基于對(duì)流層散射的VHF/UHF不對(duì)稱(chēng)分集傳輸技術(shù)研究

劉 瑩，郝清濤，唐秋菊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于對(duì)流層散射的VHF/UHF不對(duì)稱(chēng)分集傳輸技術(shù)研究

劉 瑩，郝清濤，唐秋菊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)VHF/UHF頻段單信道電臺(tái)僅能視距通信的應(yīng)用局限，通過(guò)理論分析和信道特性試驗(yàn)探討了將對(duì)流層散射傳輸體制用于VHF/UHF頻段超視距通信的可行性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于對(duì)流層散射的不對(duì)稱(chēng)分集傳輸技術(shù)方案，即在保留單信道電臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過(guò)增加超視距傳輸波形并且建立地面賦能站的方式實(shí)現(xiàn)其超視距通信能力。最后通過(guò)對(duì)設(shè)備原理樣機(jī)的信道模擬測(cè)試和野外試驗(yàn)證實(shí)了該技術(shù)的可行性和有效性。

對(duì)流層散射；VHF/UHF；單信道電臺(tái)；不對(duì)稱(chēng)分集；多普勒頻移

0 引言

近年來(lái)，美軍在總結(jié)和評(píng)估“伊拉克自由行動(dòng)”、“持久自由行動(dòng)”等實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)的基礎(chǔ)上提出了“分散部署”的指揮作戰(zhàn)理念，并認(rèn)識(shí)到在這種新的作戰(zhàn)模式下，各級(jí)部隊(duì)特別是營(yíng)級(jí)以下梯隊(duì)的超視距通信能力由于現(xiàn)役VHF/UHF單信道電臺(tái)的限制，仍然是戰(zhàn)爭(zhēng)中通信保障問(wèn)題的最大不足?；谝陨险J(rèn)識(shí)，美軍近年來(lái)提出了基層部隊(duì)的超視距通信保障理念。

VHF/UHF電臺(tái)同樣廣泛應(yīng)用于公安、邊防、森林及交通等眾多領(lǐng)域，特別是對(duì)于身處廣袤的山區(qū)、沙漠和戈壁等惡劣自然環(huán)境中的電臺(tái)用戶(hù)，限于VHF/UHF電臺(tái)有限的通信距離，其超視距通信保障問(wèn)題一直是非常薄弱的環(huán)節(jié)；此外，VHF/UHF頻段的單信道電臺(tái)也廣泛應(yīng)用于車(chē)輛、船舶和飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)，同樣受限于其視距通信模式，難以滿(mǎn)足其在執(zhí)行遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)海類(lèi)任務(wù)時(shí)對(duì)超視距通信保障的要求[1-2]。

鑒于VHF/UHF頻段單信道電臺(tái)規(guī)模數(shù)量巨大，如能在不改變其硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)升級(jí)通信波形的方式將其通信范圍擴(kuò)展至超視距，不但能顯著擴(kuò)展其通信保障范圍，且能有效降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)用成本。

1 VHF/UHF超視距信道傳輸特性

傳統(tǒng)VHF/UHF通信為視距傳播方式，即以收發(fā)天線(xiàn)為基準(zhǔn)，相互間視線(xiàn)可見(jiàn)距離內(nèi)的直射波傳播。假設(shè)地球?yàn)槔硐牍饣蛎?，半徑R0=6 370 km，兩端站之間的最遠(yuǎn)視線(xiàn)傳播距離為d為[3-4]：

(1)

當(dāng)考慮大氣折射等因素時(shí)，視線(xiàn)傳播的極限距離為：

(2)

式中，h1和h2分別表示兩端站天線(xiàn)的架設(shè)高度(含地形因素)，單位為m，理想光滑球面條件下視線(xiàn)傳播極限距離d的數(shù)值如表1所示。

表1 視距通信極限距離表

由表1可以看出，隨著天線(xiàn)架設(shè)高度的下降，視距極限通信距離急劇降低，且在實(shí)際環(huán)境中受地形起伏及障礙物遮擋影響，通信距離必然進(jìn)一步縮短。

當(dāng)VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電信號(hào)超出視距極限距離后，其傳播模式將由視距模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)流層散射傳播模式。這種傳播模式的機(jī)理是沿地球表面切線(xiàn)方向發(fā)出的通信波束，經(jīng)由對(duì)流層大氣的折射作用，使其中很少一部分能量轉(zhuǎn)向折回地面形成彎管傳輸，從而導(dǎo)致超視距位置也有信號(hào)到達(dá)[5-6]。對(duì)流層散射傳播模式的示意圖如圖1所示。

圖1 對(duì)流層散射傳播模式示意圖

通過(guò)對(duì)流層散射傳播的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)具有如下顯著特征：

① 非常微弱：進(jìn)入散射體的信號(hào)，僅有百萬(wàn)分之幾的能量被彎折傳輸向地面，此項(xiàng)稱(chēng)為散射損耗。它與全程傳播損耗一起構(gòu)成總的散射通信路徑損耗，通?？蛇_(dá)近200 dB[7-8]。

② 接收信號(hào)電平存在顯著的快衰落特征，一般認(rèn)為服從瑞利分布[9-10]。

由于現(xiàn)有的VHF/UHF單信道電臺(tái)設(shè)備僅適用于視距信道傳播，既不具備克服巨大散射損耗所需的設(shè)備能力要求，也不具備克服信道快衰落的信號(hào)平滑處理能力，因此不能滿(mǎn)足超視距通信的要求。

2 不對(duì)稱(chēng)分集設(shè)計(jì)

基于單信道電臺(tái)的不對(duì)稱(chēng)分集技術(shù)是指在不改變現(xiàn)役VHF/UHF機(jī)載、艦載及單兵戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)硬件形態(tài)的前提下，通過(guò)為其嵌入具有超視距傳輸能力的散射通信波形，并通過(guò)配置具備多重分集發(fā)射/接收能力、大功率發(fā)射機(jī)及高增益天線(xiàn)等特征的地面賦能站，賦予現(xiàn)役VHF/UHF車(chē)載、機(jī)載、船載及單兵戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)一定的超視距能力的通信方式。

2.1 分集方式設(shè)計(jì)

現(xiàn)有VHF/UHF單信道電臺(tái)均為單收/發(fā)通道結(jié)構(gòu)，為了在保持其硬件形態(tài)不變的前提下克服超視距信道嚴(yán)重的時(shí)變衰落影響，必須要配置具有多重分集發(fā)射/接收能力的賦能站。由于VHF/UHF單信道電臺(tái)所用頻帶有限，難以支持頻率、時(shí)間等分集方式所需的帶寬資源，因此只能采用空間分集方式[11-13]。

賦能站需要具有多部大功率發(fā)射機(jī)、多面高增益天線(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)，才能與電臺(tái)之間建立“多發(fā)一收”(下行鏈路，賦能站至電臺(tái))或“一發(fā)多收”(上行鏈路，電臺(tái)至賦能站)的不對(duì)稱(chēng)多重分集通信鏈路，如圖2所示。

圖2 站型不對(duì)稱(chēng)的多重分集通信鏈路

從信號(hào)處理的角度而言，分集重?cái)?shù)越多，系統(tǒng)對(duì)信道快衰落的抑制能力相應(yīng)就越強(qiáng)，圖3給出了BPSK相干檢測(cè)方式下分集重?cái)?shù)、誤碼性能和信噪比的關(guān)系曲線(xiàn)圖?？梢钥闯鲭S著分集重?cái)?shù)的增加，相同信噪比對(duì)應(yīng)的誤碼率呈明顯下降趨勢(shì)；但是隨著分集重?cái)?shù)的增加，系統(tǒng)復(fù)雜度和所需的信道帶寬也在相應(yīng)倍增[14]。

圖3 分集重?cái)?shù)、誤碼性能和信噪比關(guān)系圖

由圖3可以看出，瑞利信道中4重空間分集與2重分集相比信噪比改善明顯；進(jìn)一步增加天線(xiàn)數(shù)量性能提升已不明顯，如6重分集與4重分集在BER=1×10-4條件下，信噪比改善效果不足2 dB，但6部天線(xiàn)架設(shè)需要的場(chǎng)地面積與成本卻大幅增加。綜合考慮性能、成本及使用等各方面的影響，采用4重分集結(jié)構(gòu)可達(dá)到較好的平衡。

2.2 分集間隔設(shè)計(jì)

空間分集支路信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)為[15-16]：

ρ=exp[-(D/Do)2] ，

(3)

式中，D為天線(xiàn)之間的距離；Do為天線(xiàn)垂直配置時(shí)的分集距離(相關(guān)距)，它表示為相關(guān)系數(shù)降為1/e(0.37)時(shí)的天線(xiàn)間距離，其數(shù)值由下式?jīng)Q定：[17]

Do=aλ/βo，

(4)

式中，a為常系數(shù)，常取0.3～0.5；λ為波長(zhǎng)；βo為大圓平面內(nèi)收發(fā)天線(xiàn)連線(xiàn)與收發(fā)端無(wú)線(xiàn)電地平線(xiàn)之間的夾角，稱(chēng)為部分散射角。可以導(dǎo)得：

ρ(D)=exp[-(βo2/a2)(D/λ)2] 。

(5)

結(jié)合本系統(tǒng)參數(shù)，分別計(jì)算不同通信距離及天線(xiàn)間距條件下的空間分集相關(guān)系數(shù)，以及此相關(guān)系數(shù)下與相關(guān)系數(shù)ρ=0條件下相比的工程損失[18-19]。其中大氣折射指數(shù)Ns=310,通信頻率132 MHz(VHF頻段中心頻率)，天線(xiàn)架高12 m。通信距離250 km和350 km時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 天線(xiàn)間距與相關(guān)系數(shù)關(guān)系表

由于UHF頻段信號(hào)波長(zhǎng)比通信頻率132 MHz時(shí)的信號(hào)波長(zhǎng)小得多，此頻段下的相關(guān)系數(shù)更小，工程損失更少。通過(guò)表2可以看出，在天線(xiàn)間距增大的同時(shí)，分集間相關(guān)系數(shù)及工程損失均在減小，但由此帶來(lái)的場(chǎng)地占用問(wèn)題、饋線(xiàn)損耗問(wèn)題也會(huì)加劇。綜合考慮以上各因素，天線(xiàn)間距應(yīng)盡量在30 m以上。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

3.1 信道模擬器驗(yàn)證

SR5500型無(wú)線(xiàn)信道模擬器是無(wú)線(xiàn)通信業(yè)內(nèi)廣泛采用的信道模擬平臺(tái)，可用于模擬復(fù)雜無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境的多項(xiàng)特征，如損耗中值、衰落類(lèi)型、多徑結(jié)構(gòu)及多普勒頻移等[20-21]。借助SR500型無(wú)線(xiàn)信道模擬器，單信道電臺(tái)設(shè)備在400 MHz頻率、平坦瑞利衰落、4重分集接收，以及0.01～500 Hz多普勒頻移等信道條件下的誤碼特性如圖4所示。

圖4 不同多普勒頻移下的誤碼性能和信噪比關(guān)系圖

由圖4可以看出，在多普勒頻移為300 Hz時(shí)的誤碼性能與0.01 Hz時(shí)相比改善了約0.5 dB，這是由于此時(shí)多普勒頻移導(dǎo)致接收信號(hào)的同一碼元在不同時(shí)刻具有一定的時(shí)間不相關(guān)性，從而獲得了額外的時(shí)間分集效果改善；當(dāng)多普勒頻移達(dá)到500 Hz時(shí)，由于接收信號(hào)頻域擴(kuò)展帶來(lái)的影響超出了時(shí)間分集的改善效果，導(dǎo)致了誤碼率惡化約2.5 dB。

3.2 外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

2015年底，VHF/UHF不對(duì)稱(chēng)分集散射通信試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)在華北地區(qū)先后完成了地面100 km、207 km及300 km等線(xiàn)路的話(huà)音和數(shù)據(jù)測(cè)試，并在超視距條件下完成了地面動(dòng)中通功能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該驗(yàn)證系統(tǒng)在不同距離、不同頻段和不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均具有良好的通信能力，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)能力要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

理論研究及信道測(cè)試試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電信號(hào)超出視距極限距離后，其傳播模式將由視距模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)流層散射傳播模式。通過(guò)為VHF/UHF單信道電臺(tái)嵌入特定的超視距通信波形，并構(gòu)建具有多部發(fā)射機(jī)和多副發(fā)射天線(xiàn)的賦能站，可在賦能站與單信道電臺(tái)之間構(gòu)成不對(duì)稱(chēng)分集散射通信系統(tǒng)。信道模擬器測(cè)試和野外試驗(yàn)初步證實(shí)，該系統(tǒng)可以在不改變現(xiàn)役VHF/UHF電臺(tái)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其通信距離由視距到超視距的顯著提升，對(duì)于此類(lèi)裝備的能力拓展具有積極的參考意義。

1.2 儀器與試劑 BACT/ALERT 3D全自動(dòng)細(xì)菌培養(yǎng)儀及配套血培養(yǎng)瓶（BioMerieux，法國(guó)），VITEK 2 COMPACT全自動(dòng)細(xì)菌鑒定及藥敏分析系統(tǒng)（BioMerieux，法國(guó)），藥敏紙片（Oxoid，英國(guó)），5%哥倫比亞羊血瓊脂培養(yǎng)基和M-H培養(yǎng)基（迪景，廣州）。

參考論文

[1] 石瀟竹.低空空域地空通信保障發(fā)展建議[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2010,1(02)10-14.

[2] 高自新,徐文娟.地空信道傳輸特性與技術(shù)分析[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2012,42(2):10-12,31.

[3] 張明高.對(duì)流層散射傳播[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:140-143.

[4] 鄭 博，任清華，劉蕓江，等.V/UHF地空通信幾何信道模型的仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2008,28(4):276-278.

[5] ITU-R.Propagation Prediction Techniques and Data Required for the Design of Trans-horizon Radio-relay Systems[S],2012.

[6] 李引凡.對(duì)流層散射傳播機(jī)制與特性分析[J].空間電子技術(shù),2010,7(1):1-4.

[7] 秦建存.對(duì)流層散射通信自適應(yīng)選頻技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010:20-25.

[8] 弓樹(shù)宏.電磁波在對(duì)流層中傳輸與散射若干問(wèn)題研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008:113-120.

[9] 李正偉.數(shù)字對(duì)流層散射通信鏈路傳播可靠度工程計(jì)算[J].無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),2010(02)：41-44.

[10] 陳 瑋.基于GUIDE的U/VHF超視距信道測(cè)試統(tǒng)計(jì)軟件[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2014,44(5):64-67.

[11] 張志勇.低賴(lài)斯因子信道分集接收技術(shù)研究 [J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2006,32(05)：62-64.

[12] 柴克軍,于 鵬,鄭 騰,等.超短波地空通信距離影響因素及改善措施分析[J].電子對(duì)抗試驗(yàn),2008,18(02):25-28.

[13] 李志勇,李文鐸.對(duì)流層散射通信時(shí)間分集技術(shù)研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2013,43(12):17-20.

[14] MIL-HDBK-417,對(duì)流層散射的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)(超視距微波系統(tǒng)設(shè)計(jì))[S].

[15] 中國(guó)人民解放軍總參謀部通信部.對(duì)流層散射遠(yuǎn)距離通信[M].北京:中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)士出版社,1982.

[16] 劉圣民,熊兆飛.對(duì)流層散射技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1982.

[17] 霍 爾 M P M著.對(duì)流層傳播與無(wú)線(xiàn)電通信[M].梁卓英,張忠志,譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1984.

[18] 徐松毅,李文鐸.瑞利衰落信道下非獨(dú)立多重分集接收性能分析[J].電子學(xué)報(bào),2003,31(11):1682-1685.

[19] 張申科,鄧遙林.天線(xiàn)架設(shè)方式對(duì)天線(xiàn)測(cè)試的影響淺析[J].移動(dòng)通信,2015,39(14):45-48.

[20] 華 忠.SR5500M:把真實(shí)無(wú)線(xiàn)環(huán)境帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室[J].電信網(wǎng)技術(shù),2010(08):16-18.

[21〗 周生奎,戴秀超,朱秋明,等.無(wú)線(xiàn)衰落信道模擬方法及儀器研制[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2015,29(07):988-994.

Researchon VHF/UHF Non-symmetric Diversity Communication Based on Troposcatter Transmission

LIU Ying,HAO Qing-tao，TANG Qiu-ju

(The 54th Research Institute of CETC ,Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Aiming at the limitation of LoS propagation by VHF/UHF single-channel radios,the feasibility of VHF/UHF single-channel BLoS propagation by troposcatter is derived firstly.Based on the analysis above,a scheme of non-symmetric diversity troposcatter communication is presented，which can realize BLoS communication by adding BLoS transmission waveform and founding adding-energy communication station without changing hardware of single-channel radios.In the end,the feasibility and validity of the scheme are proven by testing on wireless channel emulator and field experiments.

troposcatter communication;VHF/UHF;single-channel radio;non-symmetric diversity;doppler shift

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.16

劉 瑩，郝清濤，唐秋菊.基于對(duì)流層散射的VHF/UHF不對(duì)稱(chēng)分集傳輸技術(shù)研究[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2017,43(1):65-67,93.

2016-10-09

劉 瑩(1974—)，男，高級(jí)工程師,主要研究方向：散射通信系統(tǒng)。郝清濤(1979—)男，高級(jí)工程師，主要研究方向：散射通信系統(tǒng)。

TN926.4

A

1003-3114(2017)01-65-3