對流層散射通信信道特性分析

趙玉剛

摘 要：由于對流層散射通信存在諸多優(yōu)點(diǎn)，無論在軍事或民用方面都得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是對流層散射通信信道是隨參信道，信號傳輸損耗較大，存在多徑效應(yīng)，且快衰落和慢衰落現(xiàn)象較為明顯，嚴(yán)重影響了信號傳輸。本文從對流層散射傳播損耗、對流層散射傳播衰落以及對流層散射傳播的多徑效應(yīng)等方面對對流層散射信道特性進(jìn)行了分析，對研究超短波、微波遠(yuǎn)距離通信傳輸具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：對流層散射；信道特性；損耗；衰落；多徑效應(yīng)

與其他通信方式相比，對流層散射通信，其通信距離遠(yuǎn)、保密性能好、抗毀能力強(qiáng)、不受太陽黑子、電離層擾動，尤其不受核爆炸的影響，且能實(shí)現(xiàn)全天候可靠通信，無論在軍事或民用方面都得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是，對流層散射通信信道傳輸損耗較大，存在多徑效應(yīng)，其快衰落和慢衰落現(xiàn)象較為明顯，嚴(yán)重影響了信號的傳輸。下面從對流層散射傳播損耗、對流層散射傳播衰落以及對流層散射傳播多徑效應(yīng)等方面對對流層散射信道特性進(jìn)行分析。

1 對流層散射傳播損耗

對流層散射通信信號傳輸距離較遠(yuǎn)，信號在傳輸過程中損耗較大，所以到達(dá)接收機(jī)的信號比較微弱，為了能夠正常完成通信，一般采用較大功率的發(fā)射機(jī)和方向性較強(qiáng)的天線。從散射通信信號的傳輸路徑上來看，其傳播損耗主要包括散射損耗、自由空間的損耗、大氣吸收損耗、天線高度損耗、信號傳輸耦合損耗以及天線方向偏移損耗等[1]。

1.1 散射傳播損耗與距離的關(guān)系

影響散射傳播損耗的因素較多，主要包括通信距離、頻率、氣候、季節(jié)等，其中，通信距離的變化對散射傳播損耗的影響最為明顯。通過大量實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通信距離在100～400KM范圍內(nèi)時，每增加1KM傳輸損耗增加0.5分貝。當(dāng)距離超過500KM后，散射傳播損耗隨著距離增加而增大的速率會降低，并且，距離越長，損耗增加的速率越慢。

1.2 散射傳播損耗與頻率的關(guān)系

對流層散射通信，是利用對流層大氣中的散射體對信號的散射作用而實(shí)現(xiàn)通信的。從其傳輸路徑上來看，散射傳播機(jī)理為前向散射。接收端一般都位于散射方向圖的半功率角之外。頻率越高，散射體方向圖越窄，能到達(dá)接收端的能量就越小，其散射損耗就越大。所以，通常當(dāng)信號頻率增加時，散射傳播損耗會增大。 觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，頻率的變化對傳輸損耗的影響并不顯著，在某些情況下，甚至與頻率無關(guān)。例如，當(dāng)信號頻率從1000MHz增加到4000MHz時，散射損耗僅增加約5分貝。

1.3 散射傳播損耗與時間的關(guān)系

散射傳播損耗與季節(jié)變化有關(guān)。隨著季節(jié)的不同，一年內(nèi)散射傳播損耗變化幅度約為15～20分貝。另外，北半球冬季的傳播損耗要大于夏季。對流層散射傳播損耗還存在著日變化，這種變化同樣會隨著季節(jié)不同而變，一般來說夏季比冬季變化要大。但總體來說，這種影響要比對短波的影響小，所以對流層散射通信不需要在晝夜更替時改變工作頻率，只要在線路設(shè)計時做出一定的衰落預(yù)留即可。

1.4 大氣吸收損耗

實(shí)際的對流層大氣不是理想的傳輸介質(zhì)，當(dāng)電磁波在對流層大氣中傳播時，隨著頻率的增大，大氣的吸收損耗會增加。對流層散射傳播的工作頻段一般在超短波和微波波段，大氣損耗會比較明顯。引起大氣吸收損耗的原因主要有兩個，一是諧振吸收，二是微粒散射[2]。

1.5 信號傳輸時的耦合損耗

發(fā)射天線輻射的電磁信號，其各個分量會通過不同的路徑到達(dá)接收端，使得到達(dá)接收天線的信號由于相位的不同而不再是平面波，天線的利用系數(shù)會降低。同時，對流層散射通信通常使用大口徑、強(qiáng)方向性的天線，天線波束較窄，這使得散射體的體積較小，接收點(diǎn)的場強(qiáng)減小。此外，對流層散射傳播時，由于對流層大氣的不理想，電波不會僅從最佳接收方向到達(dá)接收端。綜合上面的各種因素，信號傳輸?shù)膶?shí)際增益會降低，且理論增益越大下降越多。

2 對流層散射傳播衰落

對流層散射信道存在衰落現(xiàn)象，這種衰落包括快衰落和慢衰落。由于對流層大氣變化的隨機(jī)性，所以這種衰落現(xiàn)象也具有隨機(jī)性。接收點(diǎn)電平或功率短時間內(nèi)出現(xiàn)快速變化起伏，稱為快衰落，接收點(diǎn)電平或功率以晝夜、月、年為周期出現(xiàn)長期變化，稱為慢衰落。這里主要對慢衰落進(jìn)行分析。

慢衰落主要表現(xiàn)在短期信號電平中值隨著時、日、月或年產(chǎn)生緩慢變化。一天當(dāng)中，信號電平一般在午夜和早晨最強(qiáng)，在12～18時最弱，并且其變化幅度與距離有關(guān)，距離較遠(yuǎn)時，變化幅度較小。一月當(dāng)中，電平變化幅度可達(dá)26dB，相鄰兩天的信號電平變化一般在3～4dB，最高可達(dá)21dB。

慢衰落現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于氣象條件的變化造成的。氣象條件的變化會造成湍流起伏強(qiáng)度以及大氣分層狀況等的變化，從而造成對流層大氣折射率和梯度出現(xiàn)相應(yīng)的變化。對流層大氣的折射率和梯度與溫度、濕度和大氣壓力有關(guān)，當(dāng)大氣溫度上部升高或下部降低，大氣濕度上部降低或下部升高時，對信號電平有利。在北半球，夏季地面較為潮濕，冬季地面干燥，而在高空中，大氣濕度隨著季節(jié)的不同變化較小，所以，信號電平冬季較強(qiáng)，夏季較弱。一天當(dāng)中，在白天，地面由于太陽的照射先于大氣受熱，對流層大氣溫度下高上低的程度較明顯，晚上情況正好相反。所以，信號電平一般晚上要比白天強(qiáng)。此外，慢衰落還與氣候、大氣運(yùn)動以及地形等有較為密切的關(guān)系。氣候地帶（如熱帶、亞熱帶等）不同、地理環(huán)境（如海上、山地等）不同，對電平的影響也不同。

從統(tǒng)計學(xué)上來說，對流層散射傳播時的慢衰落信號電平滿足對數(shù)正態(tài)分布，即信號電平的對數(shù)滿足正態(tài)分布[3]。

3 對流層散射傳播的多徑效應(yīng)

對流層散射信道存在多徑效應(yīng)，主要體現(xiàn)在：多徑傳播時延引起信號擴(kuò)展、多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制以及信號強(qiáng)度短時間或短距離的急劇變化等方面[4]。這種多徑效應(yīng)會造成信號的快衰落?？焖ヂ涫侵感盘栯娖交蚬β试谳^短時間內(nèi)出現(xiàn)快速隨機(jī)起伏，在這種情況下，慢衰落可忽略不計。其原因主要是由于信號的傳輸路徑的不同造成的，也就是說，同一傳輸信號會通過不同路徑到達(dá)接收端，接收信號由于相位的不同相互干涉形成多徑波，最終被接收天線所接收。信號電平快衰落變化的強(qiáng)度取決于多徑波的強(qiáng)度、傳播時間以及傳播信號帶寬等。

4 結(jié)束語

對流層散射通信信道是隨參信道，信號傳輸損耗較大，存在多徑效應(yīng)，且快衰落和慢衰落現(xiàn)象較為明顯，嚴(yán)重影響了信號傳輸。但是，由于對流層散射通信存在的諸多優(yōu)點(diǎn)，無論在軍事或民用方面仍然得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文從對流層散射傳播損耗、對流層散射傳播衰落以及對流層散射傳播的多徑效應(yīng)等方面對對流層散射信道特性進(jìn)行了分析，對研究超短波、微波遠(yuǎn)距離通信傳輸具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李立軍.對流層散射鏈路傳輸損耗的工程計算[J].計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2007（3）：92-93.

[2]薛曉清.對流層與電離層中電波傳播的相關(guān)問題研究[D].西安電子科技大學(xué)，2009.

[3]李可立.基于DSP的對流層散射信道仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，1998（1）：1-4.

[4]顧海龍，陳樹新.對流層散射通信信道建模及系統(tǒng)性能仿真[J].通信技術(shù)，2008，41（9）：26-28.