U/V超視距通信信道分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫柏昶，林增濤

(1.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；2.中國(guó)人民解放軍96921部隊(duì)，北京 100051)

0 引言

U/V頻段通信在軍事通信中應(yīng)用非常廣泛，該頻段電磁波具有繞射能力強(qiáng)、傳輸損耗低、信號(hào)覆蓋特性好以及具備動(dòng)中通能力等突出特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的U/V頻段通信設(shè)備，如VHF/UHF電臺(tái)已廣泛應(yīng)用于公安、邊防、森林及交通等眾多領(lǐng)域。但由于其通信距離有限，僅能用于30 km以內(nèi)的視距通信，其超視距通信保障問(wèn)題一直是非常薄弱的環(huán)節(jié)，難以滿足其在執(zhí)行遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)海類任務(wù)時(shí)對(duì)超視距通信保障的要求[1]。關(guān)于100 km以上的U/V頻段信道特性和通信設(shè)備的研究也較少。

鑒于上述問(wèn)題，本文從探究超視距信道傳輸特性出發(fā)，分析繞射和散射的不同，從而尋找合適的U/V超視距通信系統(tǒng)。

1 超視距傳播信道特性分析

對(duì)流層超視距遠(yuǎn)距離電磁波傳播模式有3類：第1類是對(duì)流層散射傳播，第2類是超視距繞射傳播，第3類是混合傳播，既包含對(duì)流層散射傳播模式，又包含超視距繞射傳播模式[2-3]。對(duì)流層散射是對(duì)流層中不均勻體對(duì)超短波以上的無(wú)線電波的散射，散射信道為變參信道，即瑞利信道；超視距繞射傳播又分為光滑球面繞射和山峰繞射，繞射信道為恒參信道；混合信道為萊斯信道。

1.1 理論分析

本文以光滑球面為對(duì)象，對(duì)繞射、散射的傳播特性進(jìn)行分析，并通過(guò)仿真給出在不同損耗等級(jí)條件下的衰落深度以及信道類型分類。

① 繞射傳播模式

在相同距離上，不同的波長(zhǎng)繞射衰減因子不同，波長(zhǎng)越短，繞射衰減就越大，故無(wú)線電波的繞射能力與電波的波長(zhǎng)有關(guān)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，繞射能力越強(qiáng)；波長(zhǎng)越短，繞射能力越弱。

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[4]：

Ldr=Lf+Ld，

(1)

Lf=32.4+20lgf+20lgd。

(2)

由式(1)看出，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式(3)計(jì)算：

Ld=G(x0)-F(x1)-F(x2)-20.67 ，

(3)

式中:

(4)

式中，f為頻率(MHz)，d為通信距離(km)，dt和dr分別為從發(fā)射天線和接收天線到其無(wú)線電地平線點(diǎn)的距離(km)，Re為距離等效地球半徑(km)，ht，hr分別為收、發(fā)天線高度(m)[4]。對(duì)于大的x值，G(x)，F(xiàn)(x)分別為：

G(x)≈0.057 104x-lolg(x)+2.066,
F(x)≈G(x)-1.356。

② 散射傳播模式

對(duì)流層散射傳播的機(jī)理目前主要有3種：湍流不相干散射、不規(guī)則層反射和穩(wěn)定層相干反射[5]。從信號(hào)上看，分為3類：典型散射信號(hào)、大氣波導(dǎo)信號(hào)與近似大氣波導(dǎo)信號(hào)。典型散射信號(hào)的特點(diǎn)就是具有明顯的快衰落特征。大氣波導(dǎo)信號(hào)接收電平比典型散射信號(hào)高出10～20 dB甚至更多。快衰落是散射信號(hào)在秒至分鐘時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)度變化，與頻率、距離等因素有關(guān)。慢衰落是信號(hào)電平長(zhǎng)時(shí)間的中值波動(dòng)，一般用年中值損耗作為散射建站的考慮因素之一[6-7]。

散射年中值損耗根據(jù)國(guó)際電聯(lián)CCIR推薦的第一算法zhang算法進(jìn)行計(jì)算[3]，具體計(jì)算方式為：

Lb=M+30lgf+30lgΘ+10lgd+

20lg(5+γH)+4.343γh，

(5)

式中，f為頻率(MHz)，d為通信距離(km)，Θ為散射角(mrad)，H為最低散射點(diǎn)高度(km)，M，γ分別為表示氣象和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2 野外測(cè)試數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)結(jié)論

通過(guò)野外信道測(cè)試，本文對(duì)300 MHz頻率信號(hào)分別在88，111，150，200 km等4條野外試驗(yàn)鏈路進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)試，在數(shù)萬(wàn)組測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)接收信號(hào)的衰落特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，給出了不同信道類型的衰落深度比較，如表1所示。

表1 不同信道類型的衰落深度比較 dB

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，散射年中值損耗-繞射損耗大于15 dB時(shí)，為繞射信道;當(dāng)小于-15 dB時(shí)為散射信道;當(dāng)位于-15～15 dB之間時(shí)為散射、繞射混合傳輸信道(簡(jiǎn)稱混合信道)。依此對(duì)繞射信道、散射/繞射混合信道和散射信道3種類型信道所占比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)信道類型的統(tǒng)計(jì)分析

鏈路距離/km不同類型信道所占比例/%繞射混合散射88 232651111 541037150 132761200 21979

對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析如下，U/V超視距通信信道衰落類型較為復(fù)雜，所有距離條件下均存在較多的信道衰落類型。隨著通信距離的增加，散射信道占的比例呈增加趨勢(shì)，在200 km鏈路距離時(shí)散射信道類型約占80%，另一方面繞射信道所占比例隨距離的增加急劇變小，在200 km時(shí)繞射信道類型所占比例僅2%；信道受天氣影響較大，大氣波導(dǎo)、層反射等傳播模式較多，當(dāng)該類傳播模式出現(xiàn)時(shí)信號(hào)接收電平大幅增加。

2 U/V超視距通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析

根據(jù)對(duì)U/V超視距信道的理論分析及實(shí)際測(cè)試，U/V超視距通信設(shè)備設(shè)計(jì)必須考慮信道衰落對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

對(duì)抗信道衰落，散射通信系統(tǒng)多采用空間分集的體制，但是如果采用該體制對(duì)傳統(tǒng)的U/V頻段通信設(shè)備進(jìn)行改造，必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)備體積變大，系統(tǒng)形態(tài)較為復(fù)雜、使用優(yōu)勢(shì)降低。因此本文提出了一種U/V超視距通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在保持U/V頻段通信設(shè)備使用優(yōu)勢(shì)的條件下實(shí)現(xiàn)超視距通信。

該方案采用頻率隱分集+降速率與失真自適應(yīng)解調(diào)+自適應(yīng)變速率的體制，依據(jù)頻率隱分集對(duì)抗衰落，降速率與失真自適應(yīng)解調(diào)對(duì)抗多徑，自適應(yīng)變速率提高系統(tǒng)性能[8-13]。

下面重點(diǎn)分析一下體制中頻率隱分集方式。幾種分集技術(shù)在U/V超視距信道中的適應(yīng)性分析如表3所示，由表3可以看出，綜合考慮使用性、帶寬以及系統(tǒng)能力，采用頻率隱分集技術(shù)可以在采用1面天線、1套發(fā)射機(jī)的條件下具有較好的超視距通信能力，實(shí)現(xiàn)U/V頻段通信設(shè)備的超視距通信，因此本文采用頻率隱分集的體制。

表3 幾種分集方式的使用效果比較

分集方式優(yōu)勢(shì)分析劣勢(shì)分析空間顯分集抗衰落效果較好實(shí)現(xiàn)分集效果需采用多天線體制,另外由于低頻段分集距離在數(shù)十米以上,使用靈活性較差頻率顯分集抗衰落效果較好,需占用較寬帶寬實(shí)現(xiàn)分集效果需部署兩套獨(dú)立工作的功率放大器,靈活性較空間分集有明顯提升頻率隱分集抗衰落效果與頻率顯分集一致由于共用同一功放會(huì)造成單分集支路的功率分散,使用較為靈活

圖1給出了頻率隱分集體制下的發(fā)射信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)原理框圖，對(duì)1個(gè)信源輸出端的信號(hào)分別進(jìn)行T/3，2T/3延遲的信號(hào)以及不延遲的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)成形濾波器進(jìn)行基帶成形，在成形后分別進(jìn)行f0，f1，f2調(diào)制低中頻處理，在處理完成后將3路信號(hào)進(jìn)行疊加即可實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)三頻隱分集的發(fā)射信號(hào)，在接收端分別對(duì)3路信號(hào)進(jìn)行下變頻處理后進(jìn)行合并，即可實(shí)現(xiàn)三重頻率隱分集。

圖1 三重頻率隱分集發(fā)射端實(shí)現(xiàn)原理框圖

3 系統(tǒng)性能仿真及驗(yàn)證

3.1 軟件仿真

利用Matlab仿真模型，分別在散射信道、混合信道條件下，對(duì)頻率隱分集以及無(wú)分集方式下系統(tǒng)的誤碼性能進(jìn)行仿真分析[14-16]。采用三重頻率隱分集以及無(wú)分集時(shí)在散射信道衰落條件下的的誤碼性能對(duì)比曲線如圖2所示，由圖2可以看出三重頻率隱分集與無(wú)分集時(shí)的誤碼曲線交叉點(diǎn)在2×10-2，當(dāng)誤碼率優(yōu)于2×10-2時(shí)，三重頻率隱分集的性能較好，而不采用分集時(shí)其誤碼性能隨信噪比增加誤碼性能無(wú)明顯改善。圖3為混合信道(萊斯因子=5)條件下誤碼性能仿真結(jié)果，可以看出混合信道條件下，采用三重頻率隱分集對(duì)誤碼性能改善起到較好的效果，尤其隨著信噪比的增加對(duì)誤碼性能的改善效果更加明顯，因此采用三重頻率隱分集可顯著改善散射信道、混合信道條件下的誤碼性能，可作為其抗衰落波形設(shè)計(jì)的一種方式。

圖2 散射信道條件下的分集性能仿真

圖3 混合信道(萊斯因子=5)條件下的 三重隱分集性能曲線

3.2 外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)本文提出的U/V超視距通信系統(tǒng)方案研制了原理樣機(jī)[17-18]，在80～200 km的距離范圍內(nèi)進(jìn)行野外試驗(yàn)，遠(yuǎn)距離、寬帶通信等測(cè)試均取得良好的試驗(yàn)效果，其中200 km的可靠傳輸速率在64 kbps量級(jí)，100 km的可靠傳輸速率為2 048 kbps，表明了方案的可行性，實(shí)現(xiàn)了U/V通信設(shè)備的超視距通信能力拓展。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)U/V頻段電磁波在無(wú)線鏈路上傳播模式及野外試驗(yàn)測(cè)試結(jié)論，在保留或不過(guò)多改變現(xiàn)有U/V頻段通信設(shè)備形態(tài)的條件下，針對(duì)U/V超視距信道的復(fù)雜傳播特性,本文提出U/V超視距通信系統(tǒng)方案，使之具備了超視距傳輸能力，為后續(xù)設(shè)備研制、改造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。