短波通信傳播路徑損耗分段預(yù)測(cè)方法

祝夢(mèng)卿 朱秋明 張寧 王成華 王梅

摘?要：針對(duì)短波通信在不同通信距離具有完全不同的傳播機(jī)制問(wèn)題，綜合考慮短波信號(hào)受電離層反射、地面吸收等環(huán)境因素的影響，建立了一個(gè)包含傳播損耗、陰影衰落、多徑衰落和多徑時(shí)延的短波分段信道模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)短波信號(hào)在天波段和地波段的傳播特性，分別研究了信道模型在相應(yīng)傳播距離內(nèi)的傳播損耗參數(shù)計(jì)算方法，以及短波電臺(tái)無(wú)法正常通信的盲區(qū)范圍。數(shù)值仿真結(jié)果表明，本文損耗預(yù)測(cè)結(jié)果能夠體現(xiàn)不同傳播模式下的變化情況，并與ITU實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。該結(jié)論可為短波通信系統(tǒng)性能評(píng)估、抗干擾能力預(yù)測(cè)和通信方案優(yōu)化等提供理論參考。

關(guān)鍵詞：短波通信;信道模型;天波;地波;傳播路徑損耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ765.4;TN98?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2020）01-0071-05

0?引言

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，短波通信在民用領(lǐng)域的應(yīng)用變得相對(duì)有限，但由于其傳輸距離遠(yuǎn)、受制約因素小、中繼不易摧毀等優(yōu)點(diǎn)，短波通信在軍事領(lǐng)域、特種作業(yè)領(lǐng)域起著不可替代的作用[1-2]。短波信道環(huán)境復(fù)雜，尤其是受電離層影響較大，建立短波信道模型并評(píng)估其可靠性是使用短波通信之前必不可少的一項(xiàng)工作。

經(jīng)典短波信道模型有Watterson 等人提出的高斯散射增益抽頭延遲線(xiàn)模型[3]和Mastrangelo等人提出的ITS模型[4]。目前常用的短波信道模型多是基于這兩種模型的改進(jìn)，如文獻(xiàn)[5]針對(duì)ITS模型存在的參數(shù)復(fù)雜、多徑時(shí)延固定等問(wèn)題，提出了增加一個(gè)參數(shù)修正模塊的改進(jìn)模型;文獻(xiàn)[6]提出了結(jié)合IRI-2012數(shù)據(jù)，使用射線(xiàn)跟蹤模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的ITS改進(jìn)模型;文獻(xiàn)[7]基于加利福尼亞南部的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出一種修正的NVIS模型，該模型的參數(shù)估計(jì)依賴(lài)于其在特定地區(qū)特定時(shí)間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

實(shí)際中，傳播信號(hào)的路徑損耗是影響短波通信可靠性以及抗干擾能力的最重要因素之一[8]。鑒于短波通信存在天波傳播、地波傳播等不同模式，各模式下傳播路徑損耗也都不同。為方便對(duì)傳播路徑損耗進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，本文給出了一個(gè)通用的短波信道模型，并根據(jù)短波通信的特性，針對(duì)地波段和天波段兩種不同傳播模式分別進(jìn)行了模型參數(shù)討論，重點(diǎn)分析討論短波信號(hào)傳播損耗的預(yù)測(cè)方法，并利用數(shù)值仿真驗(yàn)證了分段預(yù)測(cè)方法的正確性。

1?信道模型

對(duì)于短波通信場(chǎng)景，短波信號(hào)傳播方式可分為地波方式和天波方式，如圖1所示。其中，地波信號(hào)沿地球表面?zhèn)鞑ィ皇軞夂蛴绊?，比較穩(wěn)定，但傳播距離受地面環(huán)境限制;天波信號(hào)經(jīng)電離層反射到達(dá)接收端，受電離層影響較大，且穩(wěn)定性較差。此外，天波方式傳播的距離最小值稱(chēng)為跳距，當(dāng)?shù)夭ㄐ盘?hào)能夠達(dá)到的最大距離小于跳距時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一段短波信號(hào)無(wú)法到達(dá)的盲區(qū)。

為便于描述，將短波信道統(tǒng)一建模為

式中：N為可分辨的多徑簇?cái)?shù)目;τn為各簇路徑時(shí)延;h～n（t）表示短波信道中的路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落等信道衰落因子;Pn=Pr/Pt表示接收功率Pr和發(fā)射功率Pt的比值，也是決定短波通信系統(tǒng)誤碼性能的關(guān)鍵參數(shù)。若考慮收發(fā)端天線(xiàn)增益因素，傳播路徑增益Pn還可定義為

式中：Lm為地波段的路徑傳播損耗，主要受地面環(huán)境和信號(hào)頻率的影響;Lb為天波段的路徑傳播損耗，與信號(hào)在電離層的反射點(diǎn)（控制點(diǎn)）的位置密切相關(guān)。

2?傳播損耗參數(shù)預(yù)測(cè)方法

2.1?地波段傳播損耗

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的Okumura-Hata 模型進(jìn)行改進(jìn)，利用如下方法對(duì)地波段的路徑傳播損耗進(jìn)行計(jì)算：

2.2?天波段傳播損耗

天波段的路徑傳播損耗比較復(fù)雜，考慮因素也比較多，其計(jì)算方法為

Li為電離層的吸收損耗，本文采用如下半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)[10]：

Lbf為傳播過(guò)程中的自由空間傳輸損耗，可表示為

電離層從低到高分為D層、E層和F層，F(xiàn)層又可分為F1層和F2層。短波信號(hào)在電離層的反射點(diǎn)通常存在于E層和F2層，當(dāng)反射點(diǎn)在E層時(shí)，h可取為110 km;當(dāng)控制點(diǎn)在F2層時(shí)，h取值比較復(fù)雜，需根據(jù)f0，F(xiàn)2與f0，E的比值、跳距以及收發(fā)電臺(tái)之間的大圓距離D進(jìn)行估計(jì)。

實(shí)際中，控制點(diǎn)位置的判斷通常與E層的最高可用頻率（Maximum Usable Frequency，MUF）有關(guān)，當(dāng)短波信號(hào)的頻率大于E層的MUF時(shí)，控制點(diǎn)將位于F2層。

2.3?短波通信盲區(qū)分析

短波通信的盲區(qū)范圍根據(jù)地波段的最大通信距離和天波段的跳距確定。天波段跳距的估計(jì)需要綜合考慮天線(xiàn)的輻射特征、輻射仰角、載波頻率等多個(gè)因素[11-12]。地波段的最大通信距離主要考慮接收電臺(tái)的靈敏度。

假設(shè)發(fā)射電臺(tái)的發(fā)射功率為50 dB，收發(fā)端電臺(tái)的天線(xiàn)均為歸一化全向天線(xiàn)，轉(zhuǎn)化增益也歸一化。地波傳播環(huán)境為光滑均勻的陸地環(huán)境（σ=3×10-2 S/m， ε=40），發(fā)射端在南京（118.78° E，32.07° N），接收靈敏度為-125 dB，其他仿真參數(shù)如表1所示。

將ht，hr，f代入式（5），得到Lm關(guān)于D的關(guān)系式;將n代入公式（9）得到Lg，將χ，fH，Φ，i110代入公式（10）得到Li，將n，h，f代入公式（11）～（13）得到Lbf，將Lbf，Lg，Li等代入式（8）得到Lb關(guān)于D的關(guān)系式，分別將Lm，Lb代入公式（3），根據(jù)Pn=Pr/Pt得到如圖3的曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，在不考慮信噪比的情況下，當(dāng)通信距離大于261 km時(shí)，兩個(gè)短波電臺(tái)之間無(wú)法再使用地波傳播方式進(jìn)行通信;收發(fā)電臺(tái)之間能夠使用天波傳播進(jìn)行通信的最小距離（即最小跳距）約為528 km;在261～528 km范圍內(nèi)，地波傳播方式的短波信號(hào)不能夠滿(mǎn)足接收電臺(tái)的靈敏度要求，且天波方式無(wú)法進(jìn)行，可以認(rèn)為這段區(qū)域即是此時(shí)收發(fā)電臺(tái)的通信盲區(qū)。

在圖3的基礎(chǔ)上，圖4進(jìn)一步給出了3～30 MHz范圍內(nèi)不同頻率對(duì)應(yīng)的天波傳播最小跳距，以

及地波傳播中接收功率恰好滿(mǎn)足靈敏度要求的最大傳播距離。由圖可見(jiàn)，盲區(qū)的范圍隨頻率的增大而增大，主要原因在于地波傳播的損耗隨頻率的上升而急劇增大，使得盲區(qū)范圍向發(fā)射端靠近;而天波傳播的最小跳距也因仰角及其對(duì)應(yīng)的MUF的影響隨頻率的上升而略有增大。因此，在短波通信中合理地選擇頻率較低的短波信號(hào)，更有利于獲得較好的通信范圍，提高短波的通信能力。

3?數(shù)值仿真及分析

為了觀測(cè)載波頻率和傳播距離對(duì)短波地波傳播模式下路徑傳播損耗的影響，假設(shè)不考慮噪聲干擾，在表1仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上，給出了頻率分別為7.5 MHz，15 MHz，30 MHz的短波信號(hào)在陸地環(huán)境（σ=3×10-2?S/m， ε=40）下的地波傳播曲線(xiàn)，如圖5所示。由圖可見(jiàn)，地波段的路徑損耗隨著傳播距離增加而增大，距離越遠(yuǎn)，地面吸收引起的損耗現(xiàn)象越明顯。在相同的傳播距離處，載波頻率越高損耗越大，這是由式（5）中f對(duì)Lm的影響決定的。圖中曲線(xiàn)的趨勢(shì)與文獻(xiàn)[13]給出的對(duì)應(yīng)頻率的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)基本一致，說(shuō)明了本文地波傳播損耗估計(jì)方法的有效性。

為了驗(yàn)證短波通信在天波傳播模式下的路徑損耗情況，本文將預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的參考值進(jìn)行對(duì)比。假設(shè)發(fā)射電臺(tái)的經(jīng)緯度為23.0° N，120.3° E，接收電臺(tái)的經(jīng)緯度為29.9° N，126.4° E，通信時(shí)間為2010年5月17日6時(shí)整，其他參數(shù)如表2所示。從圖6可以看出，本文預(yù)測(cè)的天波損耗與文獻(xiàn)[14]給出的參考值基本一致。另外，天波損耗并不是隨頻率的升高而單調(diào)遞增，這是由于頻率的變化改變了反射點(diǎn)的位置，使得虛高h(yuǎn)、傾角Δ以及損耗因子Lf等參數(shù)起伏變化，從而影響了損耗隨頻率的變化趨勢(shì)。因此，使用合適的低頻率短波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較低的天波損耗，從而獲得更好的通信質(zhì)量，這與前文對(duì)盲區(qū)的討論結(jié)果一致。

4?結(jié)論

本文針對(duì)短波通信在不同通信場(chǎng)景下具有不同傳播模式的特點(diǎn)，提出了一種基于分段的短波信道模型，分析了傳播路徑損耗參數(shù)的預(yù)測(cè)方法。對(duì)于地波段，研究了一種基于改進(jìn)的Okumura-Hata模型來(lái)預(yù)測(cè)短波信號(hào)的傳播路徑損耗。對(duì)于天波段，借鑒 ITU標(biāo)準(zhǔn)方法并綜合考慮電離層等因素，提出了一種預(yù)測(cè)天波段傳播損耗的改進(jìn)方法。仿真結(jié)果表明，使用短波電臺(tái)在地波段通信時(shí)，通信距離是主要的制約因素，而在天波段通信時(shí)，通信頻率的選擇對(duì)通信質(zhì)量有較大影響。

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