一種復雜環境下對流層散射通信鏈路分析方法

黃 河，王永杰，余 蕾

(1.中國人民解放軍96901部隊，北京 100085；2.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

對流層散射通信是各個國家應急通信網和軍事通信網中不可缺少的重要組成部分[1]。隨著天線技術、功放技術、芯片和集成電路技術的發展，小型化的散射通信設備成為發展趨勢。小型便攜化將推動散射通信設備的廣泛應用，背負式散射通信電臺將逐漸形成裝備，散射通信也從點對點通信發展為多點對多點組網通信。對流層散射通信受使用區域地形地貌和氣象條件影響較大，其傳輸影響因子包括傳輸距離、收發頻率、天線俯仰角、散射體高度、地區分布和氣候條件等諸多因素。為了更好地在復雜環境下對散射電路進行性能分析和優化鏈路規劃，預測在高山越障、降雨和大霧等復雜環境下對流層散射的傳輸損耗和通信性能，需要對影響通信的重要傳播參數進行估算，對傳輸損耗估算方法進行分析，形成復雜環境傳播損耗和預期通信質量態勢圖，指導通信鏈路規劃與組織運用。文獻[1-2]對對流層散射在通常條件下的損耗進行了研究，提出了相應條件下的鏈路損耗計算方法。本文基于前人的研究成果和最新版的ITU-R P.617文件，針對不同地形條件和復雜氣象環境提出了一種散射通信電波傳輸損耗分析方法并進行了試驗驗證，提高了計算方法的適應性和準確度。

1 散射傳播機理

散射通信電波在大氣底部的對流層內傳播，對流層在2個方面對電波產生影響，一方面是對流層大氣的吸收損耗；另一方面因為對流層的非均勻性導致電波的傳播方向偏離直線方向。也就是說，如果大氣是均勻的，介電常數是一個常數，那么電波將沿直線傳播。實際上對流層是不均勻的，介電常數隨著離地高度和溫度的變化而變化，所以實際上電波在對流層中并不是沿直線傳播。假設有A，B兩個對流層散射通信站點，A站發送天線方向圖主瓣與B站天線方向圖主瓣的延伸在對流層中交會形成公共散射體，這個公共散射體的對流層大氣空間，實質上對散射通信做貢獻。根據湍流理論，公共散射體存在大氣湍流運動，湍流運動是非常不規則的氣流運動，能夠形成許多漩渦。漩渦不斷運動和變化，氣體密度、尺寸與形狀也在不斷變化，與此相應的是介電常數和折射指數同時在變化，這種漩渦湍流團被稱作“不均勻體”[3]。在對流層公共散射體中，入射的無線電波遇到許許多多隨機運動且大小各異的不均勻體，引起其中分子的電荷發生相對位移，從而感應出電流。在漩渦的尺寸與入射無線波的波長匹配時，這些不均勻體就像基本偶極子天線那樣將能量輻射出去，其中一部分能量輻射向接收天線，每一個二次輻射體均對接收天線提供一個散射場強分量[4-5]，對流層散射通信如圖1所示。

圖1 對流層散射通信示意Fig.1 Tropospheric scatter communication diagram

一般情況下，散射通信電波是沿水平線方向傳播，發射角一般不超過2°。隨著散射通信應用的不斷增多，發現散射通信在5～100 km的越障通信具有良好的發展前景[6-7]。在該種通信條件下電波波束為高仰角，散射角通常大于5°。在復雜環境中，散射機動通信根據地形環境和部署靈活使用散射通信的2種模式，即常規模式和高仰角模式。常規模式下散射角度小，散射電波指向沿地球切線方向；越障模式下散射角度較大，散射電波波束指向較高。

2 影響因素分析

影響對流層散射鏈路損耗的因素包括地形、氣象條件、傳輸距離、工作頻率和散射體高度等[8-9]。本文中傳輸損耗是指發射天線口面與接收天線口面之間的無線電在自由空間傳播所產生的損耗，不包括通信設備的屬性參數如天線增益、饋線損耗和插損等。ITU-R P.617給出了通常條件下散射通信傳輸損耗的估算方法，該方法可對常規模式下散射通信性能進行分析，分析結果與實測值有較小誤差。通過對流層散射接收的信號呈現出快變化和慢變化2種特性。慢變化特性是由于大氣折射條件的總體變化以及小尺度不規則氣流運動的快速衰減，小時中值傳輸損耗的分布可以描述慢變化。這種傳輸損耗近似于對數正態分布，標準差在4～8 dB之間，受氣候因素影響。快變化在最長5 min的時段內近似于瑞利變化。

根據文獻[10-11]，對于無線電波在對流層的散射傳播，p%時間不被超過的平均年基本傳輸損耗可以表示為：

Lbs(p)=F+22lgf+35lgθ+17lgd+Lc-Yp，

(1)

式中，F為氣象因子，單位dB；f為頻率，單位MHz；d為距離，單位km；θ為散射角，單位mrad；Lc為天線口徑與介質耦合損耗，單位dB；Yp為p%時間不被超過的變換因子，單位dB。

式(1)中F的計算公式為：

(2)

式中，N0代表年均海平面折射率；dN代表年均無線折射指數遞減率；hs代表地球表面高于海平面的高度；hb代表均質大氣高度，在不同氣候條件下通過統計獲得，全球均質大氣高度通常定義為hb=7.35 km。

式(1)中θ是發射天線與接收天線的實際地平線之間的夾角，即

θ=θe+θt+θr，

(3)

式中，θt為發射天線地平角；θr為接收天線地平角，

θe=d×103/ka，

(4)

式中，d為收發天線的距離，單位km；a為地球半徑，通常取值6 370 km；k為等效地球半徑因子，通常情況取值4/3。

式(1)中介質耦合損耗Lc計算公式為：

Lc=0.07exp [0.055(Gt+Gr)]，

(5)

式中，Gt，Gr分別代表收發天線增益。

式(1)基本傳輸損耗p%時間不被超過的時間變換因子Yp為：

(6)

(7)

式中，hb的取值同式(2)；k，a取值同式(4)。

在200 MHz～5 GHz通信頻率范圍內，散射公共體離地高度小于1 km的條件下，大氣折射指數隨高度變化基本滿足線性關系[1]，ITU-R P.617方法預計準確度較高，比較符合我國實際應用。但是，當散射角增大，即散射公共體高度大于1 km時，按照式(1)估算的傳輸損耗誤差值會增加。散射角度的增加一般會有以下幾種因素影響傳輸損耗，一是散射角增加使散射界面減小；二是散射體高度的增加引起大氣折射指數的降低；三是有效散射體體積會減小。以上各種因素疊加會使散射損耗增大[12]。工程中有2種常用的方法計算高散射角條件下鏈路損耗。一種是ITU-R P.617算法基礎上技術修正量，另外一種是使用美國陸軍對流層散射工程手冊的傳輸損耗估算方法。本文采用在ITU-R P.617算法上進行修正的方法。計算附加高散射角附加損耗，高仰角散射附加損耗可表示為：

Lθ=Ls+Lv+LN=

(8)

式中，s1=α/β；s2=β/α；α，β，θ的含義如圖1所示。ΔN為：

ΔN=Ns1-Ns2=Ns(ech1-ech2)，

(9)

式中，Ns為地面折射指數；h1為通常情況下散射體離地面高度；h2為散射角增加后散射體離地面高度，單位km；c與氣候有關，溫帶地區取值0.136。

綜合考慮高仰角帶來的誤差，高仰角散射鏈路損耗為：

L=LG+Lθ，

(10)

式中，LG根據式(1)計算；Lθ根據式(8)計算。

對流層散射通信是在大氣層內完成的通信，因此容易受到天氣的影響。在壞天氣時鏈路損耗需要考慮降雨衰減，降雨和冰晶層可導致法拉第效應[13-14]。降雨衰減跟雨量和穿過雨區的距離決定了雨衰[15]，雨量越大雨衰越大，穿過雨區的距離越大雨衰越大。降雨衰減為αL(dB)。其中，L為電磁波經過降雨區的有效長度；α為降雨衰減的單位衰減值，與大氣溫度、電波頻率有關，α=aRb(dB/km2)，a，b在頻率1 Hz～50 GHz范圍內取值為1，即在此頻率范圍內雨衰與降雨強度成正比；R是降雨強度，單位mm/h。濃霧對鏈路衰減也有影響，能見度為30 m的濃霧引起的電波傳播損耗介于大雨和中雨之間，能見度為120 m的濃霧引起的電波傳輸損耗與小雨相當[16]。根據文獻[4]提出的算法云、霧損耗(dB)可用經驗公式來計算：

云霧損耗= 0.148f2/vm1.43，

(11)

式中，f為頻率，單位MHz；vm為能見度，單位m。

3 試驗驗證與分析

針對在常規模式、高仰角模式的散射通信鏈路損耗方法進行了試驗驗證。選擇華北地區的A、B和C三地作為試驗點，搭建A地-B地(線路1)，A地-C地(線路2)2條試驗線路。

表1 站點選擇

鏈路1在距離120 km進行了常規模式和高仰角模式測試，常規模式下發射天線俯仰角為-0.21°，接收天線俯仰角為-0.01°，實測損耗和計算損耗小于2 dB；高仰角模式下，發射天線仰角為6.3°，接收天線仰角為7.1°，實測損耗和計算損耗小于10 dB。測試數據如表2所示。

表2 鏈路1試驗情況Tab.2 Link1 test result

鏈路2在距離180 km進行了常規模式和高仰角模式測試，常規模式下發射天線俯仰角為-0.21°，接收天線俯仰角為0°，實測損耗和計算損耗小于3 dB；高仰角模式下，發射天線俯仰角為6.1°，接收天線俯仰角為7.7°，實測損耗和計算損耗小于10 dB。測試數據如表3所示。

表3 鏈路2試驗情況Tab.3 Link2 test result

2條測試鏈路的數據表明，收發天線俯仰角較低時，利用式(1)計算的誤差比較小，在2 dB以內，收發天線俯仰角較高時，利用式(1)計算會產生比較大的誤差，需要利用式(8)計算修正誤差，修正后誤差值會有明顯改善，在2條測試鏈路中誤差值均小于10 dB。可見，在復雜環境下對流層散射通信鏈路損耗估算應該結合地形特點首先估算收發天線俯仰角，然后根據收發天線俯仰角選擇適合的估算方法才能更準確地估算對流層散射鏈路損耗。

4 結束語

基于對流層散射通信原理，分析了在復雜環境下對流層散射通信鏈路損耗影響因素及其計算方法，結合實測數據對計算方法進行了驗證。由于實驗條件所限，未能在降雨、大霧等惡劣天氣下對鏈路損耗進行實驗測試，只給出了經驗公式。下一步將結合復雜環境對惡劣天氣下鏈路損耗方法進行實驗驗證；研制復雜環境下對流層散射通信鏈路分析工具，用于鏈路規劃、通信指揮和通信態勢監視，縮短系統開通時間；發展高頻段的電離層散射鏈路損耗分析方法，目前僅對5 GHz以下的鏈路進行了分析。隨著散射通信技術的發展，Ku/Ka頻段散射通信成為可能，相應地開展高頻段下對流層散射通信鏈路的分析研究。