基于散射/波导模式的舰船超视距通信分析与应用研究*

屈利平，张海勇，王 华，贺 寅，徐 池

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

0 引言

在正常的大气条件下，超短波微波波段通信方式主要为视距通信，通信距离较近。随着海上如海洋监测、海洋经济以及远海科学研究等活动的日渐增多和海洋国防建设事业的快速发展，加快海上舰船超视距通信保障能力建设已显得迫切。若要进行视距以外的通信，海上舰船之间可以采用短波、卫星通信或以舰船、飞机等作为中继节点来达成。然而，短波通信由于受电离层变化影响稳定性较差，且短波通信在地波和天波传输之间存在通信盲区。卫星通信则抗毁性差，且容易受到人为有意干扰而导致链路稳定性降低。采用中继站进行转信通信会增加传输时延和复杂度，同样容易遭受干扰和破坏。

对流层中固有的湍流前向散射现象和特定大气条件下出现的大气波导等异常传播现象，可以将通信发射端辐射的电磁波传播到视距以外的地方形成超视距传播[1-3]。散射和大气波导传播机制较上述超视距通信手段而言链路稳定性高，不需要中继站就可实现较远距离的超视距通信。若能充分利用这两种传播机制，则可以作为海上舰船之间超视距通信手段的有效补充，增强海上超视距通信保障能力。

本文针对上述超视距通信保障手段存在的问题，提出一种基于对流层散射和蒸发波导混合模式的海上超视距通信应用方法，并对该方法进行仿真分析，可为海上舰船超视距通信系统设计与应用提供依据和指导。

1 对流层散射传播模式

1.1 对流层散射传输机理及主要优点

对流层散射是指利用对流层中存在的分布不均、大小形状不同的空气旋涡、云团边际和某种渐变层结来再次辐射经过其传播的电磁波而形成的散射现象。对流层散射机制可实现超视距传播。目前，已有3 种散射传输机理被提出，分别为湍流非相干散射、不规则层非相干反射和稳定层相干反射理论[4]。对流层散射通信具有抗核爆能力强、通信容量大[5]、保密性好、单跳距离远以及机动性强等优点。

1.2 对流层散射传输损耗预测模型

预测对流层散射传输损耗对散射链路设计来说至关重要，可为链路参数选择提供重要参考。国际电联（International Telecommunication Union，ITU）于2019 年8 月颁布了最新的用于计算对流层散射传输损耗的ITU-R P.617-5 模型[6]，该模型给出的年平均q%时间概率下不超过的对流层散射传输损耗计算公式为：

式中：F代表与气象因素有关的损耗，单位为dB；Lc代表天线口面介质耦合损耗，单位为dB；Yq代表对流层散射传输损耗概率转换因子。F、Lc和Yq的计算公式依次为：

式（4）中，有：

其他参数情况如表1 所示。

2 蒸发波导传播模式

2.1 蒸发波导传播机理

蒸发波导是指由于海表面水汽蒸发导致大气湿度随高度锐减而形成的一种表面波导，容易出现在沿海和海洋地区。它的强度以蒸发波导高度来表示，对应大气修正折射指数最小值所在高度，一般在30 m 以下[7]。它是评估蒸发波导对通信系统影响的重要参数，可以表示为海水温度、大气温度、相对湿度以及风速等气象参数的函数。蒸发波导修正折射指数轮廓线示意图如图1 所示。它的修正折射指数可以表示为[8]：

式中：M0代表海表面修正折射指数；d代表以m 为单位的波导高度；z代表以m 为单位的海面以上垂直高度；z0代表海面粗糙度高度，一般取1.5×10-4m。

表1 ITU-R P.617-5 模型计算中所需链路主要参数

图1 蒸发波导修正折射指数轮廓线

2.2 利用蒸发波导实现超视距通信条件

在满足特定条件下利用蒸发波导可实现超视距通信，且传播距离可达两倍视距甚至几百千米。它的传播路径损耗比绕射损耗小十几至几十分贝，不但可以大大扩展超视距通信距离，还可提供高达几百兆比特每秒的高速率数据传输。因此，海面蒸发波导微波通信[7,9-10]作为一种海上超视距通信手段，具有较强的军事通信和民用通信应用优势，可有效增加海上舰船之间高速数据通信距离，扩大舰船编队覆盖半径。

微波通信系统若要利用蒸发波导实现超视距传播应满足以下4 个基本条件[7]。

（1）海面应出现一定高度的蒸发波导。根据世界范围内无线电观测站资料对蒸发波导出现规律进行的统计分析，全球海域蒸发波导平均高度在13～16 m。

（2）系统工作频率应大于最小陷获频率。蒸发波导陷获电磁波的能力与系统的频率密切相关。根据波导模理论，中性层结条件下波导所能捕获的最小频率为fmin=360.33d-1.5GHz，其中d为蒸发波导高度。研究表明，海面蒸发波导通常对频率在3～20 GHz 的电磁波具有较强的陷获作用，且最佳工作频段为9～18 GHz。

（3）天线应位于波导层内。为充分利用蒸发波导捕获电磁波的效应，海上微波通信系统的天线高度应略低于波导高度。

（4）天线仰角应小于临界入射角。天线仰角大于临界入射角时，电磁波将穿透边界；天线仰角小于临界入射角时，电磁波将弯向波导层内部，被陷获而形成波导传播。

3 基于散射/波导混合模式的超视距通信应用仿真分析

根据对流层散射和蒸发波导两种传播机制的各自特点，提出了基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用方法。在海上舰船进行超视距通信时，若通过适当方法预测存在蒸发波导，则超视距通信链路主要采用波导模式进行通信；若蒸发波导较弱或没有出现，则采用对流层散射模式进行通信。下面分别对海上舰船超视距通信链路工作在散射和波导模式下进行仿真分析，并得出相关结论。

3.1 对流层散射模式通信分析

3.1.1 仿真参数设置

仿真波段为微波波段（2～12 GHz）。根据ITU-R P.617-5 建议，取有效地球半径因子k=4/3。根据我国平均情况[4]，取海平面折射率N0=338.5 N-units，平均垂直标称高度hb=7.12 km。通常，散射电波波束是沿着地球切线方向，散射角小于2°[11]，本文取散射角θ=2°。天线采用卡塞格伦天线，高度为3 m，收、发两端天线增益之和约为33 dB[12]。

3.1.2 仿真结果及分析

根据式（1）仿真可得对流层散射传输损耗与传播距离之间关系曲线，如图2 所示。

图2 对流层散射传输损耗与传播距离关系曲线

由图2 可以看出：在一定传播距离条件下，对流层散射传输损耗随着使用频率的增大而增加；在一定频率条件下，散射损耗随着传播距离的增大而增大，且当电磁波传播到一定距离后，传输损耗随距离的增加而变化变缓。从图2 也可得出，对流层散射通信由于其散射传播特性，损耗一般较大。例如，频率为3 GHz、传播距离为300 km 时，传输损耗为198.4 dB。若要保证收、发两端之间的可靠通信，需要较大的发射机功率和较高的接收机灵敏度。

假设发射机、接收机功率分别为Pt、Pr，则从发射端到接收端的传输损耗可以表示为：

式中，L表示传输损耗。假设发射机功率为63 dBm，根据式（8），仿真可得接收功率与传播距离之间关系曲线如图3 所示。

从图3 可以看出，在一定传播距离下，载波频率越高，对流层散射损耗相应越大，接收机功率越小。例如，在传播距离为100 km 的情况下，频率分别为2 GHz、3 GHz、5 GHz、7 GHz、9 GHz、10 GHz、12 GHz 所对应的接收机功率分别为-115.6 dBm、-119.5 dBm、-124.4 dBm、-127.6 dBm、-130 dBm、-131 dBm、-132.7 dBm。若接收机灵敏度满足一定的条件，对流层散射通信可以有效解决短波通信存在的通信盲区缺陷。若假设接收机灵敏度可以达到-120 dBm，则频率分别为2 GHz、3 GHz、5 GHz、7 GHz、9 GHz、10 GHz、12 GHz所能达到的最远传播距离分别为140 km、104 km、69.6 km、52 km、41 km、37 km、31 km。若进一步提高发射机功率、接收机灵敏度和适当增大收、发天线增益，则完全可以实现较远距离的超视距通信。

图3 对流层散射传输接收机功率与传播距离关系曲线

3.2 蒸发波导模式通信分析

海上蒸发波导利用对特定频率电磁波的陷获作用实现超视距通信。在波导传播预测方面被广泛使用的工具软件为高级折射率效应预测系统（Advanced Refractive Effects Prediction System，AREPS）。该系统以美国海军开发的高级传播模型（Advanced Propagation Model，APM）为内核，其在雷达探测、通信等领域得到了广泛应用。本文利用AREPS 3.4 系统（英文版）仿真了高度为15 m 的蒸发波导对频率分别为3 GHz、5 GHz、10.5 GHz[9]、12 GHz电磁波的陷获作用，仿真结果如图4～图7 所示。

通过对比图4～图7 可知，随着频率的增大，蒸发波导对电磁波的陷获作用逐渐加强，且蒸发波导对3 GHz、5 GHz 的电磁波陷获作用并不明显，而对10.5 GHz 电磁波的陷获作用极强。在12 GHz频率下，陷获作用较10.5 GHz 时减弱。根据图4（b）的门限损耗曲线（156 dB），频率在3 GHz、5 GHz、10.5 GHz、12 GHz 时的最远通信距离分别为56 km、116 km、377 km、148 km，可见通过选用适当的工作频率，尤其是X 波段中10.5 GHz 左右的频率，蒸发波导模式可以比对流层散射模式实现更远距离的超视距通信，与文献[9]中的分析结论相一致。

图4 蒸发波导模式下传输损耗与传播距离关系曲线（3 GHz）

图5 蒸发波导模式下传输损耗与传播距离关系曲线（5 GHz）

图6 蒸发波导模式下传输损耗与传播距离关系曲线（10.5 GHz）

图7 蒸发波导模式下传输损耗与传播距离关系曲线（12 GHz）

4 基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用研究

通过以上仿真分析可以看出，基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用方法可以实现超视距通信，有效提升舰船超视距通信保障能力，为海上舰船之间提供全天候信息传输，还可有效克服短波通信盲区的缺陷，可作为发生核战争时一种最低限度应急通信保障手段。

4.1 基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用分析

海上舰船在进行实际超视距通信时，应该结合散射传播和蒸发波导两种传播机制的各自特点，通过合理选择超视距通信模式来达成有效通信。蒸发波导传输损耗较小，强波导条件下甚至接近自由空间传播损耗，接收信号电平显著高于以对流层散射模式传播的信号电平[13]。因此，在舰船进行海上超视距通信时，若条件允许应优先选择蒸发波导模式进行通信。但是，海上蒸发波导传播现象并非全时存在，其高度随不同地理纬度、季节、一日内不同时间而变化。一般在低纬度海域、夏季、白天，蒸发波导高度较高[7]。根据试验统计，我国南海、东海海域[14]是蒸发波导发生概率较高的区域。若夏季白天舰船在此类海域进行超视距通信，则利用蒸发波导达成有效通信的概率会大大增加。

由于蒸发波导非全时出现的特点，海上舰船之间的超视距通信链路通常应工作在散射模式，以确保关键型业务信息及时、可靠传输。同时，采取适当的方法对海上蒸发波导进行预测，一旦预测到波导信道，则海上超视距通信链路可工作在波导模式下传输大容量业务信息。在实际舰船通信中，可按如图8 所示的基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用方法流程进行蒸发波导预测及超视距通信模式选择。首先，应选择适当方法对蒸发波导进行预测。在海上温度、风速以及湿度等气象参数较容易获取或者无法接收GPS 卫星或接收数据不完整、不具备反演条件的情况下，可选用基于水文气象条件的蒸发波导预测方法；在海上水文气象参数不易获取或难以测量，或者容易接收GPS 卫星数据的情况下，可选择基于GPS 信号的反演算法来对蒸发波导进行预测[15]。通过选用以上方法进行预测，若蒸发波导存在，舰船之间应采用以蒸发波导为链路的主要通信模式。此时应该根据预测得到的蒸发波导高度等参数调整舰载通信设备天线系统参数，以满足蒸发波导模式超视距通信条件，即天线高度应在蒸发波导高度以内，载波频率大于蒸发波导最小陷获频率，发射仰角小于临界入射角。若蒸发波导强度较弱或并未出现，则采用以对流层散射为基本通信模式。为了取得较好的通信效果，针对散射通信传输损耗相比蒸发波导通信较大的特点，应通过增加发射机辐射功率、采用高灵敏度接收机、适当提高收发天线增益以及选取一定倍数功率放大器等措施，达到海上舰船之间实施有效超视距通信的目的。

图8 基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用方法

4.2 基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用涉及的几个问题考虑

4.2.1 应充分考虑气象因素可能带来的影响

对流层散射和蒸发波导虽然是两种不同的超视距通信机制，但都与大气折射率变化情况紧密相关。大气折射率主要由气海温差、海表面温度、大气湿度以及风速等气象因素决定，因此在进行实际系统设计时应充分考虑各种气象状况可能对通信带来的影响。例如，在接近中性或稳定（气海温差大于0 ℃）的大气条件下，蒸发波导路径传输损耗较小，接收端信号电平较高[16]；不同气候带处所对应的海平面折射率差别较大，对散射传输损耗影响不同，设计系统时应考虑此类气象因素。

4.2.2 应合理选择载波频率等工作参数

不论是对流层散射还是蒸发波导通信，不同频率、不同天线高度所对应的传输损耗不同，因此在实际中应该结合两种传输机制的各自特点进行系统参数选择。根据文献[9，17]分析结论，蒸发波导通信在X 波段特别是10.5 GHz 时传输损耗较小，通信距离较远，此时天线高度位于平均海平面以上5 m 左右。同时，针对对流层散射通信在X 波段的传输损耗特点和天线实效增益特性，此时天线口面直径参数选取不宜过大（2 m 左右）。

4.2.3 应采用自适应功率控制技术

与对流层散射模式相比，大气波导传输模式可以使电磁波以较小的衰减进行超视距传播。大气波导是一种低损耗的准恒参信道，因此在链路发射端应该采用自适应功率控制技术，从而在波导模式通信时适当降低发射机功率，而在散射模式应留出一定的发射功率余量来保证可靠通信。

4.2.4 应运用一定的天线对准技术

微波频段下，通信系统一般采用抛物面天线。只有在发、收两端天线较好对准的情况下，通信系统才能取得较高的通信质量，否则会因引入较大的天线偏向损耗而影响实际通信传输。天线底座应采取一定的补偿措施来克服舰船航行时纵横摇晃对天线波束对准带来的影响。同时，可以考虑采用相控阵技术自适应调整天线波束仰角指向或者采用类似用于星载天线的稳定伺服系统，使发、收天线实现较好对准，从而减小天线偏向损耗对通信带来的影响。

4.2.5 应采取适当的抵抗信道衰落的措施

进行海上超视距通信时，主要传播模式可能为蒸发波导模式，也可能为对流层散射模式，还可能是两种模式共同发挥作用。根据实际情况，可从分析接收信号强度、衰落起伏特点等特征判断当前的主要传播模式。波导传播时，接收信号最强且最稳定，起伏衰落较小，强波导时接近准恒参信道；散射传播时，信号最弱，起伏衰落较大；而当两种传播方式同时存在时，信号的衰落起伏很大，信号最不稳定[18]。蒸发波导传播衰落深度和衰落幅度均小于对流层散射传播，在减小衰落影响方面应主要针对对流层散射通信衰落较大的特点，采取分集合并技术如角分集、纠错编译码技术如低密度奇偶校验码（Low-Density Parity-Check，LDPC）以及Turbo码等措施，以减小散射信道衰落对通信带来的影响。

5 结语

本文主要针对目前海上舰船超视距通信手段存在链路稳定性不高等问题，提出了基于散射/波导混合模式的海上超视距通信应用方法。通过对该方法进行仿真分析可以得出，基于散射/波导混合模式的超视距通信应用方法能够增强海上舰船超视距通信保障能力，且不容易受到干扰，稳定性较高，并基于对流层散射和蒸发波导传输特性给出了海上舰船超视距通信应用建议，对海上舰船超视距通信系统设计与应用具有一定的参考价值。