短波通信傳播路徑損耗分段預(yù)測方法

作者簡介：王志顯（1987—），男，本科，助理工程師，研究方向為短波通信。

摘要：在短波通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展中，傳播路徑的損耗問題一直有待進(jìn)一步解決。此類問題的存在不僅會對短波通信造成一定程度的干擾，同時也會對短波電臺的通信造成了很大程度上的不良影響，使其在相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域中難以發(fā)揮出理想的應(yīng)用效果。為實現(xiàn)損耗情況的準(zhǔn)確預(yù)測，并為其損耗問題的合理解決提供科學(xué)參考，本文特對其傳輸路徑損耗分段預(yù)測進(jìn)行分析，以此來實現(xiàn)損耗的科學(xué)預(yù)測，為短波通信質(zhì)量提升奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：短波通信? 傳播路徑? 傳播損耗? 分段預(yù)測

中圖分類號：TN925

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-7753

由于短波通信環(huán)境比較復(fù)雜，加之電離層會對其產(chǎn)生較大干擾，所以在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，傳輸路徑損耗問題也比較嚴(yán)重。為有效避免該類問題，一項關(guān)鍵措施就是做好其傳輸損耗的分段預(yù)測，包括地波段損耗、天波段損耗及通信盲區(qū)預(yù)測。這樣才可以對其在各個路徑中的傳輸損耗情況做到科學(xué)掌握，為其后續(xù)的優(yōu)化調(diào)整提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1短波通信概述

1.1 短波通信技術(shù)

短波通信技術(shù)就是讓發(fā)射出去的電波從電離層經(jīng)過，然后再反射到接收設(shè)備中的一種通信技術(shù)形式。其中，短波的波長為10～100m，頻率為3～30MHz，具體應(yīng)用中，為使其近距離通信優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，通常會將其頻率控制在1.5～30MHz。

1.2 短波通信技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

在短波通信技術(shù)的具體應(yīng)用中，其主要優(yōu)勢包括以下的幾個方面。第一，短波屬于唯一無法用有源中繼體和網(wǎng)絡(luò)樞紐進(jìn)行制約的一種遠(yuǎn)程通信方式，在戰(zhàn)爭、災(zāi)難等情況下，即使是衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)都遭到了破壞，短波通信技術(shù)依然可以正常使用[1]。第二，在一些其他信號無法覆蓋到的范圍內(nèi)，如海洋、戈壁和偏遠(yuǎn)山區(qū)等，短波通信技術(shù)依然適用。第三，相比較衛(wèi)星通信和網(wǎng)絡(luò)通信而言，短波通信不需要進(jìn)行相應(yīng)的費用支付，所以其運行成本也更加低廉。

2 短波通信信道模型建立

在短波通信過程中，其地波信號主要沿著地球表面進(jìn)行傳播，氣候因素不會對其產(chǎn)生影響，所以其傳播效果也較為穩(wěn)定，但是地面環(huán)境會對其傳播距離產(chǎn)生一定的限制作用;天波信號主要通過電離層反射，之后再被接收端接收，因電離層對其具有較大影響，所以其穩(wěn)定性比較差;除此之外，在天波傳輸中，其最小傳播距離叫作跳距，如果地波傳播中達(dá)到的距離最大值比這個跳距小，便會形成一段短波信號不能到達(dá)的區(qū)域，稱之為盲區(qū)[2]。

具體的分段損耗預(yù)測中，為了讓描述更加簡便，可統(tǒng)一按照以下形式對短波通信進(jìn)行建模：

其中，代表統(tǒng)一短波信道;t代表傳播時間;代表總時延;N代表可分辨的多徑簇數(shù)量;代表傳播路徑增益值，它是接收功率Pr與發(fā)射功率Pt之間的比值;代表信道中的各項衰落因子，包括損耗、多徑衰落及陰影衰落等;代表各個簇路徑中的時延。

如果需要對收發(fā)天線中的增益因素加以考慮，則可通過以下公式對傳播路徑增益值進(jìn)行定義：

其中，L代表傳播中的路徑損耗;代表發(fā)射天線增益值;代表接收天線增益值。

為便于表述，可將該公式改寫成以下的dB形式：

其中，還可以進(jìn)一步進(jìn)行分段擴建：

代表地波段路徑中的傳播損耗;其主要影響因素是信號頻率以及地面環(huán)境;代表的是天波段路徑中的傳播損耗，其主要影響因素是電離層中的信號反射點位置。

3 短波通信傳輸中的路徑損耗分段預(yù)測分析

3.1 在地波段傳播中的損耗預(yù)測

在對上述模型進(jìn)行改進(jìn)之后，結(jié)合短波通信的地波傳播參數(shù)，可通過以下方式來計算地波段路徑中的短波傳播損耗：

其中，f代表信號頻率;代表發(fā)送天線自身的有效高度值;D代表收發(fā)電臺間大圓距離;代表接收天線高度的修正量;A代表能量衰變因子，其計算公式為：

其中，x代表與傳輸距離、傳輸環(huán)境具有關(guān)聯(lián)性的輔助參量。

另外，為實現(xiàn)短波通信適用范圍的進(jìn)一步擴大，使其達(dá)到20km及以上，則可以按照以下公式對做進(jìn)一步的修正：

其中，代表階躍函數(shù);代表輔助參量，其計算公式如下：

通過這樣的方式，便可對短波通信在地波段傳播中的損耗進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。

3.2在天波段傳播中的損耗預(yù)測

相比較地波段而言，天波段具有較為復(fù)雜的路徑傳播損耗情況，所以在預(yù)測中需要考慮到更多方面的因素，其計算公式如下：

其中，代表短波在天波段中的傳播損耗;代表需要考慮到的極光以及其他形式的信號損耗因子;代表中間反射點位置地面反射中的消耗總和，其計算公式為：

其中，n代表短波信號在天波段傳播中的跳數(shù);

代表電離層所吸收掉的消耗，本次預(yù)測中，主要通過以下的公式來對其進(jìn)行計算：

其中，代表太陽黑子數(shù)在十二個月中的平均滑動值;i110代表110km短波信號在位置的入射角;代表太陽天頂角，;

代表短波在自然空間內(nèi)的傳播損耗率，其公式如下：

其中，P代表短波的實際傳播路徑長度，其計算公式為：

其中，代表仰角，其表示公式如下：

其中，代表地球半徑，h代表反射虛高;其具體數(shù)值需要按照短波反射點的具體位置來進(jìn)行確定。

如果按照從低到高的順序?qū)﹄婋x層進(jìn)行劃分，則可以將其分成D、E、F這3層，其中的F層又可以按照F1及F2來進(jìn)行劃分。如果短波反射點處于E層，h的取值是110km;如果反射點處于F2層，h的取值將會復(fù)雜一些，具體取值中，需要將以及之間的比值、收發(fā)電臺間大圓距離D以及跳距作為主要依據(jù)來進(jìn)行預(yù)測。而在實際的短波天波段損耗預(yù)測中，反射點位置通常和E層可用頻率最高值之間具有很大的關(guān)聯(lián)性，如果短波信號頻率比E層中的MUF高，其反射點便處在F2層[3]。

代表f比MUF大時的傳播損耗，其公式為：

通過這樣的方式，便可對短波通信過程中天波段傳播損耗做到科學(xué)預(yù)測。

3.3 短波通信傳播中的盲區(qū)確定

在對短波通信過程中的盲區(qū)范圍進(jìn)行確定時，需要將地波通信最大距離及天波跳距作為依據(jù)。在對天波段傳播進(jìn)行跳距估算的過程中，需要對天線所具有的輻射特征、載波頻率及輻射仰角等的多方面因素加以綜合考慮;在對地波段中的通信距離最大值進(jìn)行估算時，需要對接收電臺所具有的靈敏度加以重點考慮[4]。

假設(shè)某發(fā)射電臺的短波發(fā)射功率是50dB，發(fā)射端與接收端的所有天線都屬于全向歸一化天線，其轉(zhuǎn)化增益也都屬于歸一化;地波段的短波傳播環(huán)境屬于均勻光滑的陸地，其取值為3×10-2S/m;取值為40;發(fā)射端所在位置是118.78°E、32.07°N，電臺接收靈敏度是-125dB，該短波發(fā)射電臺的仿真參數(shù)情況如表1所示。

將這些參數(shù)帶入到上述相應(yīng)的計算公式中，便可實現(xiàn)各種傳播損耗的預(yù)算，并將作為依據(jù)。

通過分析可知，在不對信噪比加以考慮的條件下，如果短波通信距離達(dá)到了261km以上，則兩個短波電臺并不能通過地波傳播來實現(xiàn)通信。發(fā)射臺和接收臺之間可借助于天波傳輸?shù)姆绞絹磉M(jìn)行通信，其最小跳距在528km左右。由此可見，在通信距離是261～528km的這一范圍內(nèi)，地波傳輸無法讓短波信號滿足接收電臺的實際靈敏度要求，同時，天波傳播的方式也不能進(jìn)行，因此我們可將這一范圍看作是這個短波收發(fā)電臺中的通信盲區(qū)[5]。

將短波通信有效范圍曲線圖作為基礎(chǔ)，本次研究中，進(jìn)一步繪制出了頻率在3～30MHz條件下，短波在天波傳播中的最小跳距，圖1是這一頻率范圍內(nèi)的短波有效通信范圍和頻率之間的關(guān)系圖像。

根據(jù)上述圖像，結(jié)合進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，在短波通信中，隨著頻率的加大，其盲區(qū)范圍也呈現(xiàn)出了逐漸增加的趨勢。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為盲區(qū)范圍會隨著地波傳播過程中的損耗頻率增加而擴大，這樣就會讓盲區(qū)的范圍逐漸靠近短波發(fā)射端[6]。而在此過程中，天線的最小傳播跳距也會在MUF及仰角影響下隨著頻率的增加而略呈現(xiàn)出增大的趨勢。

由此可見，在短波通信技術(shù)的具體應(yīng)用中，通過低頻短波信號的適當(dāng)選用，便可獲得更好的短波通信范圍，以此來實現(xiàn)其通信能力的有效提升。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)傳播損耗的有效降低，相關(guān)單位與技術(shù)人員一定要通過科學(xué)、合理的方法來做好其傳播分段損耗預(yù)算，然后以此為依據(jù)，通過合理的措施來降低其傳播損耗，這樣才可以讓短波通信質(zhì)量得到良好保障，發(fā)揮出此項技術(shù)的充分優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]韓曉.海上超短波通信距離的影響因素分析[J].電子世界，2021（14）：59-60.

[2]惠蕙.基于SDR的超短波無線信道模擬器的研究與設(shè)計[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2021.

[3]魏文勇，王太峰.短波通信天饋系統(tǒng)工程設(shè)計研究[J].江蘇通信，2020（5）：31-34.

[4]羅俞坤.探究超短波通信距離的主要影響因素[J].中國新通信，2020（15）：21.

[5]貢煜杰.短波通信自適應(yīng)處理技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[6]王琨，孟祥欣，潘強，等.基于屏蔽室的武器系統(tǒng)超短波通信距離評估方法[J/OL].火炮發(fā)射與控制學(xué)報：1-5[2022-01-12].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1280.TJ.20210713.1123.004.html.