14.1 GHz海上微波超視距傳播衰落斜率特性研究

李磊　吳振森　林樂科　盧昌勝　張利軍　王紅光

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071;

2.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,青島 266107)

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14.1 GHz海上微波超視距傳播衰落斜率特性研究

李磊1吳振森1林樂科2盧昌勝1張利軍2王紅光2

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071;

2.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,青島 266107)

摘要傳輸損耗衰落斜率特性的研究對于對流層微波超視距傳播系統(tǒng)的抗衰落設(shè)計和評估有重要的意義．根據(jù)在我國黃渤海區(qū)域進行的一次14.1 GHz微波超視距傳播試驗,結(jié)合散射拋物方程,高級折射效應(yīng)預(yù)報系統(tǒng) (Advanced Refractive Effects Predicition System, AREPS) 以及當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)分析了其衰落損耗數(shù)據(jù)的可用性;重點研究了其衰落斜率特性,根據(jù)其衰落斜率特性分析了電磁波通過波導(dǎo)、超折射、對流層散射三種環(huán)境及其共同作用進行超視距傳播時信號的穩(wěn)定性．

關(guān)鍵詞衰落斜率;微波;超視距;大氣波導(dǎo);超折射;對流層散射

The fade slope of microwave trans-horizon propagation

資助項目: 國家自然科學(xué)基金(編號：61471329,61401410)

聯(lián)系人： 吳振森 E-mail: wuzhs@mail.xidian.edu.cn

引言

無線電通信系統(tǒng)的性能和所處的電波傳播環(huán)境具有密切的聯(lián)系,其收發(fā)傳輸機制涉及到電波的吸收、折射、反射、散射、繞射、諧振、多徑干涉和多普勒頻移等一系列物理過程[1-2]．這些過程一方面造成了電波傳播的衰減、衰落、極化偏移和時頻畸變,另一方面也產(chǎn)生了使電波實現(xiàn)超視距傳播的條件．在海上特定的大氣和水文環(huán)境中,海面水汽蒸發(fā)使得在海面上很小高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減從而形成幾乎永遠(yuǎn)存在的蒸發(fā)波導(dǎo),海面上空的冷暖空氣水平對流又易形成懸空波導(dǎo)或超折射現(xiàn)象,電波在其中往往可以以較小的損耗傳播到比視距遠(yuǎn)得多的距離,形成反常傳播現(xiàn)象[3-4]．同時,由于在海上對流層天氣現(xiàn)象變化復(fù)雜,大氣不均勻、湍流和水平層結(jié)的經(jīng)常性出現(xiàn),極易引起較強的對流層散射現(xiàn)象,使電波傳播較遠(yuǎn)的距離,形成對流層散射傳播[5]．當(dāng)超視距傳播鏈路為海上鏈路,尤其當(dāng)收發(fā)天線高度較低時,電波傳播總會受到上述幾種現(xiàn)象之一甚至共同作用的影響,因此,研究電波傳播在大氣波導(dǎo)和對流層散射混合機制作用下的動態(tài)衰落特性,對超視距跨海無線電通信系統(tǒng)的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義．

信號的衰落特性主要包括快衰落和慢衰落,前者指瞬時信號電平在幾分鐘至一小時內(nèi)的短期變化,后者指短期信號電平中值在以晝夜、月、季和年以至數(shù)年為周期的長期變化．信號的慢衰落特性是無線電系統(tǒng)傳播可靠度設(shè)計的依據(jù),而快衰落特性則是評估抗衰落系統(tǒng)性能所必需的,了解信號的快衰落特性對于設(shè)計跟蹤信號變化的控制環(huán)路或?qū)鞑l件進行更好的短期預(yù)測是十分重要的．信號的快衰落特性主要以衰落深度、衰落幅度、衰落速率,衰落持續(xù)時間和衰落斜率來表達(dá)．其中,衰落斜率定義為衰落隨時間的變化速率,其首先應(yīng)用于對雨衰動態(tài)特性的研究[6-8]．1992年,Sweeney和Bostian[9]通過估計雨天第一菲涅爾區(qū)的降雨速率,在理論上分析了雨衰的動態(tài)特性．1999年,Van de Kamp[10]分析了雨衰衰落斜率的概率分布,提出了衰落斜率的預(yù)測方法,隨后此方法被納入了國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)的建議書中[11]．基于此模型,一種模擬雨衰時間序列的N階馬爾科夫鏈模型被提出并得到廣泛的應(yīng)用和研究[12-14]．然而,至目前為止,關(guān)于衰落斜率動態(tài)特性的研究主要集中于降雨等方面,而關(guān)于對流層超視距微波鏈路衰落斜率動態(tài)特性的研究,目前的文獻還相對較少．

本文首先結(jié)合散射拋物方程方法[15], 高級折射效應(yīng)預(yù)報系統(tǒng)(Advanced Refractive Effects Prediction System, AREPS)[16]軟件和當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù),對我國黃渤海區(qū)域一次頻率為14.1 GHz的海上微波超視距試驗的傳播數(shù)據(jù)進行了可靠性分析,隨后利用此次傳播數(shù)據(jù)分析了本次衰落數(shù)據(jù)在不同衰減值下衰落斜率的概率分布以及不同濾波器帶寬對衰落斜率概率分布的影響．分析結(jié)果表明,衰落斜率的概率分布與衰減值和濾波器帶寬都有著很好的相關(guān)性．

1試驗條件及數(shù)據(jù)處理

本次海上對流層超視距傳播試驗發(fā)射端位于覺華島,天線海拔高度為21 m,接收端位于長興島,天線海拔高度為12 m,兩站點隔海相望,大圓路徑距離為107.7 km,如圖1所示．天線發(fā)射功率為43.67 dBm,頻率為14.1 GHz,發(fā)、收天線增益均為35.9 dB,仰角為0°,接收端采樣頻率為100 Hz．試驗開始接收數(shù)據(jù)時間為2013年9月14日,結(jié)束時間為2013年10月10日,共歷時27天,整個試驗傳輸損耗的累積分布函數(shù)如圖2所示．同時,為了收集試驗期間近地層的同步氣象數(shù)據(jù),在發(fā)射端海上觀測平臺的不同高度處安裝了氣象梯度儀．

圖1　試驗鏈路地理位置示意圖

從圖2可以看出,本次試驗期間,信號變化整體起伏較大,傳輸損耗從155 dB至220 dB,之間相差達(dá)65 dB．這可能是由兩種原因造成的:1) 在試驗期間由于海風(fēng)較大或者其他人為等因素造成收發(fā)天線不是總在相應(yīng)的最佳指向,傳輸損耗值中包含了一定的天線偏向損耗;2) 電波在傳播過程中受到了蒸發(fā)波導(dǎo)和湍流效應(yīng)的影響．當(dāng)蒸發(fā)波導(dǎo)高度較高且強度較大時,電波完全陷獲于波導(dǎo)層內(nèi)形成波導(dǎo)傳播;當(dāng)蒸發(fā)波導(dǎo)高度較高但強度不大,折射率梯度遞減率不足以完全將電波陷獲于波導(dǎo)層內(nèi)時,形成超折射傳播．這兩種情況均會造成信號會以較小的傳輸損耗進行傳播;而當(dāng)蒸發(fā)波導(dǎo)高度較低,波導(dǎo)厚度和強度較小不足以形成波導(dǎo)或者超折射現(xiàn)象時,電波受湍流等效應(yīng)影響,形成對流層散射傳播,傳輸損耗較大．在整個試驗期間,這兩種傳播方式可能總是交替或者同時存在,造成信號電平整體跨度較大．為了驗證上述假設(shè)是否成立,確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性,根據(jù)觀測平臺的氣象梯度儀數(shù)據(jù)測得的蒸發(fā)波導(dǎo)高度和海平面修正折射率,在考慮了風(fēng)向、風(fēng)速、氣海溫差和潮汐變化的基礎(chǔ)上,利用Paulus-Jeske (P-J)[17-18]蒸發(fā)波導(dǎo)模型模擬了發(fā)射端的修正折射率剖面,并將此剖面分別代入散射拋物方程和AREPS中進行計算,結(jié)果如圖3所示．

圖2　傳輸損耗累積分布函數(shù)

圖3　不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度下的實測數(shù)據(jù)與散射拋物方程和AREPS的模擬數(shù)據(jù)比較

從圖3可以看出,實測數(shù)據(jù)與散射拋物方程和AREPS軟件的模擬結(jié)果有著較好的一致性,傳輸損耗隨著蒸發(fā)波導(dǎo)高度的升高整體呈減小趨勢．這說明本次試驗的測量數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下是合理的．因此,信號的變化主要是由于蒸發(fā)波導(dǎo)的高度變化所導(dǎo)致的波導(dǎo)、超折射以及對流層散射傳播引起的．并且從圖3可知,本次試驗的傳輸損耗都大于或等于自由空間傳輸損耗,沒有出現(xiàn)信號增強的情況．

2衰落斜率

某一衰減值的衰落斜率定義為下一時刻衰減值和前一時刻衰減值之差與它們之間時間間隔的比值[10]

(1)

Van de Kamp認(rèn)為雨衰減衰落斜率的概率分布可能由衰減值、雨滴尺寸分布、仰角及低通濾波器帶寬等幾個參數(shù)決定．由于海上的對流層超視距傳播仰角較低,通常設(shè)為0°,同時其受降雨影響較小,因此為了研究對流層超視距傳播的衰落斜率特性,對其概率分布首先從衰減值和低通濾波器帶寬兩方面加以分析．

為了濾除采樣值過高造成的閃爍和設(shè)備奇異值,對本次試驗數(shù)據(jù)進行1 s平均,隨后根據(jù)式(1)計算了本次試驗數(shù)據(jù)在不同衰減值下的衰落斜率,其概率密度分布和累計概率分布分別如圖4和圖5所示．

圖4　不同衰減值下衰落斜率的概率密度函數(shù)圖

圖5　不同衰減值下的衰落斜率的累積分布函數(shù)

從圖4和圖5可以看出,不同衰減值的衰落斜率的條件概率都以0 dB/s為中心呈左右對稱,這和Van de Kamp所計算的關(guān)于雨衰減衰落斜率的結(jié)果一致[10]．經(jīng)計算,本次試驗中所有衰減值衰落斜率的正負(fù)概率密度之差的量級都在10-3,最大差值為0.009 2．部分衰減值衰落斜率的條件概率分布比較如表1所示．另外,從圖中可以看出,不同衰減值衰落斜率的條件概率分布不同,圖6顯示了不同衰減值的衰落斜率在0 dB/s時的條件概率密度值．

表1　各衰減值衰落斜率條件概率比較

圖6　不同衰減值的衰落斜率在0 dB/s時的條件概率密度值

從圖6可以看出,隨著衰減值的增大,傳輸損耗的衰落斜率在0 dB/s時的條件概率密度值分布先是快速減小,隨后緩慢增大,而雨衰減的衰落斜率在0 dB/s時的條件概率密度值的變化趨勢則為隨衰減值的增大而減小[10],兩者并不相同．當(dāng)衰減值為176 dB時,衰落斜率在0 dB/s時的條件概率密度值最小,為0.145,這說明此時的信號較為離散,接收信號電平變化較快,衰落起伏較大．結(jié)合圖3可以看出,當(dāng)衰減值為176 dB左右時,蒸發(fā)波導(dǎo)高度約在10至20 m之間,高于接收天線高度但低于發(fā)射天線高度,因此此時的電磁波傳播可能受到波導(dǎo),超折射和對流層散射三種傳播方式共同作用的影響,從而造成信號衰落起伏較大,信號不穩(wěn)定．

Matricciani[19]在研究降雨的衰落斜率時用1 s和4 s的滑動平均濾波器來濾除對流層閃爍對雨致衰落的影響,并比較了不同濾波后衰落斜率的概率分布情況,其結(jié)果表明濾波器帶寬越大,超過同樣概率的衰落斜率值越大．他認(rèn)為這是由于濾波器的平滑和重復(fù)采樣,要達(dá)到給定衰減間隔需要更長的時間造成的．Van de Kamp也研究了降雨衰落斜率和低通濾波器帶寬的關(guān)系并給出了相關(guān)公式[10]．因此,為了研究低通濾波器帶寬對對流層微波超視距傳播的影響,對本次試驗數(shù)據(jù)分別進行了4 s和8 s的滑動平均濾波,并計算了濾波后不同衰減值衰落斜率的條件概率分布,部分衰減值衰落斜率的條件概率分布如圖7和圖8所示．

圖7　4 s滑動平均不同衰減值衰落斜率條件概率分布

圖8　8 s滑動平均不同衰減值衰落斜率條件概率分布

從圖7和圖8可以看出,濾波器帶寬的不同并不影響衰落斜率分布的對稱性,但是隨著滑動平均時間的增大,給定衰減值衰落斜率的條件概率分布越來越集中,也就是說達(dá)到給定衰減間隔需要更長的時間,這和Matricciani所得出的結(jié)論一致．為了更清晰地看出這種變化,圖9給出了不同低通濾波器帶寬下不同衰減值衰落斜率為0 dB/s時的條件概率的變化情況．

圖9　不同低通濾波器帶寬下不同衰減值衰落斜率為0 dB/s時的概率密度值

從圖9可清晰地看出,在不同的平滑濾波下,隨著衰減值的增大,衰落斜率的條件概率分布最大值都呈現(xiàn)先減小后增大的情況．但是隨著滑動平均時間的增大,給定衰減值的衰落斜率的條件概率分布最大值會逐漸增大．這說明滑動平均時間的增大濾除了信號的快衰落變化,導(dǎo)致了短時間內(nèi)信號衰落的趨勢變緩,從而使各衰減值的衰落斜率更加集中在了0 dB/s．圖10給出了不同衰減值下滑動平均時間與衰落斜率分布概率的關(guān)系,從圖中可以看出,隨著滑動平均時間的增大,給定衰減值的衰落斜率概率分布最大值近似呈線性增大,這至少說明了衰落斜率和濾波器帶寬有一定的關(guān)系,而本次試驗中,兩者呈現(xiàn)一種正斜率線性比例關(guān)系,表2給出了圖10中各個衰減值衰落斜率和滑動平均時間的線性比例值．

圖10　不同衰減值下濾波器帶寬與衰落斜率分布概率的關(guān)系

表2　不同衰減值衰落斜率和滑動平均時間的線性比例關(guān)系

3結(jié)論與討論

本文首先利用我國覺華島的氣象梯度儀數(shù)據(jù),結(jié)合散射拋物方程和AREPS軟件分析了在我國黃渤海海域進行的一次14.1 GHz對流層微波超視距試驗數(shù)據(jù)的可靠性,隨后重點分析了本次試驗衰落損耗數(shù)據(jù)的衰落斜率特性．經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):1) 不同衰減值的衰落斜率的條件概率分布曲線都關(guān)于0 dB/s左右對稱;2) 隨著衰減值的增大,給定衰減值衰落斜率的條件概率分布曲線先是快速變低變平,隨后緩慢升高;3) 在不同低通濾波器帶寬下,衰落斜率的條件概率分布最大值曲線變化近似相同,但是隨著滑動平均時間的增大,給定衰減值的衰落斜率概率分布最大值近似呈線性增大．上述結(jié)果表明:1) 對海上微波超視距傳播而言,當(dāng)傳播方式為大氣波導(dǎo)傳播時,信號的衰落斜率概率分布曲線在0 dB/s附近最為集中,因此信號最強且最為穩(wěn)定;當(dāng)傳播方式為對流層散射傳播時,信號的衰落斜率概率分布曲線在0 dB/s附近較為集中,因此雖然信號最弱,但信號較為穩(wěn)定,衰落起伏較小;而當(dāng)兩種傳播方式同時存在時,衰落斜率概率分布曲線較分散,因此雖然信號較強,但信號的衰落起伏大,信號最不穩(wěn)定;2) 衰落斜率的條件概率分布和低通濾波器帶寬有關(guān),帶寬的增大濾除了對流層閃爍和設(shè)備產(chǎn)生的奇異值的影響,也可能因此濾除掉了信號的實際的快衰落變化．從圖形上看,滑動平均濾波器的滑動平均時間和衰落斜率條件概率最大值呈正斜率的線性關(guān)系．

對流層微波超視距傳播衰落斜率的研究對于系統(tǒng)的抗衰落設(shè)計以及設(shè)備的選址等有十分重要的指導(dǎo)意義．由于試驗數(shù)據(jù)和條件的限制,本文的研究工作尚不夠全面,應(yīng)當(dāng)在不同的區(qū)域和環(huán)境條件下對衰落斜率進行更加全面和深入的分析和研究,找出規(guī)律,得到統(tǒng)一的數(shù)值模型．

致謝:衷心感謝電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室提供的傳播實測數(shù)據(jù);感謝張蕊高工在理論及算法上提供的支持與幫助．

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李磊(1987-),男,河北人,西安電子科技大學(xué)博士研究生,主要從事電磁波在隨機介質(zhì)中的傳播和散射建模及仿真研究．

吳振森(1946-),男,湖北人,西安電子科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師．主要從事隨機介質(zhì)波傳播、電磁散射等方面研究．發(fā)表論文三百余篇,其中SCI論文兩百余篇．

林樂科(1972-),男,山東人,博士,中國電波傳播研究所研究員,主要從事對流層傳播與環(huán)境特性研究．

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on oversea at 14.1 GHz

LI Lei1WU Zhensen1LIN Leke2LU Changsheng1

ZHANG Lijun2WANG Hongguang2

(1.XidianUniversity,SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,

Xi’an710071,China;2.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,China

ResearchInstituteofRadioWavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractStudy on the fade slope characteristics of the transmission loss has important significance for the design and the evaluation of the microwave over-the-horizon systems which Fade Mitigation Techniques may be implemented. Transmission loss measurements at 14.1 GHz have recently been made on the oversea paths in the areas of the Yellow sea and the Bohai sea of China. The availability of the data is analyzed combining with the troposcatter parabolic equation method, the Advance Refractive Effects Prediction System (AREPS) and the local meteorological data. Then, this paper focuses on the study of the fade slope characteristics of the transmission loss. The stability of the trans-horizon microwave signal, which propagated on oversea with the duct, the super-refractive, the troposcatter and the hybrid mechanism, has also been analyzed with the fade slope characteristics of transmission loss.

Key wordsfade slope; microwave; trans-horizon; duct; super-refractive; troposcatter

作者簡介

收稿日期：2015-01-09

中圖分類號TN958.93

文獻標(biāo)志碼A

文章編號1005-0388(2015)06-1164-06