短波通信传播路径损耗分段预测方法

作者简介：王志显（1987—），男，本科，助理工程师，研究方向为短波通信。

摘要：在短波通信技术的应用与发展中，传播路径的损耗问题一直有待进一步解决。此类问题的存在不仅会对短波通信造成一定程度的干扰，同时也会对短波电台的通信造成了很大程度上的不良影响，使其在相应的应用领域中难以发挥出理想的应用效果。为实现损耗情况的准确预测，并为其损耗问题的合理解决提供科学参考，本文特对其传输路径损耗分段预测进行分析，以此来实现损耗的科学预测，为短波通信质量提升奠定坚实的技术基础。

关键词：短波通信  传播路径  传播损耗  分段预测

中图分类号：TN925

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-7753

由于短波通信环境比较复杂，加之电离层会对其产生较大干扰，所以在该技术的具体应用中，传输路径损耗问题也比较严重。为有效避免该类问题，一项关键措施就是做好其传输损耗的分段预测，包括地波段损耗、天波段损耗及通信盲区预测。这样才可以对其在各个路径中的传输损耗情况做到科学掌握，为其后续的优化调整提供科学的参考依据。

1短波通信概述

1.1 短波通信技术

短波通信技术就是让发射出去的电波从电离层经过，然后再反射到接收设备中的一种通信技术形式。其中，短波的波长为10～100m，频率为3～30MHz，具体应用中，为使其近距离通信优势得以充分发挥，通常会将其频率控制在1.5～30MHz。

1.2 短波通信技术应用的优势

在短波通信技术的具体应用中，其主要优势包括以下的几个方面。第一，短波属于唯一无法用有源中继体和网络枢纽进行制约的一种远程通信方式，在战争、灾难等情况下，即使是卫星和网络都遭到了破坏，短波通信技术依然可以正常使用[1]。第二，在一些其他信号无法覆盖到的范围内，如海洋、戈壁和偏远山区等，短波通信技术依然适用。第三，相比较卫星通信和网络通信而言，短波通信不需要进行相应的费用支付，所以其运行成本也更加低廉。

2 短波通信信道模型建立

在短波通信过程中，其地波信号主要沿着地球表面进行传播，气候因素不会对其产生影响，所以其传播效果也较为稳定，但是地面环境会对其传播距离产生一定的限制作用;天波信号主要通过电离层反射，之后再被接收端接收，因电离层对其具有较大影响，所以其稳定性比较差;除此之外，在天波传输中，其最小传播距离叫作跳距，如果地波传播中达到的距离最大值比这个跳距小，便会形成一段短波信号不能到达的区域，称之为盲区[2]。

具体的分段损耗预测中，为了让描述更加简便，可统一按照以下形式对短波通信进行建模：

其中，代表统一短波信道;t代表传播时间;代表总时延;N代表可分辨的多径簇数量;代表传播路径增益值，它是接收功率Pr与发射功率Pt之间的比值;代表信道中的各项衰落因子，包括损耗、多径衰落及阴影衰落等;代表各个簇路径中的时延。

如果需要对收发天线中的增益因素加以考虑，则可通过以下公式对传播路径增益值进行定义：

其中，L代表传播中的路径损耗;代表发射天线增益值;代表接收天线增益值。

为便于表述，可将该公式改写成以下的dB形式：

其中，还可以进一步进行分段扩建：

代表地波段路径中的传播损耗;其主要影响因素是信号频率以及地面环境;代表的是天波段路径中的传播损耗，其主要影响因素是电离层中的信号反射点位置。

3 短波通信传输中的路径损耗分段预测分析

3.1 在地波段传播中的损耗预测

在对上述模型进行改进之后，结合短波通信的地波传播参数，可通过以下方式来计算地波段路径中的短波传播损耗：

其中，f代表信号频率;代表发送天线自身的有效高度值;D代表收发电台间大圆距离;代表接收天线高度的修正量;A代表能量衰变因子，其计算公式为：

其中，x代表与传输距离、传输环境具有关联性的辅助参量。

另外，为实现短波通信适用范围的进一步扩大，使其达到20km及以上，则可以按照以下公式对做进一步的修正：

其中，代表阶跃函数;代表辅助参量，其计算公式如下：

通过这样的方式，便可对短波通信在地波段传播中的损耗进行科学预测。

3.2在天波段传播中的损耗预测

相比较地波段而言，天波段具有较为复杂的路径传播损耗情况，所以在预测中需要考虑到更多方面的因素，其计算公式如下：

其中，代表短波在天波段中的传播损耗;代表需要考虑到的极光以及其他形式的信号损耗因子;代表中间反射点位置地面反射中的消耗总和，其计算公式为：

其中，n代表短波信号在天波段传播中的跳数;

代表电离层所吸收掉的消耗，本次預测中，主要通过以下的公式来对其进行计算：

其中，代表太阳黑子数在十二个月中的平均滑动值;i110代表110km短波信号在位置的入射角;代表太阳天顶角，;

代表短波在自然空间内的传播损耗率，其公式如下：

其中，P代表短波的实际传播路径长度，其计算公式为：

其中，代表仰角，其表示公式如下：

其中，代表地球半径，h代表反射虚高;其具体数值需要按照短波反射点的具体位置来进行确定。

如果按照从低到高的顺序对电离层进行划分，则可以将其分成D、E、F这3层，其中的F层又可以按照F1及F2来进行划分。如果短波反射点处于E层，h的取值是110km;如果反射点处于F2层，h的取值将会复杂一些，具体取值中，需要将以及之间的比值、收发电台间大圆距离D以及跳距作为主要依据来进行预测。而在实际的短波天波段损耗预测中，反射点位置通常和E层可用频率最高值之间具有很大的关联性，如果短波信号频率比E层中的MUF高，其反射点便处在F2层[3]。

代表f比MUF大时的传播损耗，其公式为：

通过这样的方式，便可对短波通信过程中天波段传播损耗做到科学预测。

3.3 短波通信传播中的盲区确定

在对短波通信过程中的盲区范围进行确定时，需要将地波通信最大距离及天波跳距作为依据。在对天波段传播进行跳距估算的过程中，需要对天线所具有的辐射特征、载波频率及辐射仰角等的多方面因素加以综合考虑;在对地波段中的通信距离最大值进行估算时，需要对接收电台所具有的灵敏度加以重点考虑[4]。

假设某发射电台的短波发射功率是50dB，发射端与接收端的所有天线都属于全向归一化天线，其转化增益也都属于归一化;地波段的短波传播环境属于均匀光滑的陆地，其取值为3×10-2S/m;取值为40;发射端所在位置是118.78°E、32.07°N，电台接收灵敏度是-125dB，该短波发射电台的仿真参数情况如表1所示。

将这些参数带入到上述相应的计算公式中，便可实现各种传播损耗的预算，并将作为依据。

通过分析可知，在不对信噪比加以考虑的条件下，如果短波通信距离达到了261km以上，则两个短波电台并不能通过地波传播来实现通信。发射台和接收台之间可借助于天波传输的方式来进行通信，其最小跳距在528km左右。由此可见，在通信距离是261～528km的这一范围内，地波传输无法让短波信号满足接收电台的实际灵敏度要求，同时，天波传播的方式也不能进行，因此我们可将这一范围看作是这个短波收发电台中的通信盲区[5]。

将短波通信有效范围曲线图作为基础，本次研究中，进一步绘制出了频率在3～30MHz条件下，短波在天波傳播中的最小跳距，图1是这一频率范围内的短波有效通信范围和频率之间的关系图像。

根据上述图像，结合进一步的分析发现，在短波通信中，随着频率的加大，其盲区范围也呈现出了逐渐增加的趋势。之所以会出现这样的情况，是因为盲区范围会随着地波传播过程中的损耗频率增加而扩大，这样就会让盲区的范围逐渐靠近短波发射端[6]。而在此过程中，天线的最小传播跳距也会在MUF及仰角影响下随着频率的增加而略呈现出增大的趋势。

由此可见，在短波通信技术的具体应用中，通过低频短波信号的适当选用，便可获得更好的短波通信范围，以此来实现其通信能力的有效提升。

4 结语

为实现传播损耗的有效降低，相关单位与技术人员一定要通过科学、合理的方法来做好其传播分段损耗预算，然后以此为依据，通过合理的措施来降低其传播损耗，这样才可以让短波通信质量得到良好保障，发挥出此项技术的充分优势。

参考文献

[1]韩晓.海上超短波通信距离的影响因素分析[J].电子世界，2021（14）：59-60.

[2]惠蕙.基于SDR的超短波无线信道模拟器的研究与设计[D].石家庄：石家庄铁道大学，2021.

[3]魏文勇，王太峰.短波通信天馈系统工程设计研究[J].江苏通信，2020（5）：31-34.

[4]罗俞坤.探究超短波通信距离的主要影响因素[J].中国新通信，2020（15）：21.

[5]贡煜杰.短波通信自适应处理技术研究[D].成都：电子科技大学，2020.

[6]王琨，孟祥欣，潘强，等.基于屏蔽室的武器系统超短波通信距离评估方法[J/OL].火炮发射与控制学报：1-5[2022-01-12].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1280.TJ.20210713.1123.004.html.