散射通信系統(tǒng)工作頻段的選擇

趙玉超，孫澤楠

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081; 2．石家莊市第二醫(yī)院，河北 石家莊 050081)

散射通信系統(tǒng)工作頻段的選擇

趙玉超1，孫澤楠2

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081; 2．石家莊市第二醫(yī)院，河北 石家莊 050081)

散射通信中常用的頻段有L、S、C、X和Ku頻段，針對散射通信的頻率選擇問題，從鏈路損耗入手分別對5個頻段進行了分析。根據(jù)不同應用場景，利用ITU－R617方法對不同頻段、不同距離的散射通信的傳輸損耗進行了計算仿真，結(jié)果表明:在近距離、基本傳輸損耗較小的應用條件下，宜使用頻率較高的C、X或者Ku頻段，這樣有利于設備的小型化;而在遠距離、基本傳輸損耗很大的應用條件下，頻率較低的L或者S頻段才是更合適的選擇，才能使得遠距離散射通信更加實用。

散射通信；頻率選擇；傳輸損耗；ITU-R617

0 引言

對流層散射通信是利用對流層中不均勻體［1］對超短波以上的無線電波的前向散射來實現(xiàn)的一種超視距無線通信方式［2］，具有傳播媒質(zhì)永恒存在且無需付費等優(yōu)點［3］，在國內(nèi)、外超視距通信中占有重要地位［4］，其常用的頻段有L、S、C、X、Ku頻段。

散射通信傳播機制的特點決定其傳輸損耗較大，絕大部分能量都以直射波的形式射向天空，只有不足百萬分之一的能量通過彎管傳輸?shù)竭_接收機［5，6］。為應對這種較大的傳輸損耗，對流層散射通信設備通常使用高功放、大口徑天線［7］。此外，如何選取正確的工作頻率，以使散射通信發(fā)揮出其最大潛能，成為散射通信工程設計中需要考慮的一個重要問題。

本文通過分析散射通信各種因素帶來的損耗，得出了不同應用場景下的頻段選取原則，為工程應用提供了參考。

1 散射通信傳輸損耗

根據(jù)ITU-R617建議，基本傳輸損耗年中值［8］:

式中，M為氣象因子，其具體值如表1所示。f為頻率(MHz)，θ為散射角(rad)，光滑球面條件下:

ae為地球等效半徑(km)，d為大圓距離(km)，LN為與散射體高度和氣候區(qū)參數(shù)γ有關的損耗［9，10］:

氣候區(qū)參數(shù)γ的取值如表1所示。

表1 不同氣候區(qū)的氣象參數(shù)和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)

H為最低散射點到收發(fā)天線連線高度(km):

h為最低散射點離地高度(km):

考慮到天線帶來的增益，鏈路損耗為:

Gant為去掉介質(zhì)耦合損耗后的純增益，Lc為介質(zhì)耦合損耗［11］:

Gt、Gr為發(fā)收天線增益(dB)。

2 不同頻段、距離下的鏈路損耗分析

根據(jù)式(6)可知，鏈路損耗包括基本傳輸損耗，天線介質(zhì)耦合損耗以及天線帶來的增益?；緜鬏敁p耗隨著距離的增大而增大，當通信距離為100 km時，L、S、C、X和Ku頻段的主基本傳輸損耗分別為184 dB、193 dB、205 dB、211 dB和220 dB，當通信距離達到600 km時，傳輸損耗可達到226 dB、235 dB、247 dB、253 dB和261 dB，如圖1所示。

圖1 散射傳輸損耗與通信距離的關系

由于傳輸損耗很大，遠距離散射通信需要通過加大發(fā)射功率和增大天線增益來應對傳輸損耗。在實際應用中，通過增大發(fā)射功率的方法來克服傳輸損耗的成本是非常大的，一方面，功放的增益受器件水平的限制;另一方面，高功放的長期運行會導致很大的資源消耗，運行和維護成本很高。因此功放輸出功率總是受限的［12］，通過加大功率來應對鏈路損耗并非最佳的解決方法。而通過增大天線增益來克服傳輸損耗是比較簡單、可行的，對于固定站來說，只需要一次投資就可以一直得到很大的鏈路增益，基本上沒有后期運行和維護成本，因此增大天線增益是應對遠距離散射通信傳輸損耗的一種有效的手段。

通常情況下，當頻率固定時，拋物面天線的增益與天線口徑的平方成正比的，但在散射通信中，由于介質(zhì)耦合損耗的存在，天線增益并不是隨著口徑增大而一直增大的。對于上述5個頻段，使用不同口徑的天線帶來的增益如圖2所示。

圖2 散射通信天線口徑與純增益

由圖2可知，在散射通信中，由于天線介質(zhì)耦合損耗的存在，天線增益并不是隨著口徑的增大而一直增大，相反，當天線口徑增大到一定程度時，天線帶來的增益不但沒有增大，反而會減小。因此在散射通信中，無法通過繼續(xù)增大天線口徑來獲取鏈路增益。

圖2為100 km和600 km的通信距離下，使用5個頻段在不同天線口徑下的鏈路損耗曲線。可以看出，對于5個頻段，當天線口徑小于1 m時，Ku頻段鏈路損耗最小，當天線口徑大于7 m時L頻段鏈路損耗最小。對于600 km的鏈路，若使用Ku頻段，其最小鏈路損耗為178 dB，而L頻段在25 m的天線下鏈路損耗為145 dB，比Ku頻段要小33 dB，其他頻段損耗介于二者之間，可以看出，在大口徑天線的支持下，低頻段的散射通信鏈路損耗可以做得更低，而在天線口徑受限的情況下，高頻段的鏈路損耗相對較低。

3 不同通信距離下頻段的選取

散射通信傳輸損耗隨著距離的增大而增大。對于較近距離的散射通信鏈路，基本傳輸損耗較小，例如對于100 km的鏈路，5個頻段的基本傳輸損耗分別為184 dB、193 dB、205 dB、211 dB和219 dB，都不是很大，這時設備以小型化為主要目標。由圖3可知，當選取1 m的天線時，L、S、C、X和Ku的鏈路損耗分別為149 dB、146 dB、144 dB、143．5 dB和143 dB。以某型接收機為例，其解調(diào)門限為－92 dBm，若不考慮其他工程損失，則5個頻段需要的最小發(fā)射功率為分別為57 dBm、54 dBm、52 dBm、51．5 dBm和51 dBm，實際工程中都很容易做到，考慮到小型化和實用性，可選擇較高的Ku、X以及C頻段。當鏈路長度增大至600 km時，如果繼續(xù)使用高頻段，由圖2可知，對與Ku、X以及C頻段，鏈路損耗最小值分別為179 dB、170 dB和164 dB，同樣以上述接收機為例，所需的發(fā)射功率為87 dBm、78 dBm和72 dBm，顯然是難以實現(xiàn)或者不實用的;而使用S或者L頻段，采用20 m廣告牌天線，鏈路損耗分別為152 dB和147 dB，需要的發(fā)射功率為60 dBm和55 dBm，相對比較容易達到，實用性也更強。

圖3 散射通信鏈路損耗

通過以上2個例子的對比，可以得出，在散射通信中，在近距離、基本傳輸損耗較小時，宜使用高頻段，如Ku、X或者C頻段，有利于設備的小型化;當應用距離加長，基本傳輸損耗變得很大時，應考慮使用較低的頻段，如S和L頻段。

4 結(jié)束語

在我國的散射通信設備中，Ku和X頻段是一個較新的頻段，有利于設備小型化，也可兼容衛(wèi)星通信設備，達到衛(wèi)通—散射一體化的效果。C頻段為最常用的一個頻段，應用成熟，頻譜干凈，干擾較少，在近距離、非固定站應用中有著重要地位。當通信距離很遠，損耗很大時，由于L和S頻段基本傳輸損耗相對較低，并可通過增大天線口徑來獲取天線增益，這樣就可以在一定程度上應對通信距離增加帶來的損耗，達到遠距離散射通信的目的。

［1］韓明鑰，徐松毅，賈偉．用于變參信道的變速率傳輸技術[J]．無線電通信技術，2008，34(4):16－18．

［2］趙玉超，秦建存，劉麗哲．對流層散射通信傳輸損耗預計方法分析[J]．無線電工程，2013，43(3):62－64．

［3］徐松毅，陳常嘉，李文鐸．高仰角對流層散射電波傳輸損耗的一種預計方法[J]．電波科學學報，2011，26 (3):528－532．

［4］中國人民解放軍總參謀部通信部．對流層散射遠距離通信[M]．北京:中國人民解放軍戰(zhàn)士出版社，1982．

［5］李文鐸．用于變參信道的變速率傳輸技術[J]．無線電通信技術，2013，39(6):1－2，14．

［6］郝英川，甘啟光，賈夢媛．散射通信在島嶼中的應用及傳播特性分析[J]．無線電通信技術，2014，40(2):20－22，51．

［7］李志勇，李文鐸．對流層散射通信時間分集技術研究[J]．無線電工程，2013，43(12):17－20．

［8］張明高．對流層散射傳輸[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2004．

［9］Rec．ITU-R P．617－1 Propagation Prediction Techniques and Data Required For The Design of Trans-Horizon Radio-Relay Systems［S］，1992．

［10］Rec．ITU-R P．617－2 Propagation Prediction Techniques and Data Required For The Design of Trans-Horizon Radio-Relay Systems［S］，2012．

［11］RICE P L，Longley A G，Norton K A，et al．NBS Technical Note No．101．Transmission Loss Predictions For Tropospheric Communication Circuits［S］，1967．

［12］李斐，李文鐸，魏淑君．窄帶散射通信數(shù)據(jù)傳輸糾錯技術設計研究[J]．無線電通信技術，2005，31(4):1－2，43．

Choice of Frequency Band for Troposcatter Communication System

ZHAO Yu－chao1，SUN Ze-nan2
(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．The 2nd Hospital of Shijiazhuang，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

The commonly used frequency bands in troposcatter communications include L，S，C，X and Ku band．In view of the choice of frequency band in troposcatter communications，analysis is made on transmission loss for 5 frequency ranges．According to different application scenes，the calculation method described in ITU-617 is used to make troposcatter loss simulation at different frequencies and different communication distances．The result indicates that in the situation of short-distance where the transmission loss is small，the C or X or Ku band is good for device miniaturization，while in the situation of long-distance where the transmission loss is high，the L or S band is appropriate choice which can make troposcatter communications at long distance more practical．

troposcatter communication;frequency choice;transmission Loss;ITU-R617

TP391

A

1003－3114(2015)05－90－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.24

趙玉超，孫澤楠．散射通信系統(tǒng)工作頻段的選擇［J］．無線電通信技術，2015，41(5):90－92．

2015－05－12

國家部委基金資助項目

趙玉超(1987—)，男，助理工程師，主要研究方向:散射通信。孫澤楠(1987—)，男，助理工程師，主要研究方向:醫(yī)療設備故障檢測、系統(tǒng)辨識。