散射通信在山區(qū)的應用研究

張 林，劉 薇，于 龍

(1.陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2．西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048；3.華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200)

0 引言

我國是一個多山的國家，山區(qū)通信的應用前景非常廣闊。散射在山區(qū)具有一定的通信能力，但因為地形條件復雜、山脈高低起伏，傳輸能力很難預測。針對這種應用，需要開展相應的散射通信試驗進行實測。

對流層散射具有超視距通信能力，為取得較好的通信效果，需要盡量減小散射角，當遇到障礙物遮擋時，也可抬高仰角使用[1]。文獻[2-3]針對近距離的高仰角散射傳播，提出了高仰角情形下的散射傳播損耗計算方法，本文借鑒了上述方法進行高仰角散射鏈路預計，并通過山區(qū)實測數(shù)據(jù)對公式進行驗證。文獻[4]針對散射跨山通信進行了信道分析，并建立了跨山信道的仿真模型。本文根據(jù)山區(qū)信道特點，選擇了多條不同地形的鏈路進行散射通信試驗以檢驗通信效果，并將所測得的試驗數(shù)據(jù)進行分析總結，得出散射山區(qū)通信的相關規(guī)律，可作為實際應用的參考，為工程設計提供決策依據(jù)，這對于研究散射通信在山區(qū)的應用具有重要的指導意義。

1 山區(qū)的地形特點及通信需求

山區(qū)以高山、峽谷地形為主，因山峰多山勢陡峭、道路崎嶇，難以開設站址，所以山區(qū)通信以峽谷中的通信為主，而峽谷中道路綿延曲折、縱深長，峽谷走向有可能與通信方法一致，也有可能存在拐彎，對通信形成遮擋。

目前，可選的遠距離通信手段包括：微波、超短波、短波和衛(wèi)星等[5]，以上手段在平原地區(qū)發(fā)揮了較好的作用，但在山區(qū)特殊地形條件下，受地形條件所限，也存在不足，主要表現(xiàn)為：

① 微波通信系統(tǒng)受地球曲率、地形地物遮擋難以滿足視距通信條件，微波和超短波通信距離受限，且在山區(qū)不方便選址開設中繼站；

② 由于地球同步衛(wèi)星位于赤道上空，如果山區(qū)站址受山體遮擋，則降低了衛(wèi)星通信的使用性；

③ 短波通信因傳播信道不穩(wěn)定，業(yè)務傳輸能力不強。

因此，急需可越障的超視距通信手段，和上述通信手段實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以提高山區(qū)的通信保障能力。

2 散射通信試驗

2.1 散射傳播原理

山區(qū)通信中，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[6]。在不同的地形環(huán)境下，有可能其中一種傳播方式起主要作用，也可能共同作用。二者的傳播特性有很大的差別，所帶來的傳輸損耗也不同[7]。

2.1.1 散射傳播損耗

對于散射傳播損耗，目前工程上常用ITU-R P.617建議的方法計算[8]。根據(jù)這種方法，年中值傳輸損耗為：

LS=M+30lgf+10lgd+30lgθ+LN+Lc-Gt-Gr，

式中，M為氣象因子；f為頻率；d為距離；θ為散射角；LN為與散射體高度和氣候區(qū)參數(shù)γ有關的損耗；Lc為介質耦合損耗；Gt、Gr為發(fā)、收天線增益。

2.1.2 繞射傳播損耗

在山區(qū)通信時，有可能利用繞射傳播模式進行通信。繞射傳播主要有單峰繞射和多峰繞射[9]。繞射傳播損耗有幾種算法，這里采用的是主障礙法[10]。按照ITU-R P.526建議，刃形障礙的繞射衰減可以近似表示為[11]：

v>-0.7,

式中，A表示繞射衰減，即菲涅爾-克?；舴驌p耗；v為刃形繞射參數(shù)，

h為障礙頂點到發(fā)、收點連線上的高度；F1為障礙點的第一菲涅爾半徑，

式中，λ為工作波長；d1、d2為障礙分別到發(fā)、收點的距離；d為線路長度。

2.1.3 繞射、散射混合傳播損耗

在山區(qū)通信時，還會出現(xiàn)散射信號和繞射信號強度可比擬的情況。這個時候的接收電平是繞射和散射電波的疊加，接收信號表現(xiàn)為既有快衰落的散射信號分量，也有恒定的繞射信號分量。

混合傳播有2種方式：第1種方式是在整個一條線路上同時存在繞射和散射電波分量，接收信號強度是二者電平的疊加，傳播損耗相當于二者的并聯(lián)；第2種方式是在一條線路的幾個區(qū)間內(nèi)為不同的傳播方式，比如第1段為繞射傳播，第2段為散射傳播，而傳播損耗是二者的疊加，是一種串聯(lián)方式。

關于散射電波在山區(qū)的通信在理論上有一些定性的結論，分有、無障礙進行考慮，但實際電波傳輸受地形影響大，而山區(qū)地形復雜，受山脈走向影響大，用以上公式計算可能存在較大誤差[12]，而在這種地形下的通信效能缺乏定量的試驗數(shù)據(jù)，因此需要進行實測，以支持相應的研究。

2.2 通信試驗

為了研究散射信號在山區(qū)中的傳輸特性，檢驗散射通信在山區(qū)的通信保障能力和效果，在山區(qū)開展了散射通信試驗。通過該試驗，對不同距離、類型的散射鏈路進行了測試，收集了不同信道下傳播特性的相關參數(shù)，為散射在山區(qū)中的應用提供了參考；分析了散射在山區(qū)的可行性以及其應用模式和條件；對散射在山區(qū)的通信能力進行了評估。

通信試驗測試框圖如1所示，其中業(yè)務測試項目包括：話音業(yè)務測試、數(shù)據(jù)業(yè)務測試和視頻業(yè)務測試。

圖1 通信試驗測試

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

在本次散射通信試驗中，共進行了多條鏈路的測試，覆蓋了各種不同類型的信道通信條件。

典型的試驗通信鏈路包括以下4種類型：

① 通信鏈路與山脈走向一致，通信鏈路的地形剖面起伏較小，因此鏈路的傳輸損耗較小，可以達到較好的通信效果。因此在站址規(guī)劃中，可以優(yōu)選此種鏈路。通信鏈路剖面與高程如圖2所示。

圖2 第1種通信鏈路剖面與高程

② 通信鏈路所處的山脈落差較小，此時通信效果較好。通信鏈路剖面與高程如圖3所示。

圖3 第2種通信鏈路剖面與高程

③ 通信鏈路有山體遮蔽，一般需要抬高天線仰角，以跨越障礙遮擋。通信鏈路剖面與高程如圖4所示。

圖4 第3種通信鏈路剖面與高程

④ 通信鏈路與山脈走向存在大的拐彎，明顯不一致，一般需要抬高天線仰角，降低速率。通信鏈路剖面與高程如圖5所示。

圖5 第4種通信鏈路剖面與高程

本試驗共進行了多條鏈路的測試，其中典型鏈路的試驗測試結果如表1所示。

表1 散射通信通信能力測試結果

通信鏈路距離/km仰角和/(°)通信能力第1種鏈路70<5第2種鏈路45<5視頻連續(xù)清晰第3種鏈路110>5第4種鏈路80>5話音清晰可懂,數(shù)據(jù)無誤字符

從試驗情況看，散射通信能夠滿足在山區(qū)地形下的通信應用需求，具有一定的通信能力。

3.2 結果分析

在散射試驗中，收集了大量關于信道參數(shù)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析時，將其進行整理，并與理論計算或經(jīng)驗公式計算的結果進行對比，從中總結出山區(qū)信道的一些變化規(guī)律或特點[13]。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析[14]，在仰角較低時(<5°)，以散射傳播為主；在高仰角(>5°)單峰或雙峰條件下，基本以繞射為主；高仰角多峰情況下，按繞射損耗計算的結果與實測結果相差較大，若按繞射、散射混合傳播第1種方式計算，則計算結果與實測值非常接近。

通過上述分析，可以得到以下結論：

① 在試驗鏈路上，當收發(fā)2站天線仰角和在不大于5°時，可以保證良好的通信效能；

② 鏈路上由于障礙物遮擋，需要高仰角通信，當仰角較大時(>5°)，會導致通信能力下降，需要降速使用，以補償由于散射角增大引入的附加散射損耗。

4 結束語

通過試驗表明散射通信在山區(qū)地形下使用是可行的，取得了較好的效果。散射通信能夠滿足山區(qū)地形下的通信應用需求，在有明顯山峰阻擋的條件下，也具有一定的跨山通信能力。根據(jù)散射通信的試驗結果，可以在環(huán)境復雜的山區(qū)應用散射通信，為其提供超視距通信保障。

因山區(qū)通信受地形影響較大，后續(xù)研究將采用速率自適應技術，通過對信道質量的估計，來選擇相應的速率，以便高效利用信道資源。當通信鏈路受山體遮擋嚴重時，調至低速率進行通信，以保障關鍵信息的實時可靠傳輸；當通信鏈路的地形平緩，傳輸損耗較小時，能夠以倍增的高速率傳送大量信息，從而使通信服務能力與傳統(tǒng)散射通信相比大為增強，通信效率顯著提高[15]。

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