VHF在超视距和不规则地形条件下电平特性传播模型研究

腾潢龙 杨涛

【摘  要】为了探索VHF波段在超视距不规则地形的传播特性，选取圆顶单峰地形，开展VHF信道电平特性传播模型试验。首先给出了符合试验需求的测试方法、测试硬件设备搭建，然后从10个测试点实测了不同气候条件、不同距离、不同时段的传播损耗。通过对数据进行分析和对比，计算出衰落中值、衰落幅度、直方图等指标，得出了以距离为分界，VHF传播衰减数据符合ITU R P1546和ITU R P370两个传播模型的结论。该结论可以为军用和民用VHF网络规划提供链路预算参考。

【关键词】VHF;信道衰減;电平特性;信道模型

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）04-0075-06

[Abstract] In order to explore the propagation characteristics of VHF band under over-the-horizon irregular terrains， the single-peak dome terrain was selected to perform VHF channel propagation model test. Firstly， the testing method， testing hardware and equipment establishment fitting experimental needs were presented. Then， the propagation loss of ten test points under different climate conditions， distances and time periods was measured. After data analysis and comparison， the metrics including fading mean， fading amplitude and histogram are calculated to conclude that the attenuation data of VHF transmission is in accordance with ITU R P1546 and ITU R P370 propagation models. This conclusion can provide a reference of link budget to both military and civil VHF network planning.

[Key words]VHF; channel attenuation; level characteristics; channel model

1   引言

超短波又称甚高频（VHF， Very High Frequency），即工作频带在30 MHz～300 MHz的无线电波，波长为1 m～10 m。超短波通信的电子对抗性强，视距内传播稳定性强，被广泛用于民航、海事的近距离通信系统中。

超短波以空间波传播方式为主，表面衰减快，传播距离有限，电波容易受到对流层的影响，受地形、地物的影响也很大。对我国军用无线通信的需求而言，摸清楚VHF波段在超视距通信条件下的传播模型，将会为军用通信网络规划提供非常有益的参考。

本文在超视距条件下，对VHF电波在不规则地形条件、典型时间段的传播特性影响（电平特性）及传播模型进行研究，以期得出有益于军用网络规划的结论。

2   VHF信道电平特性测试方法

2.1  电平特性测试要求

接收到的电平特性数据，要能分析出地形地貌、不同时间段对传播损耗的影响。为此，对测试系统有如下基本要求：

（1）接收机灵敏度能保证电平测试门限，一般设定为小于等于-130 dBm;

（2）发射机功率能保证电平测试的探测距离。

2.2  接收机灵敏度设置

2.3  发射机功率设置

其中，Ae为自由空间视距传播损耗、Aed为自由空间衍射传播损耗，Aes为自由空间散射传播损耗，k1、k2为视距传播损耗系数，md为衍射传播损耗系数，ms为散射传播损耗系数，dmindx为散射传播距离。

综合考虑其他相关因素，包括天线极化方式、空气折射率、地面相对介电常数和电导率、测试地气候模型等因素，并考虑到本次研究的实际情况，在地面起伏高度500 m，收发天线高度15 m，10 km～100 km传播距离的条件下：

（1）当传输距离小于22 km时为视距传播，视距内由于传播路径地形起伏和遮蔽等情况，又分为反射和绕射，路径损耗最大为140 dB。

（2）当传输距离在22 km～38 km，电波传播的主要障碍考虑发射站和接收站之间地形的球冠部分，传播方式以光滑球面绕射计算，路径损耗最大为155dB。

（3）当传播距离大于38 km时，接收点相当于处在阴影区，主要传播方式考虑对流层散射传播，传播损耗是散射损耗和自由空间传播损耗，路径损耗记为175 dB。

综上所述，本次研究条件下传播损耗最大值为175 dB。考虑接收机灵敏度需小于等于-130 dBm，天线增益为8 dB，则发射功率需至少大于37 dBm。故试验中发射功率大于等于50 dBm。

3   VHF信道电平特性测试设备

4   测试的数据设置和统计方法

4.1  测试统计项

统计项包括传播损耗、衰落中值、衰落幅度、直方图、日夜衰落差。其中，传播损耗如式（5）所示：

4.2  主要分析项

（1）按小时的分析项

每个小时的衰落中值：以2小时为间隔，分析一天内衰落中值的变化曲线。

每个小时的衰落均方差：以2小时为间隔，分析一天内衰落均方差的变化曲线。

每个小时的衰落幅度：以2小时为间隔，分析一天内衰落幅度的变化曲线。

当日衰落数据直方图：统计每个强度上衰落中值数据出现的次数。

（2）按地点分析

每个距离测量点的日夜衰落中值差：分析各个距离观测点日夜衰落中值差的变化曲线。

每个距离测量点的平均衰落中值：分析各个距离观测点全天平均衰落中值的变化曲线。

每个距离测量点的平均衰落均方差：分析各个距离观测点全天平均衰落均方差的变化曲线。

每个距离测量点的平均衰落幅度：分析各个距离观测点全天平均衰落幅度的变化曲线。

每个距离测量点的仿真中值和实测值：分析各个距离观测点仿真中值与全天平均衰落中值的对比曲线。

每个距离测量点仿真中值和实测值的差及实测值偏差量：分析各个距离观测点仿真中值和实测值之差的对比曲线。

（3）与信道模型对比

本次信道测试试验衰落统计特性将与ITU R P1546、ITU R P370、ITU Baltika三种传播模型理论计算结果进行对比，结合传播模型，给出信道特性及统计规律。

5   接收电平的统计分析

此次试验选取“圆顶单峰地形”进行实测。测试点分布如图3所示，发射点位于西南方（图片左下角），接收点分别位于东偏北的10个地点。发射点和各接收点之间有一座海拔900 m南北走向的山峰，山峰顶端平缓圆滑，山峰西部10 km内地势平坦，东部100 km内为平原，符合测试要求。

此次试验按照热季、冷季、温季分阶段对该圆顶单峰地形传播信道参数进行了测试。其中，在接收点6处连续进行7×24小时测试，其余测试点均为24小时。接收点6、接收点7、接收点8、接收点9、接收点10处由于环境噪声与最小有用信号接近，这五处采用定向天线进行测试。以20 km测试点的数据进行分析。

5.1  20 km测试点统计

（1）测试基础数据

测试工作频率48 MHz，发射功率Pt=50.2 dBm，发射站定向天线增益为Gt=6.8 dB，架高15 m，指向56°，馈线损耗为L1=1.5 dB，接收站全向天线增益Gr=-0.2 dB，架高15 m，馈线损耗为L2=1.5 dB。

（2）衰落中值

从图4可以看出：冷季衰落中值最小，温季衰落中值次之，热季衰落中值最大;同一季节，温季和热季8点～18点的衰落中值较大，冷季4点～8点、16点～24点的衰落中值较大。

（3）衰落均方差

從图5可以看出：冷季衰落均方差在4点～8点有较大变化、温季衰落均方差在12点～18点有较大变化，热季衰落均方差变化小。

（4）衰落幅度

从图6可以看出：冷季衰落幅度一天内最大为2 dB，温季衰落幅度一天内最大为4 dB，热季衰落幅度一天内最大为2 dB。

（5）日夜对比和方差

5.3  仿真对比

（1）温季衰落中值与模型对比

从图11可以看出：温季距离发射点15 km、20 km、30 km、40 km处的接收测试点的信道传播衰落中值与ITU R P1546模型的传播衰落中值计算结果近似，距离发射点50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收测试点处的信道传播衰落中值与ITU R P370模型的传播衰落中值计算结果近似。

（2）温季均方差与模型对比

从图12可以看出：温季距离发射点15 km、20 km、30 km、40 km处的接收测试点的信道传播衰落中值与ITU R P1546模型的传播衰落中值平均修正量约为-5 dB，距离发射点50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收测试点处的信道传播衰落中值与ITU R P370模型的传播衰落中值平均修正量约为+5 dB。

5.4  结论分析

通过10个测试点的数据分析，可知：

（1）在温季气候条件下，传播距离在40 km以内VHF信道传播衰落中值与ITU R P1546模型的传播衰落中值计算结果近似，平均修正量约为-5 dB;在温季气候条件下，传播距离达到50 km～100 km，VHF信道传播衰落中值与ITU R P370模型的传播衰落中值计算结果近似，平均修正量同样约为+5 dB。

（2）同一季节，平均衰落均方差和平均衰落幅度均随着距离增加而逐渐变大;不同季节，平均衰落均方差和平均衰落幅度随着距离增加，其变化趋势基本一致。

（3）如果以温季气候条件下各测试点的衰落中值为标准，则热季气候条件下各接收测试点衰落中值平均增加1.02 dB，冷季气候条件下各接收测试点衰落中值平均减少1.59 dB，与距离无关。

（4）三个季度条件下，日夜衰落中值差，平均传播损耗均方差和衰落幅度变化趋势基本一致，但明显与距离正相关，可以拟合成直线（d为距离，单位为km），平均值（dB）约为：日夜衰落中值差为0.5+0.025×d，平均传播损耗均方差为0.5+0.024×d，衰落幅度为0.5+0.07×d。