電離層特性影響下提升短波通信質(zhì)量方法探析

劉 冰 張福寶 武警士官學(xué)校 浙江省杭州市 310000

0 引言

1924年，隨著第一條短波通信線路的建立，短波通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。近年來(lái)，隨著新技術(shù)、新裝備的接連問(wèn)世，短波通信技術(shù)作為保底通信手段，在軍事通信中起到至關(guān)重要的作用，是唯一利用電離層反射進(jìn)行中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，在遂行通信保障任?wù)中不可或缺。而電離層是大氣層中天然形成的，也是短波通信遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的主要媒介，通過(guò)對(duì)電離層特性的深度分析，發(fā)現(xiàn)電離層特性與短波通信的特定規(guī)律，對(duì)提升短波通信信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要。

1 短波通信與電離層的關(guān)系

1.1 短波通信傳輸特性

短波通信主要傳輸方式為天波傳輸和地波傳輸。由于地表對(duì)電磁波有一定吸收作用，加之地波繞射能力較差，有效的傳輸距離有限，因此地波一般只適用于近距離傳輸。而天波傳輸可靠電離層反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，信號(hào)損耗也相對(duì)較少，在傳輸過(guò)程中不需要人造中繼即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

1.2 電離層特性

電離層存在于大氣層當(dāng)中，距離地表約60 km 以上，溫度在180 K到3000 K之間，是地球大氣的一個(gè)重要層區(qū)。主要由于太陽(yáng)輻射、紫外線照射、宇宙射線等作用于地球大氣層，使之分裂生成帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的離子以及中性粒子組成的電離層。

衡量電離層特性最重要的參數(shù)是電子密度，根據(jù)電子密度的分布，電離層劃分如圖1所示，各層電子密度D＜E＜F1＜F2。各層級(jí)的高度會(huì)隨著所處地區(qū)的緯度、季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)黑子活動(dòng)等不同自然因素做出周期性或非周期性的變換。夜晚由于太陽(yáng)電磁輻射降低，D層幾乎消失，E層和F層電子密度也有不同程度的降低。電子密度受太陽(yáng)輻射影響一般規(guī)律為，夏季高于冬季，低緯度高于高緯度，白天高于夜晚。除此之外，電子密度還會(huì)受到高空核試驗(yàn)、核輻射、大功率雷達(dá)輻射等人為因素影響，極易受到干擾。

1.3 電離層特性對(duì)短波通信的影響

電離層屬于一種具有隨機(jī)性、各向異性等特性的半導(dǎo)體介質(zhì)，由于電離層的隨機(jī)性也就注定了短波天波傳輸?shù)臉O不穩(wěn)定性，通常表現(xiàn)在電離層對(duì)電磁波的折射、反射、吸收、衰落等方面。

1.3.1 電離層的折射、反射和吸收

短波使用天波傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)折射和反射的情況，電離層電子密度愈高、短波工作頻率愈低，電離層對(duì)電磁波的折射率和反射率越高［1］。超短波與微波由于頻率較高，一般不會(huì)被電離層反射而直接擊穿。電磁波傳播經(jīng)過(guò)電離層時(shí)，將導(dǎo)致電離層帶電粒子相互碰撞，消耗能量，發(fā)生能量吸收。電離層電子密度越高，電磁波頻率越低，吸收作用則越大，反之亦然。因此，當(dāng)電子密度過(guò)大，信號(hào)頻率過(guò)低時(shí)，接收機(jī)所需最低解調(diào)門(mén)限信噪比不能被滿足，將導(dǎo)致短波通信失敗。

1.3.2 衰落

電離層每時(shí)每刻都在發(fā)生著變化，使得接收端的信號(hào)強(qiáng)度也在發(fā)生著時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，時(shí)有時(shí)無(wú)的變化，產(chǎn)生衰落甚至是失真。即使處于電離層相對(duì)平穩(wěn)的時(shí)期，也不會(huì)接收到穩(wěn)定的信號(hào)。

（1）干涉性衰落

由于電離層不穩(wěn)定的特性，當(dāng)收信方接收到兩路或多個(gè)路徑經(jīng)電離層反射傳來(lái)的信號(hào)時(shí)，相位很難確保一致，便形成衰落。如果各路信號(hào)相位保持一致，則收信方信號(hào)增強(qiáng)，反之則會(huì)削弱信號(hào)。

（2）選擇性衰落

短波通信會(huì)受頻率選擇的高低出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的變化，在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，經(jīng)過(guò)電離層的某個(gè)頻率會(huì)出現(xiàn)明顯衰落［2］。

2 短波通信頻率選擇與電離層特性的匹配規(guī)律

天波靠電離層傳輸信號(hào)時(shí)，頻率選擇相對(duì)復(fù)雜，需結(jié)合電離層特性。工作頻率過(guò)低，短波會(huì)被電離層吸收，無(wú)法達(dá)到信號(hào)的反射要求；若所用頻率大于某一臨界值會(huì)造成穿透電離層的現(xiàn)象。這個(gè)臨界頻率就是最高可用頻率MUF（Maximum Usable Frequency）。一般情況下頻率選擇應(yīng)符合以下規(guī)律：遠(yuǎn)距離通信相比于近距離通信時(shí)所使用的頻率更高，白晝相比于黑夜所使用的頻率更高，酷暑季節(jié)相比于寒冬季節(jié)所使用的頻率更高，低緯度地區(qū)在選頻時(shí)一般高于高緯度地區(qū)，當(dāng)進(jìn)行較遠(yuǎn)距離通信且通信方向?yàn)闁|西走向時(shí)，由于受地球自西向東自轉(zhuǎn)影響，一般采用不同的收發(fā)頻率以保證通信質(zhì)量。如果當(dāng)前頻率通聯(lián)效果不理想，可以根據(jù)電離層特性的一般規(guī)律進(jìn)行改頻：臨近太陽(yáng)初升，如果通信質(zhì)量變差，可根據(jù)晝高夜低的規(guī)律適當(dāng)將頻率調(diào)高；臨近日落時(shí)分，如果通信質(zhì)量變差，可適當(dāng)將頻率調(diào)低；傍晚時(shí)分，如果信號(hào)逐漸增強(qiáng)，之后又突然中斷，可將頻率適當(dāng)調(diào)低；當(dāng)太陽(yáng)磁暴發(fā)生時(shí)，所使用的頻率一般要低于平時(shí)所用頻率。短波在進(jìn)行天波傳輸時(shí)，所選用頻率要與電離層特性密切匹配，需結(jié)合實(shí)際經(jīng)常變換頻率以保證通信質(zhì)量。

3 改善短波天波傳輸時(shí)信號(hào)質(zhì)量與穩(wěn)定性的方法

3.1 短波天線選擇

短波通信質(zhì)量的好壞與所選用天線及天線架設(shè)方式有很大關(guān)系［3］。選用天線的尺寸一般為所發(fā)射頻率波長(zhǎng)的二分之一，短波所使用的頻段范圍較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此所使用的天線尺寸較大。在進(jìn)行天波傳輸時(shí)要選用相對(duì)應(yīng)的天波天線。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)，不僅要考慮天線架設(shè)高度，天線架設(shè)的角度也尤為重要，通過(guò)改變天線的角度，調(diào)整天線仰角，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。在定向通信時(shí)，要考慮天線架設(shè)的方位，應(yīng)與通信方向一致，確保發(fā)揮最大效能。除此之外，架設(shè)天線時(shí)還需要考慮周邊的地形以及有無(wú)較大物體遮擋，一般選在視野開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行架設(shè)。

3.2 短波頻率預(yù)測(cè)

短波頻率預(yù)測(cè)可分為長(zhǎng)期預(yù)測(cè)與短期預(yù)測(cè)，主要是根據(jù)太陽(yáng)黑子預(yù)報(bào)值、通信雙方所處地理位置（經(jīng)緯度）以及通信設(shè)備功率等參數(shù)，結(jié)合電離層特性進(jìn)行預(yù)測(cè)［4］。詳見(jiàn)表1，除通信距離外，在數(shù)據(jù)傳播時(shí)多徑效應(yīng)帶來(lái)的干擾程度與通信線路選擇的頻率也密切相關(guān)。由于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)推算出的最高可用頻率，沒(méi)有將隨時(shí)間變化的參量計(jì)算進(jìn)去，事實(shí)上也幾乎不可能將隨時(shí)間變化的乘性干擾進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，因此長(zhǎng)期預(yù)測(cè)只能確定一個(gè)大概的頻率范圍，有助于在頻率選擇時(shí)排除低質(zhì)量頻率。為提升頻率預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度，在實(shí)際運(yùn)用中一般采用長(zhǎng)期預(yù)測(cè)與短期預(yù)測(cè)相結(jié)合的方式，首先使用長(zhǎng)期預(yù)測(cè)推算出可用頻率范圍，之后結(jié)合短期預(yù)測(cè)在該頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)選頻。

表1 長(zhǎng)期預(yù)測(cè)與短期預(yù)測(cè)對(duì)比分析

3.3 RTCE探測(cè)技術(shù)

RTCE（Real-Time Channel Evaluation）實(shí)時(shí)信道估值，又稱為鏈路質(zhì)量分析LQA（Link Quality Analysis）［5］。RTCE的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)地分析到達(dá)接收端的信號(hào)，而電離層的具體變化和結(jié)構(gòu)特性對(duì)其影響較小，能夠反映信息質(zhì)量的參數(shù)主要有：信號(hào)能量、信噪比、誤碼率、多普勒頻移、衰落特征等指標(biāo)。因此，RTCE技術(shù)是在通信線路的各個(gè)信道上做出實(shí)時(shí)信道檢測(cè)，發(fā)出的探測(cè)信號(hào)和對(duì)信道的測(cè)量是在給各個(gè)信道進(jìn)行打分排序，從而能夠選出最佳的工作頻率。綜上，RTCE是在各個(gè)通信線路上進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，比依靠大量歷史數(shù)據(jù)尋找規(guī)律的頻率預(yù)測(cè)法更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)前新型通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，短波這一傳統(tǒng)的通信手段面臨著巨大的挑戰(zhàn)，短波通信的技術(shù)手段更新迭代，改善短波通信信號(hào)質(zhì)量變得尤為重要。下一步改善短波天波傳輸時(shí)的信號(hào)質(zhì)量與穩(wěn)定性亟須解決，安全性和可靠性有待進(jìn)一步提升。因此，分析電離層特性對(duì)短波通信的影響因素，總結(jié)和發(fā)現(xiàn)短波通信頻率選擇與電離層特性的匹配規(guī)律，為今后提升短波通信質(zhì)量提供了重要依據(jù)。