陆基链式超短波监测网布站仿真测算*

马子健

(国家无线电监测中心，北京 100037)

1 引言

随着国民经济的不断发展和无线电技术应用领域的扩充，各类无线电应用对无线电频谱资源的需求不断扩大［1－3］。无线电用户(含无线电设备，以下统称用户)活动范围的增加使得其在运动的过程中可能大量地使用和依赖频谱资源。部分用户甚至将无线电通信系统作为关键甚至唯一的通信控制单元［4－5］。目前，一些突发无线电干扰，轻则造成高速运动中的用户无线电通信中断，系统运行效率下降，重则威胁用户的安全运行。但是，目前建设的超短波无线电监测网主要面向城域覆盖，城市覆盖率仅有15%，难以完全覆盖这些移动线路区域［6］。近年来，为解决这一问题，国家无线电管理机构先后颁布了建立民航和铁路专用无线电频率保护机制的政策，专用无线电监测系统也在研究当中。因此，无线电管理技术部门可以针对用户的活动特征，设计一套能够快速发现和定位沿线干扰源的监测系统，以实现干扰排查，并及时通知沿线的移动用户。

针对这一考虑，在用户运动路径沿线布置的链式无线电监测网是一个可供选择的方案。目前，用户使用的频段以超短波频段为主。因此，链式超短波无线电监测网的设计就具有了一定的普遍性，可以通过布站距离的仿真测算，为这种新型网络提供设计依据。本文将探讨这一监测网的特点，并确定理想条件下的仿真传播模型，结合目前实际线路的典型值确定仿真参数，从而计算监测站的理论布站距离。

2 陆基链式超短波监测网的概念及特点

2.1 概念

陆基链式超短波监测网(以下简称链式监测网)是一种基于用户运动沿线周围布置的，以监测用户使用的无线电信号、评估线路周边相关电磁环境、有效判定干扰为目标的VHF/UHF频段地面无线电监测网络。这一网络由若干布置在地面的固定、移动或其他形式的监测站(设施)和信息处理中心组成，并经过有线或无线方式实时传输监测信息，将原始信息反馈至用户(设备)和无线电管理部门，以保障其安全使用。

2.2 特点

链式监测网在信息监测传输时体现了3个特点:实时性、全覆盖和智能性。

(1)实时性。链式监测网的首要目标是实时反映其运动沿线的电磁环境状况。一些用户(设备)在运动过程中需要依赖无线电频谱资源实现数据交换、定位和动态控制，如果出现同频等干扰［7］，可能会立即引起通信中断。因此，必须在极短时间内通知在线路上运动的用户，避免出现安全事故。同时，无线电管理部门要启动排查程序，尽快消除干扰。

(2)全覆盖。用户在沿线运动的过程中，沿线地貌变化很大，既有的无线电监测站往往不能覆盖偏远地区，一些距离线路近但是距离监测站较远的干扰源往往不容易被发现。高速移动中的无线电用户(设备)对电磁环境的要求较高，在这些地区发生干扰后用户必须能够及时收到前方的干扰信息，以便采取保护措施，而监测站也应将干扰信息判定及时发送给沿线的用户。当用户以较高的速度在线路上运动时，这种需求就变得更为迫切。

(3)智能性。链式监测网应在区间内单站或多站发现电磁环境参数发生异常或有突发干扰时，及时联通区域内的其他无线电监测网络和设施，共同定位干扰源区域。这将极大地提高干扰排查效率。

3 链式监测网的布站仿真测算方法

为使监测站的布置更加具有可操作性，我们建立了模型和理论公式，并设置了仿真条件，对链式监测网的布站距离进行测算。通过计算电波传播损耗，结合监测接收机灵敏度要求，可以得出在符合一定灵敏度要求下的布站距离。为此，本文选取了日常监测工作中最常用的传播模型进行仿真，设置不同的传播距离，按照自由空间、城市、郊区、开阔地的不同条件计算出不同的接收灵敏度值，以此得出理想状态下直线线路监测站布站距离的结论。

3.1 仿真测算模型示意

用户在线路上运动的过程中，会利用沿线布置的专用通信基站完成无线电信息传输。这些无线电波可能受到来自周边相近频段的已知类型的干扰，也可能受到其他不可预知的干扰。监测站布置在线路周围，可以最大限度地获悉线路周边的电磁环境参数，以判定干扰源。链式监测网布站示意图如图1所示。

图1 链式监测站仿真模型示意图Fig.1 Simulation model diagram of chain monitoring stations

3.2 仿真测算模型

为尽可能合理地仿真链式监测网的布站，我们采用直射波公式和ITU－R P.1546建议书的模型计算监测基站覆盖范围，通过电波传播半径、接收机最小灵敏度计算来确定布站距离范围。在实际工作中，这些模型也作为理论计算的典型参考模型。需要指出的是，该模型是理想状态的，因此算出的布站距离是该系统布站距离的最大值。由于真实线路周边会有遮挡物等，实际布站距离会因线路条件不同而比该值小。

3.2.1 直射波计算公式

直射波传播距离公式［8］为

其中，R为直射波最大传输半径(单位 km)，h1、h2分别为发射、接收天线高度(单位m)。该公式用以计算单个监测站覆盖的最大理论范围。

3.2.2 损耗模型

本模型用以计算监测系统的最小接收电平(平均功率)值。

根据 ITU R.1546 建议书［9］，电波传播的损耗与发射功率、发射频率、传播距离、接收端系统增益有直接关系。为此，我们采用了典型自由空间损耗公式和Okumura－Hata模型对传输的理论距离进行测算。

自由空间损耗［10］公式:

式中，Pr为接收端功率(dBm)，Pt为发射点全向等效辐射功率(dBm)，f为发射频率(MHz)，d为发射与接收点距离(km)，Gr为接收端系统增益(dBi)，E为1 kW等效辐射功率的接收点场强值(dBμV/m)，h1为用户天线高度(m)，h2为监测站天线有效高度(m)，a为移动台天线高度因子(dB)，b为距离d折算系数，ke为天线因子(dBm－1)。需要指明的是，公式(4)是在城市环境(市区)下折算的场强值，如在郊区和开阔地，需折算与市区的损耗差值，得出郊区和开阔地的接收点场强值，具体计算公式［10－11］如下:

3.3 仿真条件的选取

用户在地面线路上运动，其依赖的通信基站高度一般距离线路较近。根据实际情况，用户设置的基站高度一般在距地面35 m以下［12］。而监测站天线的高度要综合考虑接收高度、布站半径等多个因素，其天线高度通常也设置在这一范围内。因此，在本仿真中，我们将专用基站的天线高度设置为线路高30m，用户的天线高度设置为距线路高5 m，监测天线距离地面高度设置为10m、20m、30m 3类。

在监测天线增益值的选取上，实际的监测站既有高增益天线，也有无增益天线。高增益天线会提高监测系统的灵敏度，增加布站距离。考虑到比较恶劣的情况，我们将天线增益值设为0。

在频段的选取上，目前高速移动用户的主要应用频段在900MHz，而干扰源频段一般分布在150～1000MHz之间。在本仿真中，取200MHz和900MHz作为典型计算值。根据实际监测情况，这类用户所使用的单频带宽一般不会超过200kHz，故选取200kHz作为典型单频带宽。由此给出仿真条件设置，具体如表1所列。

表1 仿真条件参数表Table 1 Simulation parameters

4 仿真测算

4.1 仿真线路条件

在线路上运动的用户，当其运动设定速度越高时，线路区段的曲线半径越大。一些专用基站的布站距离较小，与线路曲线半径相比可近似认为是直线，故在本仿真中线路条件按照直线区段进行仿真。

4.2 仿真结论

4.2.1 自由空间损耗仿真值

根据上述仿真条件设置，将各项仿真数据代入入式(1)，可得链式监测站的自由空间损耗理论布站(覆盖)半径为18～45 km，取条件最恶劣的情况，可得监测站自由空间损耗理论布站半径为18～31 km，具体结果见表2。

表2 链式监测站单站理论布站自由空间损耗半径仿真结果Table 2 Simulation radius of single chain monitoring station by theory of free space loss model

根据上述仿真条件，将各项仿真数据代入式(2)和式(3)，可得链式监测站距发射点的理论距离与监测站接收机灵敏度的测算距离关系，具体数据如表3所列。

表3 链式监测站接收机灵敏度自由空间模型仿真结果Table 3 Simulation receiver sensitivity of chain monitoring station by free space loss model

4.2.2 Okumura－Hata 模型损耗仿真值

根据上述仿真条件设置，将各项仿真数据代入式(4)～(6)，可得链式监测站距发射点的理论距离与监测站接收机灵敏度的测算距离关系。因该模型的基站天线最低高度为30m，故仿真结果只计算了基站高度30m条件下的情况。另外，发射功率取移动端的最小值2 W，以计算最严格的布站情形，具体数据如表4所列。

表4 链式监测站接收机灵敏度Okumura－Hata模型仿真结果Table 4 Simulation receiver sensitivity of chain monitoring station by Okumura－Hata model

仿真结果表明，在Okumura－Hata模型条件下计算出的最低灵敏度值较高。根据实际工作经验，一般监测接收机灵敏度值应不低于－107 dBm，故可推算出在市区条件下，链式监测站单站理论布站距离为5～15 km;在郊区条件下，布站距离为 10～25 km;开阔地条件下布站距离为25 km以上。综合考虑，平均每100km直线线路布置4～10个监测站可满足监测基本要求。鉴于线路周边环境的复杂性，监测站实际布站数量要根据线路周边环境的实际测试结果进行确定。在曲线路段，监测站的布站应满足无缝覆盖要求，故其布站距离可能会小于理论计算距离。

5 结语

链式监测网的设计和布局是一个较为复杂的过程，通过借鉴以往在固定区域监测布站的工作经验开展仿真计算，可为今后设计该类线路型监测网提供了参考。随着无线电用户对移动性的增加、移动速度的提高和运动距离的延长，会使其对无线电通信系统的依赖性更强，进而显示出链式监测网的重要性。在今后实际线路设计中，仍应通过线路现场测试与仿真模型相结合的方法来确定具体的布站条件，并校正理论计算模型。

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