VHF在超視距和不規(guī)則地形條件下電平特性 傳播模型研究

騰潢龍 楊濤

【摘? 要】為了探索VHF波段在超視距不規(guī)則地形的傳播特性，選取圓頂單峰地形，開展VHF信道電平特性傳播模型試驗(yàn)。首先給出了符合試驗(yàn)需求的測試方法、測試硬件設(shè)備搭建，然后從10個測試點(diǎn)實(shí)測了不同氣候條件、不同距離、不同時段的傳播損耗。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對比，計算出衰落中值、衰落幅度、直方圖等指標(biāo)，得出了以距離為分界，VHF傳播衰減數(shù)據(jù)符合ITU R P1546和ITU R P370兩個傳播模型的結(jié)論。該結(jié)論可以為軍用和民用VHF網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供鏈路預(yù)算參考。

【關(guān)鍵詞】VHF;信道衰減;電平特性;信道模型

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0075-06

[Abstract]?In order to explore the propagation characteristics of VHF band under over-the-horizon irregular terrains， the single-peak dome terrain was selected to perform VHF channel propagation model test. Firstly， the testing method， testing hardware and equipment establishment fitting experimental needs were presented. Then， the propagation loss of ten test points under different climate conditions， distances and time periods was measured. After data analysis and comparison， the metrics including fading mean， fading amplitude and histogram are calculated to conclude that the attenuation data of VHF transmission is in accordance with ITU R P1546 and ITU R P370 propagation models. This conclusion can provide a reference of link budget to both military and civil VHF network planning.

[Key words]VHF; channel attenuation; level characteristics; channel model

1? ?引言

超短波又稱甚高頻（VHF， Very High Frequency），即工作頻帶在30 MHz～300 MHz的無線電波，波長為1 m～10 m。超短波通信的電子對抗性強(qiáng)，視距內(nèi)傳播穩(wěn)定性強(qiáng)，被廣泛用于民航、海事的近距離通信系統(tǒng)中。

超短波以空間波傳播方式為主，表面衰減快，傳播距離有限，電波容易受到對流層的影響，受地形、地物的影響也很大。對我國軍用無線通信的需求而言，摸清楚VHF波段在超視距通信條件下的傳播模型，將會為軍用通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供非常有益的參考。

本文在超視距條件下，對VHF電波在不規(guī)則地形條件、典型時間段的傳播特性影響（電平特性）及傳播模型進(jìn)行研究，以期得出有益于軍用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的結(jié)論。

2? ?VHF信道電平特性測試方法

2.1? 電平特性測試要求

接收到的電平特性數(shù)據(jù)，要能分析出地形地貌、不同時間段對傳播損耗的影響。為此，對測試系統(tǒng)有如下基本要求：

（1）接收機(jī)靈敏度能保證電平測試門限，一般設(shè)定為小于等于-130 dBm;

（2）發(fā)射機(jī)功率能保證電平測試的探測距離。

2.2? 接收機(jī)靈敏度設(shè)置

接收機(jī)靈敏度公式為：

2.3? 發(fā)射機(jī)功率設(shè)置

針對非規(guī)則地形且地形分布數(shù)據(jù)掌握不準(zhǔn)確的情況，參考Longley-Rice模型，該模型對傳輸損耗中值給出了參考值，如下所示：

其中，Ae為自由空間視距傳播損耗、Aed為自由空間衍射傳播損耗，Aes為自由空間散射傳播損耗，k1、k2為視距傳播損耗系數(shù)，md為衍射傳播損耗系數(shù)，ms為散射傳播損耗系數(shù)，dmindx為散射傳播距離。

綜合考慮其他相關(guān)因素，包括天線極化方式、空氣折射率、地面相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率、測試地氣候模型等因素，并考慮到本次研究的實(shí)際情況，在地面起伏高度500 m，收發(fā)天線高度15 m，10 km～100 km傳播距離的條件下：

（1）當(dāng)傳輸距離小于22 km時為視距傳播，視距內(nèi)由于傳播路徑地形起伏和遮蔽等情況，又分為反射和繞射，路徑損耗最大為140 dB。

（2）當(dāng)傳輸距離在22 km～38 km，電波傳播的主要障礙考慮發(fā)射站和接收站之間地形的球冠部分，傳播方式以光滑球面繞射計算，路徑損耗最大為155 dB。

（3）當(dāng)傳播距離大于38 km時，接收點(diǎn)相當(dāng)于處在陰影區(qū)，主要傳播方式考慮對流層散射傳播，傳播損耗是散射損耗和自由空間傳播損耗，路徑損耗記為175 dB。

綜上所述，本次研究條件下傳播損耗最大值為175 dB?？紤]接收機(jī)靈敏度需小于等于-130 dBm，天線增益為8 dB，則發(fā)射功率需至少大于37 dBm。故試驗(yàn)中發(fā)射功率大于等于50 dBm。

3? ?VHF信道電平特性測試設(shè)備

探測設(shè)備分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，采用緊湊的硬件體系架構(gòu)，如圖1、圖2所示。

探測設(shè)備工作頻率為40 MHz～50 MHz，頻率步進(jìn)0.5 MHz。接收機(jī)記錄探測模式、工作頻率、測試開始時間、結(jié)束時間、發(fā)射持續(xù)時間、發(fā)射間隔時間及探測設(shè)備匯報的探測數(shù)據(jù)。

4? ?測試的數(shù)據(jù)設(shè)置和統(tǒng)計方法

4.1? 測試統(tǒng)計項(xiàng)

統(tǒng)計項(xiàng)包括傳播損耗、衰落中值、衰落幅度、直方圖、日夜衰落差。其中，傳播損耗如式（5）所示：

4.2? 主要分析項(xiàng)

（1）按小時的分析項(xiàng)

每個小時的衰落中值：以2小時為間隔，分析一天內(nèi)衰落中值的變化曲線。

每個小時的衰落均方差：以2小時為間隔，分析一天內(nèi)衰落均方差的變化曲線。

每個小時的衰落幅度：以2小時為間隔，分析一天內(nèi)衰落幅度的變化曲線。

當(dāng)日衰落數(shù)據(jù)直方圖：統(tǒng)計每個強(qiáng)度上衰落中值數(shù)據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)。

（2）按地點(diǎn)分析

每個距離測量點(diǎn)的日夜衰落中值差：分析各個距離觀測點(diǎn)日夜衰落中值差的變化曲線。

每個距離測量點(diǎn)的平均衰落中值：分析各個距離觀測點(diǎn)全天平均衰落中值的變化曲線。

每個距離測量點(diǎn)的平均衰落均方差：分析各個距離觀測點(diǎn)全天平均衰落均方差的變化曲線。

每個距離測量點(diǎn)的平均衰落幅度：分析各個距離觀測點(diǎn)全天平均衰落幅度的變化曲線。

每個距離測量點(diǎn)的仿真中值和實(shí)測值：分析各個距離觀測點(diǎn)仿真中值與全天平均衰落中值的對比曲線。

每個距離測量點(diǎn)仿真中值和實(shí)測值的差及實(shí)測值偏差量：分析各個距離觀測點(diǎn)仿真中值和實(shí)測值之差的對比曲線。

（3）與信道模型對比

本次信道測試試驗(yàn)衰落統(tǒng)計特性將與ITU R P1546、ITU R P370、ITU Baltika三種傳播模型理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)合傳播模型，給出信道特性及統(tǒng)計規(guī)律。

5? ?接收電平的統(tǒng)計分析

此次試驗(yàn)選取“圓頂單峰地形”進(jìn)行實(shí)測。測試點(diǎn)分布如圖3所示，發(fā)射點(diǎn)位于西南方（圖片左下角），接收點(diǎn)分別位于東偏北的10個地點(diǎn)。發(fā)射點(diǎn)和各接收點(diǎn)之間有一座海拔900 m南北走向的山峰，山峰頂端平緩圓滑，山峰西部10 km內(nèi)地勢平坦，東部100 km內(nèi)為平原，符合測試要求。

此次試驗(yàn)按照熱季、冷季、溫季分階段對該圓頂單峰地形傳播信道參數(shù)進(jìn)行了測試。其中，在接收點(diǎn)6處連續(xù)進(jìn)行7×24小時測試，其余測試點(diǎn)均為24小時。接收點(diǎn)6、接收點(diǎn)7、接收點(diǎn)8、接收點(diǎn)9、接收點(diǎn)10處由于環(huán)境噪聲與最小有用信號接近，這五處采用定向天線進(jìn)行測試。以20 km測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.1? 20 km測試點(diǎn)統(tǒng)計

（1）測試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

測試工作頻率48 MHz，發(fā)射功率Pt=50.2 dBm，發(fā)射站定向天線增益為Gt=6.8 dB，架高15 m，指向56°，饋線損耗為L1=1.5 dB，接收站全向天線增益Gr=-0.2 dB，架高15 m，饋線損耗為L2=1.5 dB。

（2）衰落中值

從圖4可以看出：冷季衰落中值最小，溫季衰落中值次之，熱季衰落中值最大;同一季節(jié)，溫季和熱季8點(diǎn)～18點(diǎn)的衰落中值較大，冷季4點(diǎn)～8點(diǎn)、16點(diǎn)～24點(diǎn)的衰落中值較大。

（3）衰落均方差

從圖5可以看出：冷季衰落均方差在4點(diǎn)～8點(diǎn)有較大變化、溫季衰落均方差在12點(diǎn)～18點(diǎn)有較大變化，熱季衰落均方差變化小。

（4）衰落幅度

從圖6可以看出：冷季衰落幅度一天內(nèi)最大為2 dB，溫季衰落幅度一天內(nèi)最大為4 dB，熱季衰落幅度一天內(nèi)最大為2 dB。

（5）日夜對比和方差

5.2? 整體統(tǒng)計

（1）日夜衰落中值差

從圖7可以看出：同一季節(jié)日夜衰落中值差隨著距離增加而逐漸變大;不同季節(jié)日夜衰落中值差隨著距離增加，其變化趨勢基本一致;熱季日夜衰落中值差最小。

（2）平均衰落中值

從圖8可以看出：同一季節(jié)平均衰落中值隨著距離增加而逐漸變大;不同季節(jié)平均衰落中值隨著距離增加，其變化趨勢基本一致。

（3）平均衰落均方差

從圖9可以看出：同一季節(jié)平均衰落均方差隨著距離增加而逐漸變大;不同季節(jié)平均衰落均方差隨著距離增加，其變化趨勢基本一致。

（4）平均衰落幅度

從圖10可以看出：同一季節(jié)平均衰落幅度隨著距離增加而逐漸變大;不同季節(jié)平均衰落幅度隨著距離增加，其變化趨勢基本一致。

5.3? 仿真對比

（1）溫季衰落中值與模型對比

從圖11可以看出：溫季距離發(fā)射點(diǎn)15 km、20 km、30 km、40 km處的接收測試點(diǎn)的信道傳播衰落中值與ITU R P1546模型的傳播衰落中值計算結(jié)果近似，距離發(fā)射點(diǎn)50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收測試點(diǎn)處的信道傳播衰落中值與ITU R P370模型的傳播衰落中值計算結(jié)果近似。

（2）溫季均方差與模型對比

從圖12可以看出：溫季距離發(fā)射點(diǎn)15 km、20 km、30 km、40 km處的接收測試點(diǎn)的信道傳播衰落中值與ITU R P1546模型的傳播衰落中值平均修正量約為-5 dB，距離發(fā)射點(diǎn)50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收測試點(diǎn)處的信道傳播衰落中值與ITU R P370模型的傳播衰落中值平均修正量約為+5 dB。

5.4? 結(jié)論分析

通過10個測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，可知：

（1）在溫季氣候條件下，傳播距離在40 km以內(nèi)VHF信道傳播衰落中值與ITU R P1546模型的傳播衰落中值計算結(jié)果近似，平均修正量約為-5 dB;在溫季氣候條件下，傳播距離達(dá)到50 km～100 km，VHF信道傳播衰落中值與ITU R P370模型的傳播衰落中值計算結(jié)果近似，平均修正量同樣約為+5 dB。

（2）同一季節(jié)，平均衰落均方差和平均衰落幅度均隨著距離增加而逐漸變大;不同季節(jié)，平均衰落均方差和平均衰落幅度隨著距離增加，其變化趨勢基本一致。

（3）如果以溫季氣候條件下各測試點(diǎn)的衰落中值為標(biāo)準(zhǔn)，則熱季氣候條件下各接收測試點(diǎn)衰落中值平均增加1.02 dB，冷季氣候條件下各接收測試點(diǎn)衰落中值平均減少1.59 dB，與距離無關(guān)。

（4）三個季度條件下，日夜衰落中值差，平均傳播損耗均方差和衰落幅度變化趨勢基本一致，但明顯與距離正相關(guān)，可以擬合成直線（d為距離，單位為km），平均值（dB）約為：日夜衰落中值差為0.5+0.025×d，平均傳播損耗均方差為0.5+0.024×d，衰落幅度為0.5+0.07×d。

由于本次試驗(yàn)只對本處圓頂單峰地形進(jìn)行了測試，且接收測試點(diǎn)離散性很大，數(shù)據(jù)采集量不足以支撐形成分布規(guī)律統(tǒng)計，測試數(shù)據(jù)只針對本次測試地形，依據(jù)測試數(shù)據(jù)得出的上述結(jié)論僅能針對本次測試地形給出偏移中值趨勢。

6? ?結(jié)束語

本文以VHF頻段超視距傳播中的電平特性為研究目標(biāo)，選取了圓頂單峰地形，進(jìn)行了10個測試點(diǎn)的電平特性數(shù)據(jù)測試。通過測試，得出了不同氣候條件、不同距離、不同時段的傳播損耗、衰落中值、衰落幅度、直方圖等數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并與已知的傳播模型進(jìn)行對比可知：在該地形條件下，溫季氣候下，VHF信道傳輸過程的電平特性大約以50 km為分界，分別與ITU R P1546和ITU R P370模型相近。該結(jié)論可以為同類條件下軍用或民用VHF通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃部署提供參考。

有必要進(jìn)一步就不同地形、不同測試方向測試VHF波段的傳輸損耗建立符合本地實(shí)際的不規(guī)則地形傳輸模型，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供更多有價值的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚慶棟，梁慧君，戴文琪. 數(shù)字無線傳輸[M]. 杭州： 浙江大學(xué)出版社， 1992.

[2] 樊昌信. 通信原理[M]. 4版. 北京： 國防工業(yè)出版社， 1995.

[3] 藍(lán)翱華. VHF通信電臺控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2009.

[4] 平怡. V/UHF傳播計算模型仿真研究[J]. 通信技術(shù)， 2008（6）： 68-70.

[5] 李坤，于鵬鵬，肖樊，等. 模擬超短波信道多徑特性的新方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2010，10（15）： 3607-3609.

[6] 李同全. 超短波通信常見無線電干擾特點(diǎn)及排查方法[J]. 山西電子技術(shù)， 2001（3）： 31-33.

[7] 陳瀟. 超短波信道Ad+Hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[D]. 成都 ： 電子科技大學(xué)， 2008.

[8] 龍華. 超短波自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2006.

[9] 潘越清. 超短波專業(yè)無線電臺的應(yīng)用[J]. 中國科技信息， 2005（21A）： 35.

[10] 宋滔. 超短波數(shù)傳跳頻電臺基帶設(shè)計[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2005.

[11] 羅一鋒，李含輝，黃繼進(jìn). 超短波通信鏈路分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2006（9）： 41-44.