數(shù)據(jù)直方圖：統(tǒng)計(jì)每個(gè)強(qiáng)度上衰落中值數(shù)據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)。

（2）按地點(diǎn)分析

每個(gè)距離測(cè)量點(diǎn)的日夜衰落中值差：分析各個(gè)距離觀測(cè)點(diǎn)日夜衰落中值差的變化曲線。

每個(gè)距離測(cè)量點(diǎn)的平均衰落中值：分析各個(gè)距離觀測(cè)點(diǎn)全天平均衰落中值的變化曲線。

每個(gè)距離測(cè)量點(diǎn)的平均衰落均方差：分析各個(gè)距離觀測(cè)點(diǎn)全天平均衰落均方差的變化曲線。

每個(gè)距離測(cè)量點(diǎn)的平均衰落幅度：分析各個(gè)距離觀測(cè)點(diǎn)全天平均衰落幅度的變化曲線。

每個(gè)距離測(cè)量點(diǎn)的仿真中值和實(shí)測(cè)值：分析各個(gè)距離觀測(cè)點(diǎn)仿真中值與全天平均衰落中值的對(duì)比曲線。

每個(gè)距離測(cè)量點(diǎn)仿真中值和實(shí)測(cè)值的差及實(shí)測(cè)值偏差量：分析各個(gè)距離觀測(cè)點(diǎn)仿真中值和實(shí)測(cè)值之差的對(duì)比曲線。

（3）與信道模型對(duì)比

本次信道測(cè)試試驗(yàn)衰落統(tǒng)計(jì)特性將與ITU R P1546、ITU R P370、ITU Baltika三種傳播模型理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合傳播模型，給出信道特性及統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

5? ?接收電平的統(tǒng)計(jì)分析

此次試驗(yàn)選取“圓頂單峰地形”進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)試點(diǎn)分布如圖3所示，發(fā)射點(diǎn)位于西南方（圖片左下角），接收點(diǎn)分別位于東偏北的10個(gè)地點(diǎn)。發(fā)射點(diǎn)和各接收點(diǎn)之間有一座海拔900 m南北走向的山峰，山峰頂端平緩圓滑，山峰西部10 km內(nèi)地勢(shì)平坦，東部100 km內(nèi)為平原，符合測(cè)試要求。

此次試驗(yàn)按照熱季、冷季、溫季分階段對(duì)該圓頂單峰地形傳播信道參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。其中，在接收點(diǎn)6處連續(xù)進(jìn)行7×24小時(shí)測(cè)試，其余測(cè)試點(diǎn)均為24小時(shí)。接收點(diǎn)6、接收點(diǎn)7、接收點(diǎn)8、接收點(diǎn)9、接收點(diǎn)10處由于環(huán)境噪聲與最小有用信號(hào)接近，這五處采用定向天線進(jìn)行測(cè)試。以20 km測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.1? 20 km測(cè)試點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

（1）測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

測(cè)試工作頻率48 MHz，發(fā)射功率Pt=50.2 dBm，發(fā)射站定向天線增益為Gt=6.8 dB，架高15 m，指向56°，饋線損耗為L(zhǎng)1=1.5 dB，接收站全向天線增益Gr=-0.2 dB，架高15 m，饋線損耗為L(zhǎng)2=1.5 dB。

（2）衰落中值

從圖4可以看出：冷季衰落中值最小，溫季衰落中值次之，熱季衰落中值最大;同一季節(jié)，溫季和熱季8點(diǎn)～18點(diǎn)的衰落中值較大，冷季4點(diǎn)～8點(diǎn)、16點(diǎn)～24點(diǎn)的衰落中值較大。

（3）衰落均方差

從圖5可以看出：冷季衰落均方差在4點(diǎn)～8點(diǎn)有較大變化、溫季衰落均方差在12點(diǎn)～18點(diǎn)有較大變化，熱季衰落均方差變化小。

（4）衰落幅度

從圖6可以看出：冷季衰落幅度一天內(nèi)最大為2 dB，溫季衰落幅度一天內(nèi)最大為4 dB，熱季衰落幅度一天內(nèi)最大為2 dB。

（5）日夜對(duì)比和方差

5.3? 仿真對(duì)比

（1）溫季衰落中值與模型對(duì)比

從圖11可以看出：溫季距離發(fā)射點(diǎn)15 km、20 km、30 km、40 km處的接收測(cè)試點(diǎn)的信道傳播衰落中值與ITU R P1546模型的傳播衰落中值計(jì)算結(jié)果近似，距離發(fā)射點(diǎn)50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收測(cè)試點(diǎn)處的信道傳播衰落中值與ITU R P370模型的傳播衰落中值計(jì)算結(jié)果近似。

（2）溫季均方差與模型對(duì)比

從圖12可以看出：溫季距離發(fā)射點(diǎn)15 km、20 km、30 km、40 km處的接收測(cè)試點(diǎn)的信道傳播衰落中值與ITU R P1546模型的傳播衰落中值平均修正量約為-5 dB，距離發(fā)射點(diǎn)50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收測(cè)試點(diǎn)處的信道傳播衰落中值與ITU R P370模型的傳播衰落中值平均修正量約為+5 dB。

5.4? 結(jié)論分析

通過10個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，可知：

（1）在溫季氣候條件下，傳播距離在40 km以內(nèi)VHF信道傳播衰落中值與ITU R P1546模型的傳播衰落中值計(jì)算結(jié)果近似，平均修正量約為-5 dB;在溫季氣候條件下，傳播距離達(dá)到50 km～100 km，VHF信道傳播衰落中值與ITU R P370模型的傳播衰落中值計(jì)算結(jié)果近似，平均修正量同樣約為+5 dB。

（2）同一季節(jié)，平均衰落均方差和平均衰落幅度均隨著距離增加而逐漸變大;不同季節(jié)，平均衰落均方差和平均衰落幅度隨著距離增加，其變化趨勢(shì)基本一致。

（3）如果以溫季氣候條件下各測(cè)試點(diǎn)的衰落中值為標(biāo)準(zhǔn)，則熱季氣候條件下各接收測(cè)試點(diǎn)衰落中值平均增加1.02 dB，冷季氣候條件下各接收測(cè)試點(diǎn)衰落中值平均減少1.59 dB，與距離無關(guān)。

（4）三個(gè)季度條件下，日夜衰落中值差，平均傳播損耗均方差和衰落幅度變化趨勢(shì)基本一致，但明顯與距離正相關(guān)，可以擬合成直線（d為距離，單位為km），平均值（dB）約為：日夜衰落中值差為0.5+0.025×d，平均傳播損耗均方差為0.5+0.024×d，衰落幅度為0.5+0.07×d。