数字对流层散射通信传播可靠度测算

1前言

对流层是指靠近地球表面的大气最低层,它的上边界高度随着维度、季节和天气状况而有所差别,通常认为它的上边界高度为18公里。利用对流层媒质的不均匀性对电波的散射作用实现的通信,这种方式称为前向对流层散射通信,简称散射通信。由于散射通信单跳距离可达几百公里,可实现超视距通信;具有很强的抗干扰、抗截获、抗侦收能力;机动性好,能够跨越沙漠、戈壁、山地、湖泊等复杂地形;通信容量大,可达8Mbit/s,因此,散射通信在军事通信领域得到广泛应用。对流层散射通信的效果与通信距离、工作频率、散射角、大气折射指数、天线增益、架设高度、地形、气候等密切相关,为了保证通信质量,需要根据有关参数,计算系统传播可靠度。下面给出基本概念、有关计算公式和方法以及计算步骤。

2链路传播可靠度估算

为了计算链路的传播可靠度,需要明确设备的能力和电波传输链路损耗。对于对流层散射通信总体论证和工程设计,关键是估算电波传输链路损耗,然后根据电波传输链路损耗、目前的技术水平,通过反复迭代计算设计,最终确定设备的能力。

2.1散射电波传输链路损耗

散射电波传输链路损耗计算多采用在大量测试基础上对散射传播模型进行修正的公式。散射传播模型主要有三类:湍流非相干散射模型、不规则非相干反射模型、稳定层相干反射模型。广义散射理论模型对三类传播模型进行了有效的整合和升华,在此基础上,提出了散射电波传输链路损耗计算方法。根据引起散射损耗原因的不同,将散射电波传输链路损耗分为基本传输损耗、天线偏向损耗、口面介质耦合损耗、地面反射损耗四部分。基本传输损耗又包含了主基本损耗、大气吸收损耗和天线低架损耗三部分,这部分通常与气象气候条件、频率、距离等密切相关。而天线偏向损耗、口面介质耦合损耗、地面反射损耗通常与气象气候条件、频率、距离等相关性不强,所以单独列出。

散射电波传输链路损耗Lm(dB)为:Lm=Lb+La+Lc+Lr(1)式中,Lb(dB)为基本传输损耗;La(dB)为天线偏向损耗;Lc(dB)为口面介质耦合损耗;Lr(dB)为地面反射损耗。需要明白的是,散射电波传播会受到衰落影响,散射电波传输链路损耗不是一个固定数值,会在一定范围内变化,所以工程意义上的散射电波传输链路损耗Lm(dB)是传输损耗的中值。通常又分为短期中值和长期中值两种,短期中值是在几分钟到一个小时时间内,50%时间的传输损耗瞬时值超过的值,而长期中值是在较长的时间内(1年),50%时间短期中值超过的值。

2.1.1基本传输损耗

基本传输损耗Lb(dB)包含主基本损耗、大气吸收损耗和天线低架损耗,公式如下:Lb=Lb0+LA+LbR(2)式中Lb0(dB)为主基本损耗;LA(dB)为大气吸收损耗;LbR(dB)为天线低架损耗。

1)主基本损耗

主基本损耗Lb0(dB)计算公式为:Lb0=M+10(n+2)lg(f)+10(m-2)lg(θ)+10lg(d)+N(H,h)(3)式中M(dB)为气象因素造成的传输损耗,称为气象因子。气象因子和气候区有关,具体数值见表1。n为相对于自由空间的主基本传输损耗的频率指数,无量纲,变化范围就10%~90%的概率来讲,在-1~+3之间,平均值为1,因此n通常取1;f为工作频率,单位MHz;m为散射截面的散射角负幂指数,无量纲,m通常取5;θ为最小散射角,单位mrad(毫弧度);d为路径长度,单位为km;N(H,h)为由散射体公共体积底部高度影响的传输损耗项。最小散射角θ计算公式为:

θ=θe+θt+θr(4)式中θt为发射机地点的视线仰角,链路估算的时候,通常按照平滑地形考虑,取数值为0mrad;θr为接收机地点的视线仰角,链路估算的时候,通常按照平滑地形考虑,取数值为0mrad;而θe=d•103kα(5)式(5)中d为路径长度,单位为km;α为地球半径,取数值6370km;k为等效地球半径因子k=11-0.04665e0.00557NS(6)其中,NS为散射体区域当地地面大气折射率,单位为N单位。可查阅有关资料,确定该数值。也可根据有关公式,结合当地温度、湿度、气压等气象参数来确定。

N(H,h)(dB)的计算公式为:N(H,h)=20lg(m+γH)+4.4343γh(7)式中m为散射截面的散射角负幂指数,无量纲,通常取5;γ(km-1)为大气结构参数,见表1;H为散射体最低点到收发两点连线的距离,单位km;h为散射体最低点到地面的高度,单位km。H的计算公式为:H=10-3θd4(8)其中d为路径长度,单位为km;θ为最小散射角,单位mrad(毫弧度);k为等效地球半径因子。h的计算公式为:h=10-6θ2kα8(9)其中θ为最小散射角,单位mrad(毫弧度);k为等效地球半径因子;α为地球半径,取数值6370km。

2)大气吸收损耗

由于大气中干空气和水汽对无线电波的吸收,造成电波信号的衰减,这种衰减称为大气吸收损耗。当系统工作于2GHz以上的时候,用于散射通信系统一般通信距离都较远,因此,大气吸收损耗不能忽略。通常在不考虑降雨的情况下,大气吸收损耗LA(dB)的计算公式为:LA=A(d)×B(f)(10)式中A(d)是与距离有关项,d为路径长度,单位为km;B(f)是与频率有关项,f为工作频率,单位MHz。A(d)=(18+0.0055d)(1-e-2d2×10-5)(11)B(f)=0.1×lg(f+100)+5f2×10-10-0.23(12)

3)天线低架损耗

散射公共体积内的照射场和散射场均为直接波和地面反射波相互叠加的干涉场,其场强随着散射点高度的变化而变化,并交替出现波峰和波谷。当天线架设高度足够高时,波峰与波谷靠的很近。当天线架设高度很低时,波峰与波谷离的很远,起主导作用的散射体下部相当多的部分接近波谷,相对于高架天线来讲,低架天线出现了损耗,因此称为天线低架损耗LbR(dB)。实际测试表明,当天线架设高度为30个波长以上的时候,天线低架损耗一般可以忽略。例如,对于工作在5GHz频段的散射通信系统,天线架高大于2米的时候,天线低架损耗即可忽略。

2.1.2天线偏向损耗

对流层散射通信发信和收信两端的天线波束均有一个最佳指向。从仰角方面来讲,天线波束太高,使散射能量减弱,天线波束太低,使得过多的辐射能量被地球所遮蔽,所以波束仰角有一个最佳数值。在方位角方面,天线波束以相互对准为最佳。如果,天线波束偏离最佳指向,则会产生损耗,将此损耗称为天线偏向损耗。工程上,通常取天线偏向损耗La(dB)数值为1dB。

2.1.3口面介质耦合损耗

实际测试表明,在对流层散射通信中,当天线的增益足够高的时候,通常大于30dB,其平面波的增益将降低,这就是天线的口面介质耦合损耗,用Lc(dB)表示。主要原因是散射的多径传播效应。口面介质耦合损耗Lc(dB)的计算公式为:Lc=0.07×e[0.055×(GT+GR)](13)式中GT是发信端天线增益,单位为dB;GR是收信端天线增益,单位为dB。

2.1.4地面反射损耗

地面反射损耗Lr(dB)按照工程经验取值为0.5dB。

2.2散射通信设备的能力

所谓的散射通信设备能力,就是在零距离情况下,设备超过门限信噪比的分贝数,有时又称为设备的衰落储备量。散射通信设备能力与天线增益、发信功率、门限信噪比、噪声系数、信道传输速率、设备的固有损耗等有关系。表2给出了一个典型散射通信设备的参数和链路参数。散射通信设备能力用Gs(dB)表示:Gs=204-NF-SNR-10lg(Rb×106)+GT+GR+PO-LTfeed-LTdup-LRfeed-LRdup-LO(14)2.3传播可靠度估算在知道了设备的能力Gs(dB)和传输损耗Lm(dB)后,则可以利用公式(15)进行链路传播可靠度计算。

ρ=0.5×1+ΦGs-Lm2δ(15)式中Φ(x)是误差函数;δ是标准偏差,δ=-Y(90)/1.2816(16)其中Y(90)是传播可靠度为90%的时候需要的衰落储备变换因子,与气候区有关,见公式(17)和图1中,Y(90)=-2.2-(8.1-2.3×10-4×f)e-0.137h对应2、6、7a气候区-9.5-3.0e-0.137h对应7b气候区(17)式中,f为工作频率,单位MHz;h为散射体最低点到地面的高度,单位km,计算方法见公式(9)。对于气候区1、3、4,Y(90)可查图1获得。

3链路计算实例

假设一条散射通信链路,设备参数和链路参数见表2,计算通信200km的可靠度。根据上述计算公式,计算的结果见表3,由表3可知,该微波散射通信系统链路的可靠度为99.36%,满足工程实际通信要求。

4结束语

本文针对具体工程应用,根据对流层散射通信特点,梳理了数字对流层散射通信有关链路估算方法,给出了系统传播可靠度直观简便的计算公式,可用于数字对流层散射通信总体论证和工程设计。