海上超短波超視距對(duì)流層散射信道模型研究

張洋 毛忠陽(yáng) 劉錫國(guó) 趙志勇 張嵩

（海軍航空大學(xué), 煙臺(tái) 264001）

引 言

目前超短波通信的視距通信特性逐漸成為制約海上遠(yuǎn)距離通信、救援等能力的瓶頸之一. 傳統(tǒng)的超視距采用短波方式，容易受到大氣噪聲、多徑、折射率變化等因素影響. 而隨著海上通信形式的多元化、任務(wù)的多樣化，具備超視距能力的超短波信道通信將發(fā)揮更大的作用.

現(xiàn)有主要超視距通信方式缺點(diǎn)有：短波通信，視距至200 km 超視距存在范圍盲區(qū)；受電離層影響，不穩(wěn)定；衛(wèi)星通信，有雨衰等現(xiàn)象，易受天氣影響，且衛(wèi)星資源有限、綜合使用成本高. 而超短波通信形式具有穩(wěn)定、通信質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)，研究具有超視距能力的超短波通信形式至關(guān)重要.

目前超短波的超視距通信主要分為兩種：一種是對(duì)流層散射通信，一種是大氣波導(dǎo)通信[1-5]. 大氣波導(dǎo)通信是指由于超短波在近海面中傳播受到大氣折射的影響，導(dǎo)致其傳播軌跡彎向海面，當(dāng)彎曲曲率超過(guò)地球表面曲率時(shí)，部分電磁波會(huì)陷獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，就像電磁波在金屬導(dǎo)管中傳播一樣，形成了大氣波導(dǎo)傳播，通常發(fā)生在超短波較高頻段或微波頻段. 對(duì)流層散射通信是一種利用無(wú)線電波被對(duì)流層中不均勻性的傳播介質(zhì)作用而發(fā)生散射進(jìn)行通信的方式，通常發(fā)生在超短波、微波波段. 對(duì)于散射通信來(lái)講，其單跳的傳輸距離遠(yuǎn)，通信質(zhì)量、容量、可靠度和安全系數(shù)較高且不易被監(jiān)測(cè). 因此，對(duì)流層散射通信在無(wú)線通信系統(tǒng)中有著非常重要的地位，對(duì)流層散射信道也被廣泛地研究利用.

海上大氣湍流的非相干散射機(jī)制形成的對(duì)流層散射傳輸可一定程度上改變標(biāo)準(zhǔn)大氣中的電波傳輸特點(diǎn)，從而形成超視距傳輸. 其對(duì)應(yīng)的對(duì)流層散射計(jì)算方法即拋物方程法于1993 年由Hitney 提出[6].

海上超短波超視距的傳輸特性是具有對(duì)流層湍流非相干散射和大氣波導(dǎo)兩種機(jī)制，兩者可以共存，共同發(fā)揮超視距傳播的作用. 但由于作用區(qū)域的不同，陷獲性能的強(qiáng)弱，不同情況下有不同的影響，本文主要考察的是海上直升機(jī)超短波較低頻段、大仰角狀態(tài)下的傳輸，大氣波導(dǎo)超視距傳輸可能性較小，以對(duì)流層散射為主導(dǎo)；此外，大氣波導(dǎo)在產(chǎn)生大氣多徑傳播中扮演很重要的角色. 在大氣波導(dǎo)的內(nèi)部，將會(huì)出現(xiàn)超短波信號(hào)的多徑傳播現(xiàn)象，從而引起多徑衰落，這種衰落不可忽略，會(huì)對(duì)海上散射信道產(chǎn)生影響.

本文對(duì)對(duì)流層散射傳播機(jī)制進(jìn)行了討論，著重對(duì)對(duì)流層散射傳播的損耗特性和衰落特性進(jìn)行研究，進(jìn)而分析出對(duì)流層散射傳播信道模型服從Rayleigh 分布，并根據(jù)Rayleigh 分布的特點(diǎn)，仿真出適用于對(duì)流層散射的Clarke 和Jakes 信道模型.

1 對(duì)流層散射通信關(guān)鍵技術(shù)

超短波、微波頻段均有對(duì)流層散射超視距傳播現(xiàn)象，是20 世紀(jì)30 年代偶然觀察到的. 二戰(zhàn)時(shí)，雷達(dá)應(yīng)用大功率、大天線、高性能接收機(jī)，經(jīng)常觀察到超視距傳播現(xiàn)象. 二戰(zhàn)后，兩大需求推動(dòng)對(duì)流層散射理論發(fā)展，一是高質(zhì)量、高可靠度戰(zhàn)略預(yù)警通信需求，二是抑制大功率散射系統(tǒng)對(duì)電視等干擾需求. 而現(xiàn)今的散射理論經(jīng)過(guò)二戰(zhàn)后六七十年的發(fā)展，形成了四種主要理論：湍流非相干散射、不規(guī)則層非相干反射、穩(wěn)定層相干反射、廣義散射理論. 湍流非相干是以偶極子作為散射體的傳輸方式，特點(diǎn)是隨機(jī)不相關(guān)；不規(guī)則層非相干是通過(guò)銳變層進(jìn)行散射傳輸?shù)姆绞?，特征是層間的電器特性不相關(guān)；穩(wěn)定層相干是介電常數(shù)隨高度穩(wěn)定變化的散射傳輸方式，接收?qǐng)鰹橄喔莎B加. 而在實(shí)際的對(duì)流層介質(zhì)結(jié)構(gòu)中，既有相對(duì)穩(wěn)定的成份，也有隨機(jī)變動(dòng)的成份；既有漸變層結(jié)構(gòu)，也有銳變層結(jié)構(gòu)，還有湍流結(jié)構(gòu)，三種機(jī)制都是存在的，三者共同作用形成廣義散射理論.

已有的散射系統(tǒng)適用的對(duì)流層散射頻率為100 MHz～20 GHz. 500 MHz 以下，主要是靠穩(wěn)定層相干反射和不規(guī)則層非相干反射，隨著頻率的降低，穩(wěn)定層相干反射占主要作用；500 MHz 以上，兼有湍流非相干散射和不規(guī)則層非相干反射作用，隨著頻率的增加，湍流非相干散射占主導(dǎo)作用. 總體來(lái)說(shuō)，工作頻率越高，散射鏈路損耗越大. 天線離海面高度在30 個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)時(shí)，高度越低，損耗越大.

2 對(duì)流層散射損耗特性

對(duì)流層的散射損耗是一個(gè)隨機(jī)的變量，受很多因素影響，比如：超短波信號(hào)傳播過(guò)程中的損耗與收發(fā)天線距離及信號(hào)的頻率有關(guān)，同樣在對(duì)流層散射信道中超短波信號(hào)的傳播損耗也與通信距離和頻率有關(guān).

2.1 傳播損耗與距離的關(guān)系

通過(guò)對(duì)積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)距離對(duì)散射傳播[6-8]損耗的影響最大. 分析發(fā)現(xiàn)，距離對(duì)散射傳播損耗的影響最大. 在收發(fā)臺(tái)站距離為100～400 km范圍內(nèi)，距離每增加l km，傳播損耗就增加0.08 dB，可用式(1)對(duì)損耗中值進(jìn)行估算[2,7-8]：

式中，d為收發(fā)臺(tái)站距離.

而當(dāng)距離超過(guò)500 km 時(shí)，散射傳播損耗受距離的影響減小了. 即隨距離增大，損耗值增加值減小；且距離愈長(zhǎng)，損耗的增加值愈小.

因此，在實(shí)際的使用中，需要盡量地減小散射角，以保證在通信過(guò)程中單跳距離盡可能大. 目前單跳通?？蛇_(dá)500～600 km，最遠(yuǎn)超過(guò)1 000 km，實(shí)際可用的一般為300 km 左右. 如果還需要增加通信距離，則需要使用中繼站來(lái)進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳輸. 此外，不同情況下信號(hào)傳播同樣的距離，地形和氣候條件對(duì)傳播損耗的影響也不可忽視. 因此，信號(hào)傳播損耗和距離的關(guān)系受到無(wú)線信道中其他因素的影響，各種情況下很難得到統(tǒng)一的關(guān)系式.

2.2 傳播損耗與頻率的關(guān)系

在散射方向性圖中，由于散射過(guò)程中存在前向散射情況，接收點(diǎn)一般是位于半功率角之外. 頻率變高，散射體的輻射方向圖會(huì)變得尖銳，散射能量更少地到達(dá)接收點(diǎn)處，導(dǎo)致傳輸損耗增大.

3 對(duì)流層散射通信模型仿真分析

超短波在對(duì)流層散射過(guò)程中存在多徑傳播的影響，即對(duì)流層的散射信號(hào)在接收點(diǎn)處的振幅服從Rayleigh 分布. 根據(jù)物理模型、數(shù)學(xué)模型、仿真模型建立的遞進(jìn)關(guān)系，建立 C larke 模型和 J akes模型.

仿真綜合考慮了海面粗糙度、對(duì)流層懸空波導(dǎo)的影響，還包括海面物體對(duì)信號(hào)傳播多徑衰落的影響. 具體參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[10]提供的華為公司在福建漳州進(jìn)行的海面信號(hào)測(cè)試結(jié)果，發(fā)射天線高度為200 m，發(fā)射功率為85 W， 接收天線高度為3 m，通信距離為10～40 km，間隔1 km 進(jìn)行測(cè)試. 氣候類型為亞熱帶海洋性氣候，地形為水面，海水介電常數(shù)為81，海水電導(dǎo)率為5 S/m，折射率為320，載波頻率為100～300 MHz，多普勒頻移為2～10 Hz.

3.1 Clarke 模型仿真分析

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)[6-13]研究，結(jié)合海面粗糙度、對(duì)流層波導(dǎo)、海面物體對(duì)信號(hào)傳播的多徑衰落服從Rayleigh 衰落特性，而 Clarke信道模型是一種用于描述Rayleigh 衰落的數(shù)學(xué)信道模型，稱之為信道的物理模型，更易于計(jì)算機(jī)仿真，統(tǒng)計(jì)其移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng).

假設(shè)接收機(jī)體以速度v沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，其接收到的信號(hào)是平面波. 根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向，在x-y平面內(nèi)確定平面波入射角. 由于接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)，每條路徑的信號(hào)都經(jīng)過(guò)了多普勒頻移，且每個(gè)路徑的信號(hào)在同一時(shí)間內(nèi)到達(dá)接收機(jī)，沒(méi)有附加時(shí)延. 設(shè)第i條路徑中的平面波到達(dá)接收機(jī)時(shí)與x軸 的夾角為 αi，則其多普勒頻移為

利用Matlab 仿真得到的Clarke 模型包絡(luò)及相角分布如圖1 所示，橫坐標(biāo)采樣點(diǎn)數(shù)單位為兆采樣每秒(MSPS). 可以看出，仿真出來(lái)的信道包絡(luò)服從Rayleigh 分布，信道相角服從均勻分布，仿真結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo).

圖1 Clarke 模型仿真結(jié)果Fig. 1 Clarke model simulation results

3.2 Jakes 模型仿真分析

Jakes 模型中發(fā)射機(jī)發(fā)射的是垂直極化波，但發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在著無(wú)數(shù)條路徑，每條路徑都使用多個(gè)正弦波和余弦波疊加來(lái)模擬.

假設(shè)路徑數(shù)為n，接收機(jī)接收到的平面波在接收點(diǎn)處疊加：

圖2 是Jakes 模型的仿真結(jié)果. 可以看出，由于其模型的自相關(guān)系數(shù)逐漸趨近于0(圖2(c))，結(jié)合模型時(shí)域特點(diǎn)(圖2(a)、(b))和中心極限定理[13]，信號(hào)疊加的包絡(luò)與相角概率密度也會(huì)同樣滿足Rayleigh 分布和均勻分布，符合多徑快衰落的特點(diǎn).

圖2 Jakes 模型仿真結(jié)果Fig. 2 Jakes model simulation results

3.3 Rayleigh 模型通信仿真分析

產(chǎn)生一個(gè)基帶信號(hào)，采用QPSK 調(diào)制方式產(chǎn)生超短波通信信號(hào)，通過(guò)Rayleigh 信道仿真，結(jié)果如圖3所示.圖4 所示為QPSK 系統(tǒng)在Rayleigh 信道下的誤碼率. 可以看出，Clarke 模型和Jakes 模型的誤碼率與Rayleigh 理論信道模型的誤碼率一致. Rayleigh 信道模型是基于快衰落的模型，而Clarke和Jakes 信道模型是散射模型，其誤碼率本應(yīng)產(chǎn)生變化. 但由于Clarke 模型和Jakes 模型為基于Rayleigh 的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，兩種散射模型的包絡(luò)服從Rayleigh 分布，相角服從均勻分布，是對(duì)Rayleigh 信道更深層次的仿真，其誤碼率是幾乎一致的.

圖3 基帶信號(hào)波形及其功率譜Fig. 3 Baseband signal waveform and its power

圖4 QPSK 系統(tǒng)在Rayleigh 信道下的誤碼率Fig. 4 Bit error rate of QPSK system in Rayleigh channel

4 結(jié) 論

本文建立了對(duì)流層散射的Clarke 和Jakes 信道模型，并對(duì)兩種模型包絡(luò)、相角進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，兩種信號(hào)模型均符合Rayleigh 分布. 實(shí)際中，Jakes 模型是Clarke 模型的一個(gè)優(yōu)化版本，Clarke模型要求路徑數(shù)量足夠大，才能保證其統(tǒng)計(jì)特性，這對(duì)于系統(tǒng)而言仿真代價(jià)太大. Jakes 模型將各個(gè)路徑信號(hào)的幅度衰減、多普勒頻移和入射波的方向給以確定的數(shù)值，從而在Clarke 模型的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了運(yùn)算量，可為超短波超視距通信發(fā)展提供重要的借鑒.