U/V超视距通信信道分析与系统设计

2019-04-24孙柏昶林增涛

无线电通信技术 2019年3期

孙柏昶，林增涛

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；2.中国人民解放军96921部队，北京 100051)

0 引言

U/V频段通信在军事通信中应用非常广泛，该频段电磁波具有绕射能力强、传输损耗低、信号覆盖特性好以及具备动中通能力等突出特点。

传统的U/V频段通信设备，如VHF/UHF电台已广泛应用于公安、边防、森林及交通等众多领域。但由于其通信距离有限，仅能用于30 km以内的视距通信，其超视距通信保障问题一直是非常薄弱的环节，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]。关于100 km以上的U/V频段信道特性和通信设备的研究也较少。

鉴于上述问题，本文从探究超视距信道传输特性出发，分析绕射和散射的不同，从而寻找合适的U/V超视距通信系统。

1 超视距传播信道特性分析

对流层超视距远距离电磁波传播模式有3类：第1类是对流层散射传播，第2类是超视距绕射传播，第3类是混合传播，既包含对流层散射传播模式，又包含超视距绕射传播模式[2-3]。对流层散射是对流层中不均匀体对超短波以上的无线电波的散射，散射信道为变参信道，即瑞利信道；超视距绕射传播又分为光滑球面绕射和山峰绕射，绕射信道为恒参信道；混合信道为莱斯信道。

1.1 理论分析

本文以光滑球面为对象，对绕射、散射的传播特性进行分析，并通过仿真给出在不同损耗等级条件下的衰落深度以及信道类型分类。

① 绕射传播模式

在相同距离上，不同的波长绕射衰减因子不同，波长越短，绕射衰减就越大，故无线电波的绕射能力与电波的波长有关。波长越长，绕射能力越强；波长越短，绕射能力越弱。

在光滑球面地上，绕射传输损耗Ldr包括自由空间传输损耗Lf和绕射传播损耗Ld[4]：

Ldr=Lf+Ld，

(1)

Lf=32.4+20lgf+20lgd。

(2)

由式(1)看出，绕射损耗也可以理解为视距传输损耗加上绕射障碍损耗的影响。其中绕射传播损耗可用式(3)计算：

Ld=G(x0)-F(x1)-F(x2)-20.67 ，

(3)

式中:

(4)

式中，f为频率(MHz)，d为通信距离(km)，dt和dr分别为从发射天线和接收天线到其无线电地平线点的距离(km)，Re为距离等效地球半径(km)，ht，hr分别为收、发天线高度(m)[4]。对于大的x值，G(x)，F(x)分别为：

G(x)≈0.057 104x-lolg(x)+2.066,
F(x)≈G(x)-1.356。

② 散射传播模式

对流层散射传播的机理目前主要有3种：湍流不相干散射、不规则层反射和稳定层相干反射[5]。从信号上看，分为3类：典型散射信号、大气波导信号与近似大气波导信号。典型散射信号的特点就是具有明显的快衰落特征。大气波导信号接收电平比典型散射信号高出10～20 dB甚至更多。快衰落是散射信号在秒至分钟时间间隔内信号的强度变化，与频率、距离等因素有关。慢衰落是信号电平长时间的中值波动，一般用年中值损耗作为散射建站的考虑因素之一[6-7]。

散射年中值损耗根据国际电联CCIR推荐的第一算法zhang算法进行计算[3]，具体计算方式为：

Lb=M+30lgf+30lgΘ+10lgd+

20lg(5+γH)+4.343γh，

(5)

式中，f为频率(MHz)，d为通信距离(km)，Θ为散射角(mrad)，H为最低散射点高度(km)，M，γ分别为表示气象和大气结构参数。

1.2 野外测试数据及统计结论

通过野外信道测试，本文对300 MHz频率信号分别在88，111，150，200 km等4条野外试验链路进行了长期测试，在数万组测试数据统计的基础上对接收信号的衰落特性进行了统计分析，给出了不同信道类型的衰落深度比较，如表1所示。

表1 不同信道类型的衰落深度比较 dB

根据工程经验，散射年中值损耗-绕射损耗大于15 dB时，为绕射信道;当小于-15 dB时为散射信道;当位于-15～15 dB之间时为散射、绕射混合传输信道(简称混合信道)。依此对绕射信道、散射/绕射混合信道和散射信道3种类型信道所占比例进行了统计分析，统计结果如表2所示。

表2 野外试验数据对信道类型的统计分析

链路距离/km不同类型信道所占比例/%绕射混合散射88 232651111 541037150 132761200 21979

对统计结果进行分析如下，U/V超视距通信信道衰落类型较为复杂，所有距离条件下均存在较多的信道衰落类型。随着通信距离的增加，散射信道占的比例呈增加趋势，在200 km链路距离时散射信道类型约占80%，另一方面绕射信道所占比例随距离的增加急剧变小，在200 km时绕射信道类型所占比例仅2%；信道受天气影响较大，大气波导、层反射等传播模式较多，当该类传播模式出现时信号接收电平大幅增加。

2 U/V超视距通信系统设计及性能分析

根据对U/V超视距信道的理论分析及实际测试，U/V超视距通信设备设计必须考虑信道衰落对通信系统设计的影响。

对抗信道衰落，散射通信系统多采用空间分集的体制，但是如果采用该体制对传统的U/V频段通信设备进行改造，必然会导致设备体积变大，系统形态较为复杂、使用优势降低。因此本文提出了一种U/V超视距通信系统设计方案，在保持U/V频段通信设备使用优势的条件下实现超视距通信。

该方案采用频率隐分集+降速率与失真自适应解调+自适应变速率的体制，依据频率隐分集对抗衰落，降速率与失真自适应解调对抗多径，自适应变速率提高系统性能[8-13]。

下面重点分析一下体制中频率隐分集方式。几种分集技术在U/V超视距信道中的适应性分析如表3所示，由表3可以看出，综合考虑使用性、带宽以及系统能力，采用频率隐分集技术可以在采用1面天线、1套发射机的条件下具有较好的超视距通信能力，实现U/V频段通信设备的超视距通信，因此本文采用频率隐分集的体制。

表3 几种分集方式的使用效果比较

分集方式优势分析劣势分析空间显分集抗衰落效果较好实现分集效果需采用多天线体制,另外由于低频段分集距离在数十米以上,使用灵活性较差频率显分集抗衰落效果较好,需占用较宽带宽实现分集效果需部署两套独立工作的功率放大器,灵活性较空间分集有明显提升频率隐分集抗衰落效果与频率显分集一致由于共用同一功放会造成单分集支路的功率分散,使用较为灵活

图1给出了频率隐分集体制下的发射信号处理实现原理框图，对1个信源输出端的信号分别进行T/3，2T/3延迟的信号以及不延迟的信号分别经过成形滤波器进行基带成形，在成形后分别进行f0，f1，f2调制低中频处理，在处理完成后将3路信号进行叠加即可实现带内三频隐分集的发射信号，在接收端分别对3路信号进行下变频处理后进行合并，即可实现三重频率隐分集。

图1 三重频率隐分集发射端实现原理框图

3 系统性能仿真及验证

3.1 软件仿真

利用Matlab仿真模型，分别在散射信道、混合信道条件下，对频率隐分集以及无分集方式下系统的误码性能进行仿真分析[14-16]。采用三重频率隐分集以及无分集时在散射信道衰落条件下的的误码性能对比曲线如图2所示，由图2可以看出三重频率隐分集与无分集时的误码曲线交叉点在2×10-2，当误码率优于2×10-2时，三重频率隐分集的性能较好，而不采用分集时其误码性能随信噪比增加误码性能无明显改善。图3为混合信道(莱斯因子=5)条件下误码性能仿真结果，可以看出混合信道条件下，采用三重频率隐分集对误码性能改善起到较好的效果，尤其随着信噪比的增加对误码性能的改善效果更加明显，因此采用三重频率隐分集可显著改善散射信道、混合信道条件下的误码性能，可作为其抗衰落波形设计的一种方式。

图2 散射信道条件下的分集性能仿真

图3 混合信道(莱斯因子=5)条件下的三重隐分集性能曲线

3.2 外场试验验证

依据本文提出的U/V超视距通信系统方案研制了原理样机[17-18]，在80～200 km的距离范围内进行野外试验，远距离、宽带通信等测试均取得良好的试验效果，其中200 km的可靠传输速率在64 kbps量级，100 km的可靠传输速率为2 048 kbps，表明了方案的可行性，实现了U/V通信设备的超视距通信能力拓展。