基于对流层散射的VHF/UHF不对称分集传输技术研究

刘 莹，郝清涛，唐秋菊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

基于对流层散射的VHF/UHF不对称分集传输技术研究

刘 莹，郝清涛，唐秋菊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对VHF/UHF频段单信道电台仅能视距通信的应用局限，通过理论分析和信道特性试验探讨了将对流层散射传输体制用于VHF/UHF频段超视距通信的可行性，并在此基础上提出了一种基于对流层散射的不对称分集传输技术方案，即在保留单信道电台硬件结构不变的前提下，通过增加超视距传输波形并且建立地面赋能站的方式实现其超视距通信能力。最后通过对设备原理样机的信道模拟测试和野外试验证实了该技术的可行性和有效性。

对流层散射；VHF/UHF；单信道电台；不对称分集；多普勒频移

0 引言

近年来，美军在总结和评估“伊拉克自由行动”、“持久自由行动”等实战经验及教训的基础上提出了“分散部署”的指挥作战理念，并认识到在这种新的作战模式下，各级部队特别是营级以下梯队的超视距通信能力由于现役VHF/UHF单信道电台的限制，仍然是战争中通信保障问题的最大不足。基于以上认识，美军近年来提出了基层部队的超视距通信保障理念。

VHF/UHF电台同样广泛应用于公安、边防、森林及交通等众多领域，特别是对于身处广袤的山区、沙漠和戈壁等恶劣自然环境中的电台用户，限于VHF/UHF电台有限的通信距离，其超视距通信保障问题一直是非常薄弱的环节；此外，VHF/UHF频段的单信道电台也广泛应用于车辆、船舶和飞机等移动平台，同样受限于其视距通信模式，难以满足其在执行远程、远海类任务时对超视距通信保障的要求[1-2]。

鉴于VHF/UHF频段单信道电台规模数量巨大，如能在不改变其硬件结构的基础上，通过升级通信波形的方式将其通信范围扩展至超视距，不但能显著扩展其通信保障范围，且能有效降低技术风险和应用成本。

1 VHF/UHF超视距信道传输特性

传统VHF/UHF通信为视距传播方式，即以收发天线为基准，相互间视线可见距离内的直射波传播。假设地球为理想光滑球面，半径R0=6 370 km，两端站之间的最远视线传播距离为d为[3-4]：

(1)

当考虑大气折射等因素时，视线传播的极限距离为：

(2)

式中，h1和h2分别表示两端站天线的架设高度(含地形因素)，单位为m，理想光滑球面条件下视线传播极限距离d的数值如表1所示。

表1 视距通信极限距离表

由表1可以看出，随着天线架设高度的下降，视距极限通信距离急剧降低，且在实际环境中受地形起伏及障碍物遮挡影响，通信距离必然进一步缩短。

当VHF/UHF无线电信号超出视距极限距离后，其传播模式将由视距模式转变为对流层散射传播模式。这种传播模式的机理是沿地球表面切线方向发出的通信波束，经由对流层大气的折射作用，使其中很少一部分能量转向折回地面形成弯管传输，从而导致超视距位置也有信号到达[5-6]。对流层散射传播模式的示意图如图1所示。

图1 对流层散射传播模式示意图

通过对流层散射传播的无线电信号具有如下显著特征：

① 非常微弱：进入散射体的信号，仅有百万分之几的能量被弯折传输向地面，此项称为散射损耗。它与全程传播损耗一起构成总的散射通信路径损耗，通常可达近200 dB[7-8]。

② 接收信号电平存在显著的快衰落特征，一般认为服从瑞利分布[9-10]。

由于现有的VHF/UHF单信道电台设备仅适用于视距信道传播，既不具备克服巨大散射损耗所需的设备能力要求，也不具备克服信道快衰落的信号平滑处理能力，因此不能满足超视距通信的要求。

2 不对称分集设计

基于单信道电台的不对称分集技术是指在不改变现役VHF/UHF机载、舰载及单兵战术电台硬件形态的前提下，通过为其嵌入具有超视距传输能力的散射通信波形，并通过配置具备多重分集发射/接收能力、大功率发射机及高增益天线等特征的地面赋能站，赋予现役VHF/UHF车载、机载、船载及单兵战术电台一定的超视距能力的通信方式。

2.1 分集方式设计

现有VHF/UHF单信道电台均为单收/发通道结构，为了在保持其硬件形态不变的前提下克服超视距信道严重的时变衰落影响，必须要配置具有多重分集发射/接收能力的赋能站。由于VHF/UHF单信道电台所用频带有限，难以支持频率、时间等分集方式所需的带宽资源，因此只能采用空间分集方式[11-13]。

赋能站需要具有多部大功率发射机、多面高增益天线的体系结构，才能与电台之间建立“多发一收”(下行链路，赋能站至电台)或“一发多收”(上行链路，电台至赋能站)的不对称多重分集通信链路，如图2所示。

图2 站型不对称的多重分集通信链路

从信号处理的角度而言，分集重数越多，系统对信道快衰落的抑制能力相应就越强，图3给出了BPSK相干检测方式下分集重数、误码性能和信噪比的关系曲线图。可以看出随着分集重数的增加，相同信噪比对应的误码率呈明显下降趋势；但是随着分集重数的增加，系统复杂度和所需的信道带宽也在相应倍增[14]。

图3 分集重数、误码性能和信噪比关系图

由图3可以看出，瑞利信道中4重空间分集与2重分集相比信噪比改善明显；进一步增加天线数量性能提升已不明显，如6重分集与4重分集在BER=1×10-4条件下，信噪比改善效果不足2 dB，但6部天线架设需要的场地面积与成本却大幅增加。综合考虑性能、成本及使用等各方面的影响，采用4重分集结构可达到较好的平衡。

2.2 分集间隔设计

空间分集支路信号之间的相关系数为[15-16]：

ρ=exp[-(D/Do)2] ，

(3)

式中，D为天线之间的距离；Do为天线垂直配置时的分集距离(相关距)，它表示为相关系数降为1/e(0.37)时的天线间距离，其数值由下式决定：[17]

Do=aλ/βo，

(4)

式中，a为常系数，常取0.3～0.5；λ为波长；βo为大圆平面内收发天线连线与收发端无线电地平线之间的夹角，称为部分散射角。可以导得：

ρ(D)=exp[-(βo2/a2)(D/λ)2] 。

(5)

结合本系统参数，分别计算不同通信距离及天线间距条件下的空间分集相关系数，以及此相关系数下与相关系数ρ=0条件下相比的工程损失[18-19]。其中大气折射指数Ns=310,通信频率132 MHz(VHF频段中心频率)，天线架高12 m。通信距离250 km和350 km时，计算结果如表2所示。

表2 天线间距与相关系数关系表

由于UHF频段信号波长比通信频率132 MHz时的信号波长小得多，此频段下的相关系数更小，工程损失更少。通过表2可以看出，在天线间距增大的同时，分集间相关系数及工程损失均在减小，但由此带来的场地占用问题、馈线损耗问题也会加剧。综合考虑以上各因素，天线间距应尽量在30 m以上。

3 试验验证情况

3.1 信道模拟器验证

SR5500型无线信道模拟器是无线通信业内广泛采用的信道模拟平台，可用于模拟复杂无线信道环境的多项特征，如损耗中值、衰落类型、多径结构及多普勒频移等[20-21]。借助SR500型无线信道模拟器，单信道电台设备在400 MHz频率、平坦瑞利衰落、4重分集接收，以及0.01～500 Hz多普勒频移等信道条件下的误码特性如图4所示。

图4 不同多普勒频移下的误码性能和信噪比关系图

由图4可以看出，在多普勒频移为300 Hz时的误码性能与0.01 Hz时相比改善了约0.5 dB，这是由于此时多普勒频移导致接收信号的同一码元在不同时刻具有一定的时间不相关性，从而获得了额外的时间分集效果改善；当多普勒频移达到500 Hz时，由于接收信号频域扩展带来的影响超出了时间分集的改善效果，导致了误码率恶化约2.5 dB。

3.2 外场试验验证

2015年底，VHF/UHF不对称分集散射通信试验验证系统在华北地区先后完成了地面100 km、207 km及300 km等线路的话音和数据测试，并在超视距条件下完成了地面动中通功能测试。试验结果表明，该验证系统在不同距离、不同频段和不同运动状态下均具有良好的通信能力，基本达到了预期的设计能力要求。

4 结束语

理论研究及信道测试试验证实，当VHF/UHF无线电信号超出视距极限距离后，其传播模式将由视距模式转变为对流层散射传播模式。通过为VHF/UHF单信道电台嵌入特定的超视距通信波形，并构建具有多部发射机和多副发射天线的赋能站，可在赋能站与单信道电台之间构成不对称分集散射通信系统。信道模拟器测试和野外试验初步证实，该系统可以在不改变现役VHF/UHF电台硬件平台基础上，实现其通信距离由视距到超视距的显著提升，对于此类装备的能力拓展具有积极的参考意义。

1.2 仪器与试剂 BACT/ALERT 3D全自动细菌培养仪及配套血培养瓶（BioMerieux，法国），VITEK 2 COMPACT全自动细菌鉴定及药敏分析系统（BioMerieux，法国），药敏纸片（Oxoid，英国），5%哥伦比亚羊血琼脂培养基和M-H培养基（迪景，广州）。

参考论文

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Researchon VHF/UHF Non-symmetric Diversity Communication Based on Troposcatter Transmission

LIU Ying,HAO Qing-tao，TANG Qiu-ju

(The 54th Research Institute of CETC ,Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Aiming at the limitation of LoS propagation by VHF/UHF single-channel radios,the feasibility of VHF/UHF single-channel BLoS propagation by troposcatter is derived firstly.Based on the analysis above,a scheme of non-symmetric diversity troposcatter communication is presented，which can realize BLoS communication by adding BLoS transmission waveform and founding adding-energy communication station without changing hardware of single-channel radios.In the end,the feasibility and validity of the scheme are proven by testing on wireless channel emulator and field experiments.

troposcatter communication;VHF/UHF;single-channel radio;non-symmetric diversity;doppler shift

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.16

刘 莹，郝清涛，唐秋菊.基于对流层散射的VHF/UHF不对称分集传输技术研究[J].无线电通信技术,2017,43(1):65-67,93.

2016-10-09

刘 莹(1974—)，男，高级工程师,主要研究方向：散射通信系统。郝清涛(1979—)男，高级工程师，主要研究方向：散射通信系统。

TN926.4

A

1003-3114(2017)01-65-3