短波通信传播路径损耗分段预测方法

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　　摘 要：针对短波通信在不同通信距离具有完全不同的传播机制问题，综合考虑短波信号受电离层反射、地面吸收等环境因素的影响，建立了一个包含传播损耗、阴影衰落、多径衰落和多径时延的短波分段信道模型。在此基础上，根据短波信号在天波段和地波段的传播特性，分别研究了信道模型在相应传播距离内的传播损耗参数计算方法，以及短波电台无法正常通信的盲区范围。数值仿真结果表明，本文损耗预测结果能够体现不同传播模式下的变化情况，并与ITU实测结果基本吻合。该结论可为短波通信系统性能评估、抗干扰能力预测和通信方案优化等提供理论参考。
　　关键词：短波通信;信道模型;天波;地波;传播路径损耗
　　中图分类号：TJ765.4;TN98 文献标识码：A文章编号：1673-5048（2020）01-0071-05
　　0 引言
　　随着无线通信技术的发展，短波通信在民用领域的应用变得相对有限，但由于其传输距离远、受制约因素小、中继不易摧毁等优点，短波通信在军事领域、特种作业领域起着不可替代的作用[1-2]。短波信道环境复杂，尤其是受电离层影响较大，建立短波信道模型并评估其可靠性是使用短波通信之前必不可少的一项工作。
　　经典短波信道模型有Watterson 等人提出的高斯散射增益抽头延迟线模型[3]和Mastrangelo等人提出的ITS模型[4]。目前常用的短波信道模型多是基于这两种模型的改进，如文献[5]针对ITS模型存在的参数复杂、多径时延固定等问题，提出了增加一个参数修正模块的改进模型;文献[6]提出了结合IRI-2012数据，使用射线跟踪模型进行参数估计的ITS改进模型;文献[7]基于加利福尼亚南部的实测数据提出一种修正的NVIS模型，该模型的参数估计依赖于其在特定地区特定时间的实测数据。
　　实际中，传播信号的路径损耗是影响短波通信可靠性以及抗干扰能力的最重要因素之一[8]。鉴于短波通信存在天波传播、地波传播等不同模式，各模式下传播路径损耗也都不同。为方便对传播路径损耗进行预测分析，本文给出了一个通用的短波信道模型，并根据短波通信的特性，针对地波段和天波段两种不同传播模式分别进行了模型参数讨论，重点分析讨论短波信号传播损耗的预测方法，并利用数值仿真验证了分段预测方法的正确性。
　　1 信道模型
　　对于短波通信场景，短波信号传播方式可分为地波方式和天波方式，如图1所示。其中，地波信号沿地球表面传播，不受气候影响，比较稳定，但传播距离受地面环境限制;天波信号经电离层反射到达接收端，受电离层影响较大，且稳定性较差。此外，天波方式传播的距离最小值称为跳距，当地波信号能够达到的最大距离小于跳距时，就会产生一段短波信号无法到达的盲区。
　　为便于描述，将短波信道统一建模为
　　式中：N为可分辨的多径簇数目;τn为各簇路径时延;h～n（t）表示短波信道中的路径损耗、阴影衰落和多径衰落等信道衰落因子;Pn=Pr/Pt表示接收功率Pr和发射功率Pt的比值，也是决定短波通信系统误码性能的关键参数。若考虑收发端天线增益因素，传播路径增益Pn还可定义为
　　式中：Lm为地波段的路径传播损耗，主要受地面环境和信号频率的影响;Lb为天波段的路径传播损耗，与信号在电离层的反射点（控制点）的位置密切相关。
　　2 传播损耗参数预测方法
　　2.1 地波段传播损耗
　　通过对传统的Okumura-Hata 模型进行改进，利用如下方法对地波段的路径传播损耗进行计算：
　　2.2 天波段传播损耗
　　天波段的路径传播损耗比较复杂，考虑因素也比较多，其计算方法为
　　Li为电离层的吸收损耗，本文采用如下半经验公式进行预测[10]：
　　Lbf為传播过程中的自由空间传输损耗，可表示为
　　电离层从低到高分为D层、E层和F层，F层又可分为F1层和F2层。短波信号在电离层的反射点通常存在于E层和F2层，当反射点在E层时，h可取为110 km;当控制点在F2层时，h取值比较复杂，需根据f0，F2与f0，E的比值、跳距以及收发电台之间的大圆距离D进行估计。
　　实际中，控制点位置的判断通常与E层的最高可用频率（Maximum Usable Frequency，MUF）有关，当短波信号的频率大于E层的MUF时，控制点将位于F2层。
　　2.3 短波通信盲区分析
　　短波通信的盲区范围根据地波段的最大通信距离和天波段的跳距确定。天波段跳距的估计需要综合考虑天线的辐射特征、辐射仰角、载波频率等多个因素[11-12]。地波段的最大通信距离主要考虑接收电台的灵敏度。
　　假设发射电台的发射功率为50 dB，收发端电台的天线均为归一化全向天线，转化增益也归一化。地波传播环境为光滑均匀的陆地环境（σ=3×10-2 S/m， ε=40），发射端在南京（118.78° E，32.07° N），接收灵敏度为-125 dB，其他仿真参数如表1所示。
　　将ht，hr，f代入式（5），得到Lm关于D的关系式;将n代入公式（9）得到Lg，将χ，fH，Φ，i110代入公式（10）得到Li，将n，h，f代入公式（11）～（13）得到Lbf，将Lbf，Lg，Li等代入式（8）得到Lb关于D的关系式，分别将Lm，Lb代入公式（3），根据Pn=Pr/Pt得到如图3的曲线。由图可见，在不考虑信噪比的情况下，当通信距离大于261 km时，两个短波电台之间无法再使用地波传播方式进行通信;收发电台之间能够使用天波传播进行通信的最小距离（即最小跳距）约为528 km;在261～528 km范围内，地波传播方式的短波信号不能够满足接收电台的灵敏度要求，且天波方式无法进行，可以认为这段区域即是此时收发电台的通信盲区。 　　在图3的基础上，图4进一步给出了3～30 MHz范围内不同频率对应的天波传播最小跳距，以
　　及地波传播中接收功率恰好满足灵敏度要求的最大传播距离。由图可见，盲区的范围随频率的增大而增大，主要原因在于地波传播的损耗随频率的上升而急剧增大，使得盲区范围向发射端靠近;而天波传播的最小跳距也因仰角及其对应的MUF的影响随频率的上升而略有增大。因此，在短波通信中合理地选择频率较低的短波信号，更有利于获得较好的通信范围，提高短波的通信能力。
　　3 数值仿真及分析
　　为了观测载波频率和传播距离对短波地波传播模式下路径传播损耗的影响，假设不考虑噪声干扰，在表1仿真参数的基础上，给出了频率分别为7.5 MHz，15 MHz，30 MHz的短波信号在陆地环境（σ=3×10-2 S/m， ε=40）下的地波传播曲线，如图5所示。由图可见，地波段的路径损耗随着传播距离增加而增大，距离越远，地面吸收引起的损耗现象越明显。在相同的传播距离处，载波频率越高损耗越大，这是由式（5）中f对Lm的影响决定的。图中曲线的趋势与文献[13]给出的对应频率的实测曲线基本一致，说明了本文地波传播损耗估计方法的有效性。
　　为了验证短波通信在天波传播模式下的路径损耗情况，本文将预测结果与文献[14]的参考值进行对比。假设发射电台的经纬度为23.0° N，120.3° E，接收电台的经纬度为29.9° N，126.4° E，通信时间为2010年5月17日6时整，其他参数如表2所示。从图6可以看出，本文预测的天波损耗与文献[14]给出的参考值基本一致。另外，天波损耗并不是随频率的升高而单调递增，这是由于频率的变化改变了反射点的位置，使得虚高h、倾角Δ以及损耗因子Lf等参数起伏变化，从而影响了损耗随频率的变化趋势。因此，使用合适的低频率短波信号会产生较低的天波损耗，从而获得更好的通信质量，这与前文对盲区的讨论结果一致。
　　4 结论
　　本文针对短波通信在不同通信场景下具有不同传播模式的特点，提出了一种基于分段的短波信道模型，分析了传播路径损耗参数的预测方法。对于地波段，研究了一种基于改进的Okumura-Hata模型来预测短波信号的传播路径损耗。对于天波段，借鉴 ITU标准方法并综合考虑电离层等因素，提出了一种预测天波段传播损耗的改进方法。仿真结果表明，使用短波电台在地波段通信时，通信距离是主要的制约因素，而在天波段通信时，通信频率的选择对通信质量有较大影响。
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