基于ITU-R P.533模型對海上短波通訊損失研究

呂晨昕 毛彥穎 劉宇超

摘要：無線電通訊指的是利用電波的振蕩，在空中傳輸聲音、文字、數據和圖像等信號的技術。它最大魅力在于可以借助無線電波的反射、折射、繞射和散射，省去了人工搭設導線麻煩，從而能夠更加自由、快捷、無障礙的信息傳遞和溝通。建立短波在傳播衰減過程中的計算模型，可為保證短波通信的可靠性提供參考依據，建立的方法主要依據 ITU-R P.533-13模型。首先進行傳播路徑的判別，進而進行頻率預測，建立計算模型，之后進行了深入研究，根據鏡面反射及漫反射提出海面損耗，與現有測量數據進行比對，進行模型的可靠性評估并進修正。

關鍵詞：短波通訊 ITU-R P.533模型 自由空間損耗 海面損耗

短波通訊（3MHz ～ 30MHz）利用電離層和地球表面的反復反射【1】，傳播的距離可以達到幾千甚至上萬千米，所以這種通訊應用于應急、救災和長距離的越洋通信等。但是短波通訊過程中，信號極易因自然因素、環境因素而受到干擾，所以對HF頻段信號傳輸進行評估預測，對提高信號的傳輸質量，保證信息的完整性有著重要意義。

1. 模型介紹

1.1 自由空間損耗

研究無線電波傳播過程中，最簡易的模型就是在自由空間的傳播模型。在自由空間（即無任何衰減、無任何阻擋、無任何多徑的傳播空間）中【2】，無線電波的傳播不受阻擋，沒有由外加物體所產生的吸收、反射、折射、繞射以及散射等。但當電波在一段距離傳播之后，電波的能量則會產生衰減，主要原因是輻射而導致能量發生擴散。自由空間的傳播損耗就是在發射點，無線信號在整個球面內均勻擴散，落在天線的有效接收面積上的能量與發射的總能量的比【3】。

1.2. ITU-R P.533模型

ITU-R P533建議書【4】是ITC發布Method for the prediction of the performance of HF circuits.應用于頻率在2和30 MHz之間的天波傳播的預測， 短波天波主要靠電離層的反射進行遠距離的傳播，電離層是分層的，按照電子濃度的分布情況分3層，由下向上分別稱為D層、E層和F層。當考慮了最主要的影響天波傳播的傳播條件后，可以對短波通信的工作頻率加以預測【5】。把太陽黑子數作為短波傳播的重要變化 因素，以確定最高可用工作頻帶MUF。

當短波依靠 F層反射時，最佳工作頻率選擇為 0.85MUF， F層反射時HF電波損耗的半經驗公式：

Lm 是MUF以上的損耗，對頻率f 等于或小于MUF時其為0。

Lg 為在中間反射點的地（海）面反射損耗的總和;Lh 為考慮到極光和其他信號損耗的因子;Lz 為其他因素的影響，建議值為10.3 dB，可進行修正。

2. 模型不足

由于海上氣候環境的復雜多變，使得無線電在海洋傳播條件下的影響因素更為復雜，通常使用海情級的數值級數來度量海上風浪狀態。當短波無線電射到海面上，如果海面粗糙度低于一定值，則會發生鏡面反射，而如果是湍流海面，由于海面的不平整性，則會發生鏡面反射與漫反射。漫反射的一部分信號同樣可以到達接受點，在接受的信號中，有鏡面反射和漫反射這兩個部分。一般認為漫反射來自于大小一定的一個區域，鏡面反射來自于單獨的一個點。二者矢量和為該點實際所接受的信號。該模型將無線電短波發生繞射等情況歸為繞射等海面粗糙度引起的損失。考慮到如下因素：海面均方根波高、海面粗糙度、鏡面反射系數、漫反射系數等【6】。由海級報表可知海面均方根波高δh知海面反射帶來的損失：

其中，為漫反射區域上海面斜率的均方根。

3. 海上信號修正模型

ITU-R P.533-13所給出的傳播預測模型，在一定程度上需要依據當實測數據進行修正。通過不同海況下實測數據與ITU-R P.533模型預測所得數據進行比對，便可修正得到Lz ，進而得到在不同海況下的基本傳輸損耗Lb，最終修正得到不同海況下的修正模型。

4. 總結

如今，無線通信在生活和生產的許多領域都得到了應用，無線通信的飛速發展給我們的生活帶來了巨大的進步。短波通信常用于遠距離通信，因為它可以達到遠距離通信。而在傳遞短波信號時最關心的是確保信息的完整性，主要研究了電離層和地球表面反射波的傳播方式、考慮各種因素在傳輸過程中所造成的損失。有許多因素會導致損耗的短波通信：電離層的消耗，大氣的折射，陸地、海洋表面反射，衍射的障礙，在自由空間傳輸損耗，發送方接收增益的各向異性，通過環境噪聲干擾等等。為簡化研究的過程中，主要研究自由空間，電離層的反射造成的損耗。對于短波通信過程的研究采用了ITU- R P.533-13的模型，分析了上述所產生的損失原理。

參考文獻

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[3] 尹祥榮.實現能量均衡消耗的簇內路由仿真研究[J].計算機應用與軟件，2014，31（02）.

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[5]徐義君.基于短波的天波傳播衰減預測模型研究[J].微型機與應用，2010，29（18）：56-57+60.

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