近距離散射跨山通信傳播損耗的簡便算法

王立國，朱宏光

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

單跳跨距遠是對流層散射通信最顯著的特點之一。但是在許多應(yīng)用場合，尤其是西部山區(qū)，要求散射通信站跨越近距離遮擋。在跨山通信中，散射通信站以犧牲通信距離為條件，以增加天線仰角的方式實現(xiàn)了跨越迎面山峰與另一端站的通信[1]。

傳播損耗的預(yù)計在系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用中是非常重要的?？缟酵ㄐ胖?，電波存在對流層散射和山峰繞射2種傳播模式，需要按照不同的傳播方式計算傳播損耗[2]。對于散射傳播損耗目前工程上常用ITU-R617[3]和NBS-101[4]兩種方法計算，對于繞射傳播損耗ITU-RP.256也給出了計算方法。2種傳播損耗的計算都需要借助地形剖面圖求得散射角、山體高度等參數(shù)來完成。在實際使用中，往往遇到臨時更改通信地點的情況，這時就需要在現(xiàn)場計算出結(jié)果。但若無計算機攜帶，無法在地圖上作業(yè)就無法進行傳播損耗的預(yù)計。因此，需要有簡便的算法來完成傳播損耗的估算。文獻[5]對這2種算法進行了分析，指出其不適用于跨山通信傳播損耗計算。文獻[6]提出了一種高仰角散射傳播損耗的計算方法。本文結(jié)合文獻[6]的實測數(shù)據(jù)，給出了近距離跨山通信中散射傳播損耗的簡便工程算法，介紹了山峰繞射傳播損耗的工程計算方法，提出了繞射參數(shù)的工程算法，最后給出了散射和繞射傳播損耗的簡便工程算法，并對近距離跨山通信的站址選擇提出了建議，可作為實際應(yīng)用參考。

1 近距離跨山通信對流層散射傳播損耗的 計算方法

1.1 現(xiàn)有散射跨山通信傳播損耗算法

散射傳播損耗目前主要有ITU-R617和NBS-101兩種方法，文獻[5]指出這2種方法都以等效地球半徑為背景，都能很好地預(yù)計出傳播損耗，在散射角小的時候，2種方法與實測結(jié)果誤差較小，隨著通信距離或散射角的增大，散射體公共體高度大于1 km，大氣折射系數(shù)不滿足線性關(guān)系，電波實際傳播方式不在等效地球上直線傳播，在跨山通信中2種計算方法都會出現(xiàn)較大的偏差，此時NBS-101方法更能反映實際情況[5]。跨山散射通信示意圖如圖1所示。

圖1 跨山散射通信示意

文獻[6]指出天線仰角增大一般有3種因素影響散射傳播損耗[6]：散射角增加使得散射截面減??；散射體高度增加引起大氣折射指數(shù)降低；有效散射體體積減小，三者引起的附加損耗分別為：LS、LV、LN。通過對影響傳播損耗因素的分析并結(jié)合實測數(shù)據(jù)，給出了高仰角條件下散射附加損耗：

Lθ=LS+LV+LN=40lgθ+10lg[(1+S2)(1+S1)θ/4]+

0.2×ΔN，

(1)

式中，θ為散射角(°)，如圖1所示，在近距離通信中，不考慮地球曲率的影響，散射角θ=α+β；α，β為發(fā)收端天線束的夾角，為了避免仰角增大引起傳播損耗增加，一般α，β選為發(fā)收兩點到山頂?shù)难鼋牵捎缮至_盤測得；S1，S2為對稱因子，S1=α/β，S2=β/α，當α=β=θ/2時LV最小，LV最小=10lg(θ)；LN=0.2×(NS1-NS2)；NS1，NS2分別為有遮擋和無遮擋時散射體處的折射指數(shù)，NS隨高度變化的模型為：NS(h)=Nse-ch；h為散射體離地面高度(km)。由文獻[3]可知：h=aeθ2/8，ae為等效地球半徑。散射總傳播損耗為：Ld=LG+Lθ，其中LG是光滑球面條件下的散射傳播損耗，可按ITU-R617建議方法計算。

1.2 簡便工程算法

由式(1)可以看出，LS，LV，LN都與散射角θ有關(guān)，為此采用散射角θ作為附加損耗的唯一參數(shù)。在文獻[6]試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，參照文獻[7]中提出的近距離散射傳播損耗工程預(yù)計方法[7]，利用Matlab中曲線擬合工具箱Surface Fitting Tool對試驗數(shù)據(jù)進行最小二乘曲線擬合處理[8]，可得

Ld=LG+Lθ=153+2d/3+58.24lgθ，
10≤d≤70，

(2)

式中，θ的單位是(°)；d的單位是km。

1.3 實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果比較

將文獻[6]中的實際線路用提出的計算公式進行預(yù)計。實測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果的對比如表1所示。公式最大誤差-14 dB，誤差均值0.13 dB，均方根值6.2 dB。由于公式省去了對稱因子等參數(shù)，計算個別結(jié)果存在較大誤差。但是與文獻[6]計算結(jié)果相比，簡便工程算法不僅在計算過程上簡單易行，實測數(shù)據(jù)和簡便工程算法的大部分計算結(jié)果也十分接近。因此，此算法完全可以用于在近距離跨山通信情況下散射傳輸損耗的工程計算。

表1 實測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果

線路通信距離/km收/發(fā)仰角/(°)實測損耗/dB計算損耗/dB文獻[6]計算損耗/dB江城機場—李思莊24.0167/15240242243延慶康莊—長陵中學(xué)29.458/46227232237牛家莊—隱風山15.013/11241243241前仙村—白城16.16/12239237235前仙村—倒馬口17.655/6223227227海鷹煤場—金億煤場12.622/6243246238官廳—高崖口29.335/9251237247

2 近距離跨山通信山峰繞射傳播損耗的簡便 工程計算方法

2.1 山峰繞射傳播損耗的簡便工程計算方法

繞射傳播主要有單峰繞射和多峰繞射。繞射路徑的傳播損耗Lss由自由空間傳播損耗和繞射傳播損耗組成。單刃峰繞射傳播損耗ITU-R.P.526給出的計算方法如下[9]：

v≥-0，7，

(3)

λ為工作波長；d1，d2為障礙點到發(fā)、收點的距離，d=d1+d2是收發(fā)端的直線距離。h，F(xiàn)1，λ的單位為m，d1，d2，d的單位為km[10]。

文獻[11]對此公式做了進一步的簡化[11]：

(4)

對于微波頻段的散射鏈路，2個以上的山峰遮擋時，繞射信號非常微弱[12]，此時傳播將幾乎只有對流層散射。因此在線路存在多峰的時候，傳播損耗可只按照對流層散射傳播計算。對于跨山通信的山峰繞射，只需按雙峰繞射損耗計算。

雙峰繞射損耗可以看成2個單峰繞射損耗之和，如圖2所示。

圖2 多峰繞射示意

計算方法為：首先找到線路上為主障礙的最高山峰，山峰高度h1，其第一菲涅爾半徑為:

式中，d1，d2為主障礙點到發(fā)、收點的距離。按F1a計算出傳播損耗Lknf1，然后假設(shè)發(fā)射點位于最高峰的頂點，找出從頂點到接收點的第二障礙山峰，山峰高度為h2，繞射等效山峰高度h2-d4h1/d2，其第一菲涅爾半徑為:

式中，d3為主障礙點到第二障礙點的距離；d4為第二障礙點到收端距離。按F1b計算出傳播損耗Lknf2，總繞射損耗為A=Lknf1+Lknf2，自由空間傳播損耗LLos=32.45+20lgf+20lgd，f的單位為MHz，d的單位為km?？倐鞑p耗Lss=A+LLos。

2.2 繞射參數(shù)的工程算法

在實際應(yīng)用中，關(guān)鍵在于h，d1，d2等參數(shù)的獲得。這些參數(shù)大都通過地形剖面圖得到，然而在實際應(yīng)用中，往往需要在現(xiàn)場計算出結(jié)果。

如圖3所示，在通信方向上選擇散射通信站作為一點，在通信方向后方附近選擇一點，確保這2個點與遮擋山體頂點成一個豎面。測量出兩點間距離為l，利用森林羅盤[13]測出兩點到山頂?shù)牟煌鼋铅粒?，計算出遮擋山體高度為：

山體離散射站距離d1=htanα，d2=d-d1。

圖3 繞射參數(shù)求解示意

2.3 繞射參數(shù)工程算法分析

文獻[11]給出的工程化近似模型可以簡化工程計算，并能夠直觀地表達山區(qū)電波傳播的客觀規(guī)律，有利于山區(qū)通信問題的分析和研究。但是在實際計算中，受制于h，d1，d2等實地參數(shù)的獲得，不便于在使用現(xiàn)場使用，為此，提出了參數(shù)的工程算法。此算法解決了在應(yīng)用現(xiàn)場由于沒有地形相關(guān)資料而無法得到相關(guān)繞射參數(shù)的問題。其優(yōu)點是方法簡單，人員在附加地面找2個點就能輕松測試，為了減小計算誤差還可以多選幾個點計算求測量平均值。參數(shù)的工程算法解除了繞射損耗計算中對地形圖的依賴，對繞射損耗計算有很強實用性。

3 近距離散射跨山通信選址建議

近距離跨山散射通信中電波存在山峰繞射和對流層散射2種傳播方式。根據(jù)對大量試驗數(shù)據(jù)的分析，C波段在單峰阻擋時，繞射為主要傳播方式。在多峰阻擋時以散射傳播為主。在同樣長度的通信距離上，山峰繞射傳播損耗比對流層散射傳播損耗一般要低20～30 dB[14-15]，可對散射信號起到明顯的增強或平滑作用。在山區(qū)通信實踐中，利用刃峰繞射構(gòu)建通信線路有可能產(chǎn)生障礙增益，可獲得很好的通信效果[16-17]。

實際應(yīng)用中可分別按照對流層“天波”模式和刃峰繞射模式來估算余量，如果設(shè)備能力強，2種模式所提供的余量有任何一種達到10～20 dB，則該線路將具有高的可通概率，反之則建議重新選擇站址。

站址選擇要選可構(gòu)造出繞射鏈路的站址，應(yīng)盡量找山峰尖銳，山頂為石質(zhì)，無高大樹木覆蓋者，山峰越尖銳其利用價值越大，非常慎重選擇跨越雙峰甚至多峰的站址。

4 結(jié)束語

在散射通信的應(yīng)用中，移動通信站已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位[18]。移動通信站使用中往往遇到臨時更改站址的情況，這就需要在現(xiàn)場對傳播損耗做出估計。提出的跨山散射傳播損耗簡便計算方法、繞射傳播損耗的簡便算法與參數(shù)的工程求解方法，為在工程設(shè)計[19-20]中快速預(yù)計跨山散射通信傳播損耗提供了便利的方法。在實際應(yīng)用中應(yīng)充分利用山區(qū)地形，合理選擇路由，實現(xiàn)山峰繞射，建立山峰繞射和對流層散射相結(jié)合的線路，增大近距離散射跨山通信的傳播可靠度。

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