陸基鏈式超短波監(jiān)測網(wǎng)布站仿真測算*

馬子健

(國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和無線電技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴充，各類無線電應(yīng)用對無線電頻譜資源的需求不斷擴大［1－3］。無線電用戶(含無線電設(shè)備，以下統(tǒng)稱用戶)活動范圍的增加使得其在運動的過程中可能大量地使用和依賴頻譜資源。部分用戶甚至將無線電通信系統(tǒng)作為關(guān)鍵甚至唯一的通信控制單元［4－5］。目前，一些突發(fā)無線電干擾，輕則造成高速運動中的用戶無線電通信中斷，系統(tǒng)運行效率下降，重則威脅用戶的安全運行。但是，目前建設(shè)的超短波無線電監(jiān)測網(wǎng)主要面向城域覆蓋，城市覆蓋率僅有15%，難以完全覆蓋這些移動線路區(qū)域［6］。近年來，為解決這一問題，國家無線電管理機構(gòu)先后頒布了建立民航和鐵路專用無線電頻率保護機制的政策，專用無線電監(jiān)測系統(tǒng)也在研究當中。因此，無線電管理技術(shù)部門可以針對用戶的活動特征，設(shè)計一套能夠快速發(fā)現(xiàn)和定位沿線干擾源的監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)干擾排查，并及時通知沿線的移動用戶。

針對這一考慮，在用戶運動路徑沿線布置的鏈式無線電監(jiān)測網(wǎng)是一個可供選擇的方案。目前，用戶使用的頻段以超短波頻段為主。因此，鏈式超短波無線電監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計就具有了一定的普遍性，可以通過布站距離的仿真測算，為這種新型網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)計依據(jù)。本文將探討這一監(jiān)測網(wǎng)的特點，并確定理想條件下的仿真?zhèn)鞑ツＰ?，結(jié)合目前實際線路的典型值確定仿真參數(shù)，從而計算監(jiān)測站的理論布站距離。

2 陸基鏈式超短波監(jiān)測網(wǎng)的概念及特點

2.1 概念

陸基鏈式超短波監(jiān)測網(wǎng)(以下簡稱鏈式監(jiān)測網(wǎng))是一種基于用戶運動沿線周圍布置的，以監(jiān)測用戶使用的無線電信號、評估線路周邊相關(guān)電磁環(huán)境、有效判定干擾為目標的VHF/UHF頻段地面無線電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)由若干布置在地面的固定、移動或其他形式的監(jiān)測站(設(shè)施)和信息處理中心組成，并經(jīng)過有線或無線方式實時傳輸監(jiān)測信息，將原始信息反饋至用戶(設(shè)備)和無線電管理部門，以保障其安全使用。

2.2 特點

鏈式監(jiān)測網(wǎng)在信息監(jiān)測傳輸時體現(xiàn)了3個特點:實時性、全覆蓋和智能性。

(1)實時性。鏈式監(jiān)測網(wǎng)的首要目標是實時反映其運動沿線的電磁環(huán)境狀況。一些用戶(設(shè)備)在運動過程中需要依賴無線電頻譜資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、定位和動態(tài)控制，如果出現(xiàn)同頻等干擾［7］，可能會立即引起通信中斷。因此，必須在極短時間內(nèi)通知在線路上運動的用戶，避免出現(xiàn)安全事故。同時，無線電管理部門要啟動排查程序，盡快消除干擾。

(2)全覆蓋。用戶在沿線運動的過程中，沿線地貌變化很大，既有的無線電監(jiān)測站往往不能覆蓋偏遠地區(qū)，一些距離線路近但是距離監(jiān)測站較遠的干擾源往往不容易被發(fā)現(xiàn)。高速移動中的無線電用戶(設(shè)備)對電磁環(huán)境的要求較高，在這些地區(qū)發(fā)生干擾后用戶必須能夠及時收到前方的干擾信息，以便采取保護措施，而監(jiān)測站也應(yīng)將干擾信息判定及時發(fā)送給沿線的用戶。當用戶以較高的速度在線路上運動時，這種需求就變得更為迫切。

(3)智能性。鏈式監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)在區(qū)間內(nèi)單站或多站發(fā)現(xiàn)電磁環(huán)境參數(shù)發(fā)生異?；蛴型话l(fā)干擾時，及時聯(lián)通區(qū)域內(nèi)的其他無線電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施，共同定位干擾源區(qū)域。這將極大地提高干擾排查效率。

3 鏈式監(jiān)測網(wǎng)的布站仿真測算方法

為使監(jiān)測站的布置更加具有可操作性，我們建立了模型和理論公式，并設(shè)置了仿真條件，對鏈式監(jiān)測網(wǎng)的布站距離進行測算。通過計算電波傳播損耗，結(jié)合監(jiān)測接收機靈敏度要求，可以得出在符合一定靈敏度要求下的布站距離。為此，本文選取了日常監(jiān)測工作中最常用的傳播模型進行仿真，設(shè)置不同的傳播距離，按照自由空間、城市、郊區(qū)、開闊地的不同條件計算出不同的接收靈敏度值，以此得出理想狀態(tài)下直線線路監(jiān)測站布站距離的結(jié)論。

3.1 仿真測算模型示意

用戶在線路上運動的過程中，會利用沿線布置的專用通信基站完成無線電信息傳輸。這些無線電波可能受到來自周邊相近頻段的已知類型的干擾，也可能受到其他不可預(yù)知的干擾。監(jiān)測站布置在線路周圍，可以最大限度地獲悉線路周邊的電磁環(huán)境參數(shù)，以判定干擾源。鏈式監(jiān)測網(wǎng)布站示意圖如圖1所示。

圖1 鏈式監(jiān)測站仿真模型示意圖Fig.1 Simulation model diagram of chain monitoring stations

3.2 仿真測算模型

為盡可能合理地仿真鏈式監(jiān)測網(wǎng)的布站，我們采用直射波公式和ITU－R P.1546建議書的模型計算監(jiān)測基站覆蓋范圍，通過電波傳播半徑、接收機最小靈敏度計算來確定布站距離范圍。在實際工作中，這些模型也作為理論計算的典型參考模型。需要指出的是，該模型是理想狀態(tài)的，因此算出的布站距離是該系統(tǒng)布站距離的最大值。由于真實線路周邊會有遮擋物等，實際布站距離會因線路條件不同而比該值小。

3.2.1 直射波計算公式

直射波傳播距離公式［8］為

其中，R為直射波最大傳輸半徑(單位 km)，h1、h2分別為發(fā)射、接收天線高度(單位m)。該公式用以計算單個監(jiān)測站覆蓋的最大理論范圍。

3.2.2 損耗模型

本模型用以計算監(jiān)測系統(tǒng)的最小接收電平(平均功率)值。

根據(jù) ITU R.1546 建議書［9］，電波傳播的損耗與發(fā)射功率、發(fā)射頻率、傳播距離、接收端系統(tǒng)增益有直接關(guān)系。為此，我們采用了典型自由空間損耗公式和Okumura－Hata模型對傳輸?shù)睦碚摼嚯x進行測算。

自由空間損耗［10］公式:

式中，Pr為接收端功率(dBm)，Pt為發(fā)射點全向等效輻射功率(dBm)，f為發(fā)射頻率(MHz)，d為發(fā)射與接收點距離(km)，Gr為接收端系統(tǒng)增益(dBi)，E為1 kW等效輻射功率的接收點場強值(dBμV/m)，h1為用戶天線高度(m)，h2為監(jiān)測站天線有效高度(m)，a為移動臺天線高度因子(dB)，b為距離d折算系數(shù)，ke為天線因子(dBm－1)。需要指明的是，公式(4)是在城市環(huán)境(市區(qū))下折算的場強值，如在郊區(qū)和開闊地，需折算與市區(qū)的損耗差值，得出郊區(qū)和開闊地的接收點場強值，具體計算公式［10－11］如下:

3.3 仿真條件的選取

用戶在地面線路上運動，其依賴的通信基站高度一般距離線路較近。根據(jù)實際情況，用戶設(shè)置的基站高度一般在距地面35 m以下［12］。而監(jiān)測站天線的高度要綜合考慮接收高度、布站半徑等多個因素，其天線高度通常也設(shè)置在這一范圍內(nèi)。因此，在本仿真中，我們將專用基站的天線高度設(shè)置為線路高30m，用戶的天線高度設(shè)置為距線路高5 m，監(jiān)測天線距離地面高度設(shè)置為10m、20m、30m 3類。

在監(jiān)測天線增益值的選取上，實際的監(jiān)測站既有高增益天線，也有無增益天線。高增益天線會提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度，增加布站距離?？紤]到比較惡劣的情況，我們將天線增益值設(shè)為0。

在頻段的選取上，目前高速移動用戶的主要應(yīng)用頻段在900MHz，而干擾源頻段一般分布在150～1000MHz之間。在本仿真中，取200MHz和900MHz作為典型計算值。根據(jù)實際監(jiān)測情況，這類用戶所使用的單頻帶寬一般不會超過200kHz，故選取200kHz作為典型單頻帶寬。由此給出仿真條件設(shè)置，具體如表1所列。

表1 仿真條件參數(shù)表Table 1 Simulation parameters

4 仿真測算

4.1 仿真線路條件

在線路上運動的用戶，當其運動設(shè)定速度越高時，線路區(qū)段的曲線半徑越大。一些專用基站的布站距離較小，與線路曲線半徑相比可近似認為是直線，故在本仿真中線路條件按照直線區(qū)段進行仿真。

4.2 仿真結(jié)論

4.2.1 自由空間損耗仿真值

根據(jù)上述仿真條件設(shè)置，將各項仿真數(shù)據(jù)代入入式(1)，可得鏈式監(jiān)測站的自由空間損耗理論布站(覆蓋)半徑為18～45 km，取條件最惡劣的情況，可得監(jiān)測站自由空間損耗理論布站半徑為18～31 km，具體結(jié)果見表2。

表2 鏈式監(jiān)測站單站理論布站自由空間損耗半徑仿真結(jié)果Table 2 Simulation radius of single chain monitoring station by theory of free space loss model

根據(jù)上述仿真條件，將各項仿真數(shù)據(jù)代入式(2)和式(3)，可得鏈式監(jiān)測站距發(fā)射點的理論距離與監(jiān)測站接收機靈敏度的測算距離關(guān)系，具體數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 鏈式監(jiān)測站接收機靈敏度自由空間模型仿真結(jié)果Table 3 Simulation receiver sensitivity of chain monitoring station by free space loss model

4.2.2 Okumura－Hata 模型損耗仿真值

根據(jù)上述仿真條件設(shè)置，將各項仿真數(shù)據(jù)代入式(4)～(6)，可得鏈式監(jiān)測站距發(fā)射點的理論距離與監(jiān)測站接收機靈敏度的測算距離關(guān)系。因該模型的基站天線最低高度為30m，故仿真結(jié)果只計算了基站高度30m條件下的情況。另外，發(fā)射功率取移動端的最小值2 W，以計算最嚴格的布站情形，具體數(shù)據(jù)如表4所列。

表4 鏈式監(jiān)測站接收機靈敏度Okumura－Hata模型仿真結(jié)果Table 4 Simulation receiver sensitivity of chain monitoring station by Okumura－Hata model

仿真結(jié)果表明，在Okumura－Hata模型條件下計算出的最低靈敏度值較高。根據(jù)實際工作經(jīng)驗，一般監(jiān)測接收機靈敏度值應(yīng)不低于－107 dBm，故可推算出在市區(qū)條件下，鏈式監(jiān)測站單站理論布站距離為5～15 km;在郊區(qū)條件下，布站距離為 10～25 km;開闊地條件下布站距離為25 km以上。綜合考慮，平均每100km直線線路布置4～10個監(jiān)測站可滿足監(jiān)測基本要求。鑒于線路周邊環(huán)境的復雜性，監(jiān)測站實際布站數(shù)量要根據(jù)線路周邊環(huán)境的實際測試結(jié)果進行確定。在曲線路段，監(jiān)測站的布站應(yīng)滿足無縫覆蓋要求，故其布站距離可能會小于理論計算距離。

5 結(jié)語

鏈式監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計和布局是一個較為復雜的過程，通過借鑒以往在固定區(qū)域監(jiān)測布站的工作經(jīng)驗開展仿真計算，可為今后設(shè)計該類線路型監(jiān)測網(wǎng)提供了參考。隨著無線電用戶對移動性的增加、移動速度的提高和運動距離的延長，會使其對無線電通信系統(tǒng)的依賴性更強，進而顯示出鏈式監(jiān)測網(wǎng)的重要性。在今后實際線路設(shè)計中，仍應(yīng)通過線路現(xiàn)場測試與仿真模型相結(jié)合的方法來確定具體的布站條件，并校正理論計算模型。

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