一种复杂环境下对流层散射通信链路分析方法

黄 河，王永杰，余 蕾

(1.中国人民解放军96901部队，北京 100085；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

对流层散射通信是各个国家应急通信网和军事通信网中不可缺少的重要组成部分[1]。随着天线技术、功放技术、芯片和集成电路技术的发展，小型化的散射通信设备成为发展趋势。小型便携化将推动散射通信设备的广泛应用，背负式散射通信电台将逐渐形成装备，散射通信也从点对点通信发展为多点对多点组网通信。对流层散射通信受使用区域地形地貌和气象条件影响较大，其传输影响因子包括传输距离、收发频率、天线俯仰角、散射体高度、地区分布和气候条件等诸多因素。为了更好地在复杂环境下对散射电路进行性能分析和优化链路规划，预测在高山越障、降雨和大雾等复杂环境下对流层散射的传输损耗和通信性能，需要对影响通信的重要传播参数进行估算，对传输损耗估算方法进行分析，形成复杂环境传播损耗和预期通信质量态势图，指导通信链路规划与组织运用。文献[1-2]对对流层散射在通常条件下的损耗进行了研究，提出了相应条件下的链路损耗计算方法。本文基于前人的研究成果和最新版的ITU-R P.617文件，针对不同地形条件和复杂气象环境提出了一种散射通信电波传输损耗分析方法并进行了试验验证，提高了计算方法的适应性和准确度。

1 散射传播机理

散射通信电波在大气底部的对流层内传播，对流层在2个方面对电波产生影响，一方面是对流层大气的吸收损耗；另一方面因为对流层的非均匀性导致电波的传播方向偏离直线方向。也就是说，如果大气是均匀的，介电常数是一个常数，那么电波将沿直线传播。实际上对流层是不均匀的，介电常数随着离地高度和温度的变化而变化，所以实际上电波在对流层中并不是沿直线传播。假设有A，B两个对流层散射通信站点，A站发送天线方向图主瓣与B站天线方向图主瓣的延伸在对流层中交会形成公共散射体，这个公共散射体的对流层大气空间，实质上对散射通信做贡献。根据湍流理论，公共散射体存在大气湍流运动，湍流运动是非常不规则的气流运动，能够形成许多漩涡。漩涡不断运动和变化，气体密度、尺寸与形状也在不断变化，与此相应的是介电常数和折射指数同时在变化，这种漩涡湍流团被称作“不均匀体”[3]。在对流层公共散射体中，入射的无线电波遇到许许多多随机运动且大小各异的不均匀体，引起其中分子的电荷发生相对位移，从而感应出电流。在漩涡的尺寸与入射无线波的波长匹配时，这些不均匀体就像基本偶极子天线那样将能量辐射出去，其中一部分能量辐射向接收天线，每一个二次辐射体均对接收天线提供一个散射场强分量[4-5]，对流层散射通信如图1所示。

图1 对流层散射通信示意Fig.1 Tropospheric scatter communication diagram

一般情况下，散射通信电波是沿水平线方向传播，发射角一般不超过2°。随着散射通信应用的不断增多，发现散射通信在5～100 km的越障通信具有良好的发展前景[6-7]。在该种通信条件下电波波束为高仰角，散射角通常大于5°。在复杂环境中，散射机动通信根据地形环境和部署灵活使用散射通信的2种模式，即常规模式和高仰角模式。常规模式下散射角度小，散射电波指向沿地球切线方向；越障模式下散射角度较大，散射电波波束指向较高。

2 影响因素分析

影响对流层散射链路损耗的因素包括地形、气象条件、传输距离、工作频率和散射体高度等[8-9]。本文中传输损耗是指发射天线口面与接收天线口面之间的无线电在自由空间传播所产生的损耗，不包括通信设备的属性参数如天线增益、馈线损耗和插损等。ITU-R P.617给出了通常条件下散射通信传输损耗的估算方法，该方法可对常规模式下散射通信性能进行分析，分析结果与实测值有较小误差。通过对流层散射接收的信号呈现出快变化和慢变化2种特性。慢变化特性是由于大气折射条件的总体变化以及小尺度不规则气流运动的快速衰减，小时中值传输损耗的分布可以描述慢变化。这种传输损耗近似于对数正态分布，标准差在4～8 dB之间，受气候因素影响。快变化在最长5 min的时段内近似于瑞利变化。

根据文献[10-11]，对于无线电波在对流层的散射传播，p%时间不被超过的平均年基本传输损耗可以表示为：

Lbs(p)=F+22lgf+35lgθ+17lgd+Lc-Yp，

(1)

式中，F为气象因子，单位dB；f为频率，单位MHz；d为距离，单位km；θ为散射角，单位mrad；Lc为天线口径与介质耦合损耗，单位dB；Yp为p%时间不被超过的变换因子，单位dB。

式(1)中F的计算公式为：

(2)

式中，N0代表年均海平面折射率；dN代表年均无线折射指数递减率；hs代表地球表面高于海平面的高度；hb代表均质大气高度，在不同气候条件下通过统计获得，全球均质大气高度通常定义为hb=7.35 km。

式(1)中θ是发射天线与接收天线的实际地平线之间的夹角，即

θ=θe+θt+θr，

(3)

式中，θt为发射天线地平角；θr为接收天线地平角，

θe=d×103/ka，

(4)

式中，d为收发天线的距离，单位km；a为地球半径，通常取值6 370 km；k为等效地球半径因子，通常情况取值4/3。

式(1)中介质耦合损耗Lc计算公式为：

Lc=0.07exp [0.055(Gt+Gr)]，

(5)

式中，Gt，Gr分别代表收发天线增益。

式(1)基本传输损耗p%时间不被超过的时间变换因子Yp为：

(6)

(7)

式中，hb的取值同式(2)；k，a取值同式(4)。

在200 MHz～5 GHz通信频率范围内，散射公共体离地高度小于1 km的条件下，大气折射指数随高度变化基本满足线性关系[1]，ITU-R P.617方法预计准确度较高，比较符合我国实际应用。但是，当散射角增大，即散射公共体高度大于1 km时，按照式(1)估算的传输损耗误差值会增加。散射角度的增加一般会有以下几种因素影响传输损耗，一是散射角增加使散射界面减小；二是散射体高度的增加引起大气折射指数的降低；三是有效散射体体积会减小。以上各种因素叠加会使散射损耗增大[12]。工程中有2种常用的方法计算高散射角条件下链路损耗。一种是ITU-R P.617算法基础上技术修正量，另外一种是使用美国陆军对流层散射工程手册的传输损耗估算方法。本文采用在ITU-R P.617算法上进行修正的方法。计算附加高散射角附加损耗，高仰角散射附加损耗可表示为：

Lθ=Ls+Lv+LN=

(8)

式中，s1=α/β；s2=β/α；α，β，θ的含义如图1所示。ΔN为：

ΔN=Ns1-Ns2=Ns(ech1-ech2)，

(9)

式中，Ns为地面折射指数；h1为通常情况下散射体离地面高度；h2为散射角增加后散射体离地面高度，单位km；c与气候有关，温带地区取值0.136。

综合考虑高仰角带来的误差，高仰角散射链路损耗为：

L=LG+Lθ，

(10)

式中，LG根据式(1)计算；Lθ根据式(8)计算。

对流层散射通信是在大气层内完成的通信，因此容易受到天气的影响。在坏天气时链路损耗需要考虑降雨衰减，降雨和冰晶层可导致法拉第效应[13-14]。降雨衰减跟雨量和穿过雨区的距离决定了雨衰[15]，雨量越大雨衰越大，穿过雨区的距离越大雨衰越大。降雨衰减为αL(dB)。其中，L为电磁波经过降雨区的有效长度；α为降雨衰减的单位衰减值，与大气温度、电波频率有关，α=aRb(dB/km2)，a，b在频率1 Hz～50 GHz范围内取值为1，即在此频率范围内雨衰与降雨强度成正比；R是降雨强度，单位mm/h。浓雾对链路衰减也有影响，能见度为30 m的浓雾引起的电波传播损耗介于大雨和中雨之间，能见度为120 m的浓雾引起的电波传输损耗与小雨相当[16]。根据文献[4]提出的算法云、雾损耗(dB)可用经验公式来计算：

云雾损耗= 0.148f2/vm1.43，

(11)

式中，f为频率，单位MHz；vm为能见度，单位m。

3 试验验证与分析

针对在常规模式、高仰角模式的散射通信链路损耗方法进行了试验验证。选择华北地区的A、B和C三地作为试验点，搭建A地-B地(线路1)，A地-C地(线路2)2条试验线路。

表1 站点选择

链路1在距离120 km进行了常规模式和高仰角模式测试，常规模式下发射天线俯仰角为-0.21°，接收天线俯仰角为-0.01°，实测损耗和计算损耗小于2 dB；高仰角模式下，发射天线仰角为6.3°，接收天线仰角为7.1°，实测损耗和计算损耗小于10 dB。测试数据如表2所示。

表2 链路1试验情况Tab.2 Link1 test result

链路2在距离180 km进行了常规模式和高仰角模式测试，常规模式下发射天线俯仰角为-0.21°，接收天线俯仰角为0°，实测损耗和计算损耗小于3 dB；高仰角模式下，发射天线俯仰角为6.1°，接收天线俯仰角为7.7°，实测损耗和计算损耗小于10 dB。测试数据如表3所示。

表3 链路2试验情况Tab.3 Link2 test result

2条测试链路的数据表明，收发天线俯仰角较低时，利用式(1)计算的误差比较小，在2 dB以内，收发天线俯仰角较高时，利用式(1)计算会产生比较大的误差，需要利用式(8)计算修正误差，修正后误差值会有明显改善，在2条测试链路中误差值均小于10 dB。可见，在复杂环境下对流层散射通信链路损耗估算应该结合地形特点首先估算收发天线俯仰角，然后根据收发天线俯仰角选择适合的估算方法才能更准确地估算对流层散射链路损耗。

4 结束语

基于对流层散射通信原理，分析了在复杂环境下对流层散射通信链路损耗影响因素及其计算方法，结合实测数据对计算方法进行了验证。由于实验条件所限，未能在降雨、大雾等恶劣天气下对链路损耗进行实验测试，只给出了经验公式。下一步将结合复杂环境对恶劣天气下链路损耗方法进行实验验证；研制复杂环境下对流层散射通信链路分析工具，用于链路规划、通信指挥和通信态势监视，缩短系统开通时间；发展高频段的电离层散射链路损耗分析方法，目前仅对5 GHz以下的链路进行了分析。随着散射通信技术的发展，Ku/Ka频段散射通信成为可能，相应地开展高频段下对流层散射通信链路的分析研究。