微波超視距通信信道特性分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王肇嬴，王清芬，王 燁

(1.中國人民解放軍96819部隊(duì)，北京 100015；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710121)

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微波超視距通信信道特性分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王肇嬴1，王清芬2，王 燁3

(1.中國人民解放軍96819部隊(duì)，北京 100015；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710121)

針對(duì)微波中繼通信單跳通信距離近、后勤保障困難、機(jī)動(dòng)性差及難以適應(yīng)復(fù)雜地形等缺點(diǎn)，通過分析微波超視距信道特性，提出微波超視距傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路?；趯?duì)微波超視距鏈路預(yù)計(jì)公式的推導(dǎo)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和保障。通過對(duì)信道類型的分析，提出針對(duì)瑞利信道的抗衰落技術(shù)措施，進(jìn)行仿真和分析。最后給出了一個(gè)工程實(shí)例，理論及實(shí)踐的一致性結(jié)果，證明了其應(yīng)用效果。

微波中繼；超視距；傳輸特性；抗衰落技術(shù)

0 引言

數(shù)字微波中繼通信[1]是在數(shù)字通信和微波通信基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的通信傳輸系統(tǒng)，具有傳輸容量大、上下話路方便、傳輸質(zhì)量好、投資小、見效快等特點(diǎn)，同時(shí)作為一種快速連接方法，在民用固定及移動(dòng)通信中廣泛應(yīng)用，多個(gè)站點(diǎn)之間通過建立中繼站，實(shí)現(xiàn)長距離鏈路的通信傳輸。但在某些臨時(shí)、應(yīng)急、軍事通信中，中繼站的建設(shè)[2]不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后勤保障要求高，而且機(jī)動(dòng)性、安全性差，因此微波超視距通信逐漸被重視起來，近年來得到了快速的發(fā)展。

從電波傳播角度來看，微波超視距通信是指微波信號(hào)在光滑球面上超出視距傳播模式以外的電波傳播模式。它主要包括繞射傳播(恒參非視距NLOS)、繞射+散射傳播(變參非視距NLOS)、散射傳播(超視距BLOS)等3種主要方式。由于特殊的通信機(jī)理，微波超視距通信具有超視距傳輸、傳輸信道穩(wěn)定、安全保密及抗毀頑存等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的可用通信手段[3-4]。

1 傳播特性分析

通過分析微波超視距傳輸?shù)膸追N方式及鏈路預(yù)計(jì)的方法，得出每種傳輸方式下傳輸損耗的量化結(jié)果，為后續(xù)的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

在視距可達(dá)范圍內(nèi)，通信兩端通過視距傳播；在微波超視距傳輸范圍內(nèi)，信道傳播模式為繞射、散射混合模式。鏈路傳輸損耗與通信距離的關(guān)系如圖1所示。

圖1 鏈路傳輸損耗與通信距離的關(guān)系

在微波超視距傳輸模式下[5-6]，鏈路傳輸損耗中值采用Lcr表示，則有：

(1)

式中,Lcr為繞射傳輸損耗，Lsr為散射傳輸損耗。根據(jù)上述原理可判斷傳播模式，即Ldr-Lsr<-15 dB時(shí)為繞射傳播模式； -15 dB≤Ldr-Lsr≤15 dB時(shí)為繞射與散射混合傳播模式；Ldr-Lsr>15 dB時(shí)為散射傳播模式。

參數(shù)R(0.5)表示繞射和散射傳輸損耗之差，通過圖2讀出對(duì)應(yīng)函數(shù)值。

圖2 常量繞射場(chǎng)加上瑞利分布散射場(chǎng)的合成幅度的累計(jì)分布中值

1.1 視距傳輸損耗

根據(jù)Friss傳輸方程式，對(duì)于一個(gè)全向天線，發(fā)射到接收的距離是R，則接收：

P=PT/4πR2。

(2)

記入天線有效孔徑的影響后，可以推導(dǎo)出常用的視距傳輸條件下的自由空間傳輸損耗公式Lf(dB)為：

Lf(dB)=92.44+20lgR+20lgf，

(3)

式中,R為傳輸距離(km)，f為工作頻率(GHz)。

1.2 繞射傳損耗

在光滑球面地上，繞射傳輸損耗Ldr包括自由空間傳輸損耗Lf和繞射傳播損耗Ld：

Ldr=Lf+Ld。

(4)

從公式來看，繞射損耗也可以理解為視距傳輸損耗加上繞射障礙損耗的影響。其中,繞射傳播損耗可用下式計(jì)算：

(5)

式中:

x0=dB0；

式中，ae是等效地球半徑，以km計(jì)；dt、dr分別為從發(fā)射天線和接收天線到其無線電地平線點(diǎn)的距離，以km計(jì)；ht、hr分別為發(fā)收天線高度，以km計(jì)[7]。

1.3 散射傳輸損耗

根據(jù)長期的理論和工程實(shí)踐，對(duì)流層散射傳播損耗中值Lsr[8-10]由下式表示:

(6)

式中，Lsr為傳播損耗中值(dB) ，F(xiàn)為氣象因子(dB)，f為頻率(MHz) ，Θ0為最小散射角(mrad) ，d為電路長度(km) ，H為最低散射點(diǎn)到收發(fā)點(diǎn)連線上的高度(km) ，h0為最低散射點(diǎn)離地高度(km) ，γ為對(duì)流層不均勻性強(qiáng)度隨高度的指數(shù)衰減系數(shù)(km-1) ，Lc為口面介質(zhì)耦合損耗(dB)，G'10和G'20分別為發(fā)收天線增益(dB) 。

已知等效地球半徑ae，收發(fā)點(diǎn)間的球面距離D，收發(fā)天線高度hr、ht，令:h1=hr+ae，h2=ht+ae。假設(shè)收發(fā)天線高度相等，收發(fā)端對(duì)稱，則：

(7)

式中，βt為收發(fā)天線仰角，φt為收發(fā)天線俯仰方向半功率波束寬度[11]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上節(jié)中信道傳播理論分析可知，微波視距傳輸[12]距離一般為30 km，信道為準(zhǔn)恒參信道；傳輸距離為30～70 km之間時(shí)，為繞射散射混合傳播模式，由于繞射分量的存在，使得信道呈現(xiàn)萊斯衰落；傳輸距離70 km以上時(shí)屬于散射傳播模式，此時(shí)無直射分量，信道呈現(xiàn)瑞利衰落。

所述微波超視距傳輸信道與微波視距信道相比，傳輸損耗明顯增加，具有瑞利衰落的快速時(shí)變特性，為保證在該信道上實(shí)現(xiàn)信息的平穩(wěn)傳輸，需要采取抗衰落技術(shù)體制，目前最常用也是最有效的技術(shù)措施是分集接收，它能使接收機(jī)監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比提高，從而降低誤碼率。另外根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇相應(yīng)的信號(hào)處理方式也可以相應(yīng)改善系統(tǒng)接收信號(hào)的質(zhì)量，減少衰落信號(hào)影響。

2.1 分集接收與合并方式

2.1.1 分集方式

分集方式包括空間分集、頻率分集、時(shí)間分集、極化分集及角分集等?？臻g分集和頻率分集也是本次設(shè)計(jì)時(shí)采用的主要的抗衰落措施?？臻g分集是利用電波傳播是在角度上的擴(kuò)散造成的，同一射束在不同地點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)存在不相關(guān)性，只要距離足夠遠(yuǎn)，在不同接收空間位置上的衰落幾乎是獨(dú)立的，分集重?cái)?shù)由收發(fā)天線的數(shù)量決定，如兩發(fā)兩收的天線其空間分集重?cái)?shù)為4重。頻率分集則是在同一傳輸路徑上，不同頻率射線的相關(guān)性隨頻率差的增加而迅速下降，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)又分帶內(nèi)分集和帶外分集，通過控制載波間隔大于頻率相干帶寬來實(shí)現(xiàn)。

在微波超視距信道上經(jīng)多徑傳播后的接收信號(hào)是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)衰落不相關(guān)的信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號(hào)，則能夠顯著減小快衰落的影響。分集的幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，則經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍苁瓜到y(tǒng)性能大為改善。瑞利衰落信道條件下的分集性能仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 瑞利衰落信道條件下的分集性能

2.1.2 合并方式

分集的合并方式有選擇式合并、等增益合并和最大比值合并。對(duì)m重信號(hào)：s1(t)、s2(t)、s3(t)……sm(t)，合并后的信號(hào)可表示為：

(8)

式中，ai是加權(quán)系數(shù)，上式中加權(quán)系數(shù)選擇方法不同，就產(chǎn)生了不同的分集合并相加方法。主要的分集合并方式有3種。

① 選擇式合并

選擇每一時(shí)刻最強(qiáng)的接收信號(hào)輸出，只要上式中a1、a2、a3……am中有一項(xiàng)最大即取之，其余均舍棄，因此輸出信號(hào)的信噪比始終等于最強(qiáng)的一路輸出信噪比，其余均舍棄。選擇式合并的信噪比改善為：

(9)

選擇式合并由于只利用一路信號(hào)，電路簡單，但性能較差。

② 等增益合并

等增益相加是指所有分集支路的增益相等，即各項(xiàng)的加權(quán)系統(tǒng)ai為常數(shù)，這種情況，在多路信號(hào)的信噪比差不多時(shí)，其信噪比改善為：

Em=1+(π/4)(m-1)，

(10)

式中，m為分集重?cái)?shù)。

當(dāng)某一信號(hào)為零或很小時(shí)，其噪聲仍然存在，在這種情況下，等增益相加反而會(huì)降低系統(tǒng)誤碼率，性能反而會(huì)低于選擇式合并。對(duì)于微波超視距瑞利信道條件下，等增益合并也不是分集接收的最佳合并方式。

③ 最大比值合并

最大比值相加是最佳比例相加或比值平方相加，一種典型的比值平方相加輸出信號(hào)為：

S(t)=(1/N)[S12(t)+S22(t)+······+Sm2(t)]，

(11)

式中，N為平均噪聲功率。

在最大比值相加中，信號(hào)強(qiáng)的支路所做的貢獻(xiàn)成平方律相加。最大比值合并中，加權(quán)系數(shù)與相應(yīng)接收信號(hào)強(qiáng)弱成正比，即信號(hào)較強(qiáng)的一路多輸出一些，信號(hào)弱的支路少輸出些。由此可見，采用最大比值合并充分考慮了信道質(zhì)量，特別是首先進(jìn)行信噪比估計(jì)，以此作為加權(quán)系數(shù)，合并后信號(hào)振幅和各支路信噪比相聯(lián)系，信噪比愈大的支路對(duì)輸出信號(hào)貢獻(xiàn)愈大，相比其他相加策略性能最好，也是目前工程上首選的分集合并方式。圖4給出了不同分集支路和合路的快衰信號(hào)包絡(luò)示意圖。

圖4 不同分集支路和合路的快衰信號(hào)包絡(luò)示意圖

2.2 調(diào)制解調(diào)方式

調(diào)制解調(diào)方式是體現(xiàn)通信系統(tǒng)先進(jìn)性的一個(gè)重要特征，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可供采用的調(diào)制方式有FSK調(diào)制、ASK調(diào)制、PSK調(diào)制以及QAM調(diào)制[13-14]，調(diào)制階數(shù)有二階調(diào)制、四階調(diào)制以及M階調(diào)制(M>4)。其中在調(diào)制階數(shù)相同且均采用相干檢測(cè)條件下，PSK比FSK、ASK具有更強(qiáng)的抗干擾能力，亦即具有更低的解調(diào)門限電平；QAM主要用于多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制(M>4)，在M相同的條件下，MQAM比MPSK的抗干擾能力更強(qiáng)，通常采用較大的進(jìn)制數(shù)M以提高頻帶利用率[15-16]，但是與二階、四階調(diào)制相比，高階調(diào)制(M>4)具有較大的性能損失，幾種不同調(diào)制階數(shù)以及調(diào)制方式的恒參理論曲線如圖5所示。

由圖中曲線可知16QAM比BPSK/QPSK在AWGN信道條件下當(dāng)誤碼率為10-5時(shí)的性能損失高達(dá)3.5 dB以上，則其在超視距傳輸這種時(shí)變衰落信道中的性能損失更加嚴(yán)重。在微波超視距傳輸中，業(yè)務(wù)速率為256～2 048 kb/s，即使采用四階調(diào)制方式時(shí)其占用的帶寬也較易滿足；但是由于微波超視距信道傳輸損耗較大，是一種功率受限信道，必須提高功率利用率、盡量降低功耗，需要選擇具有最低解調(diào)門限的調(diào)制方式；綜上所述在微波超視距傳輸中更適宜選擇BPSK/QPSK調(diào)制方式。

圖5 QPSK、8PSK、16PSK、16QAM恒參理論曲線

3 工程設(shè)計(jì)

微波超視距通信系統(tǒng)傳輸距離一般為45～90 km，存在視距、繞射、繞射+散射、散射等多種傳播模式，工作頻段為C頻段，通信速率為256～2 048 kb/s。

3.1 鏈路預(yù)計(jì)

根據(jù)上述討論的鏈路預(yù)計(jì)方法，在兩端站分別架高18 m條件下計(jì)算45～90 km范圍內(nèi)的傳輸損耗，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 超視距傳輸損耗計(jì)算結(jié)果

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微波超視距通信系統(tǒng)根據(jù)微波通信系統(tǒng)的基本設(shè)備能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)備發(fā)射功率設(shè)計(jì)為5 W，天線口徑1.2 m左右，并架高18 m實(shí)現(xiàn)傳輸距離的延伸。通信距離為90 km時(shí)，為典型散射信道，鏈路傳輸損耗為208 dB。

無分集時(shí)，誤碼率10-5的通道信噪比為30 dB[17]，此時(shí)系統(tǒng)接收門限為：

(12)

則此時(shí)系統(tǒng)余量為：

G余=PT+GT+GR-L-Pi=

37+32.5+32.5-208+108=2 dB。

(13)

根據(jù)散射鏈路傳播可靠度預(yù)測(cè)方法[18]，傳播可靠度要求為99%時(shí)，系統(tǒng)余量要求不小于25 dB。如此低的系統(tǒng)余量顯然不能滿足系統(tǒng)可靠傳輸?shù)男枨螅枰捎枚嘀胤旨夹g(shù)提高系統(tǒng)的傳輸能力。

根據(jù)設(shè)計(jì)與分析，采取“4重空間×2重頻率”(總共達(dá)8重)、B/QPSK調(diào)制、相干檢測(cè)，并對(duì)各接收支路信號(hào)采用最大比值方式進(jìn)行合并，在瑞利衰落信道條件下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示在誤碼率10-5時(shí)，所需每個(gè)空間分集支路信噪比約為5 dB，與無分集時(shí)的單通道性能相比，改善大約25 dB。

采用的 8重分集措施時(shí)，系統(tǒng)余量可達(dá)到27 dB，可實(shí)現(xiàn)衰落信道下系統(tǒng)的平穩(wěn)傳輸。因此本系統(tǒng)采用“4重空間×2重頻率”的8重分集技術(shù)體制。

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，微波超視距通信系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)要求和設(shè)備能力如下：

工作頻段：C頻段；

發(fā)射功率：≥5 W(天線口)；

天線及架高：口徑1.2 m、架高18 m；

業(yè)務(wù)速率：256 ～2 048 kb/s；

調(diào)制方式：BPSK/QPSK；

分集重?cái)?shù)：8重。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

華北地區(qū)數(shù)條鏈路損耗測(cè)試結(jié)果如表2所示，與上述理論分析結(jié)果相比，二者波動(dòng)誤差小于5 dB，證實(shí)了上述鏈路預(yù)計(jì)方法基本有效。

表2 鏈路損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

因此微波超視距傳輸中，對(duì)于鏈路傳輸損耗可按照上述方法初步估算，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行一定修正，用于指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于影響系統(tǒng)能力的各項(xiàng)參數(shù)與指標(biāo)具有重要參考。

4 結(jié)束語

本文從具有視距、繞射、繞射+散射、散射等多種傳輸模式的微波超視距通信信道著手，首先研究了集多種模式于一體的微波超視距信道特性，對(duì)視距傳播、繞射傳輸及散射傳輸?shù)葞追N傳輸方式入手，從工程理論和實(shí)踐結(jié)果給出了其鏈路預(yù)計(jì)的公式。然后根據(jù)瑞利傳輸信道的衰落特性，分析了采用的相關(guān)技術(shù)。最后結(jié)合工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微波超視距通信試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算一致，具有良好的推廣性。

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Analysis on Microwave BLOS Communication Channel Characteristics and Design on a Microwave BLOS Communication System

WANG Zhao-ying1,WANG Qing-fen2,WANG Ye3

(1. Unit 96819,PLA,Beijing 100015,China; 2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 3. Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an Shaanxi 710121,China)

Aimed at the problems of microwave relay communication system such as the short communication distance,more difficult maintenance,poor mobility and environmental adaptability,etc.,this paper puts forward a design method of microwave BLOS transmission based on analyzing channel characteristics of microwave BLOS communication. On the basis of prediction formulas derivation of microwave BLOS link,a theoretical basis is provided to the design of transmission system. By analyzing the channel type,the anti-fading technology is put forward and simulated for rayleigh channel. At last,an engineering example is given,and the consistency of theoretical analysis and practice results show that this design is available.

microwave relay; BLOS; transmission characteristic; anti-fading technology

2017-06-16

通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(EX156410046)

王肇嬴(1980—)，男，工程師，碩士，主要研究方向：指揮通信。王清芬(1979—)， 女，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：微波散射通信。王 燁(1980—)，女，講師，碩士，無線電物理專業(yè)，主要研究方向：光信息傳輸與處理。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.06

王肇嬴，王清芬，王燁. 微波超視距通信信道特性分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2017,43(5): 24-28.

[WANG Zhaoying,WANG Qingfen,WANG Ye.Analysis on Microwave BLOS Communication Channel Characteristics and Design on a Microwave BLOS Communication System [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):24-28.]

TP391

A

1003-3114(2017)05-24-5