對流層散射通信信道特性分析

姚正旺 盧逸峰 徐京虎 姚新科

摘要：為了滿足對流層無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要，研究了對流層波傳播特性，并根據(jù)拋物面波動方程和分級波變換，開發(fā)了一種分析無線電波傳播特性的軟件。通過建立數(shù)字分辨率計(jì)算場景，提供基于對流層波轉(zhuǎn)換的對流層波傳播;然后根據(jù)提議的分析方法開發(fā)了對流層波傳播特性分析軟件;以及DU MATLAB.數(shù)字計(jì)算顯示，分步波轉(zhuǎn)換工藝優(yōu)于分步傅立葉轉(zhuǎn)換工藝;對流層傳播損失與天線矩形的高度和角度密切相關(guān)，而傳播損失與分步傅立葉轉(zhuǎn)換工藝的角度較低。天線和蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境中的傳播損失小于正常大氣環(huán)境中的傳播損失，此外，開發(fā)一個(gè)簡單而靈活的分析軟件用戶圖形界面。

關(guān)鍵詞：對流層散射;信道特性;損耗;衰落;多徑效應(yīng)

對流層擴(kuò)散的好處包括遠(yuǎn)距離視野、高容量、可靠性和其他好處，并為軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。對流層擴(kuò)散的傳播由于空氣動力學(xué)和熱力學(xué)條件、對流層折射率的時(shí)間和空間變異性以及反射的相互作用而復(fù)雜化。衍射與折射。對流層散射傳播特性的研究使用數(shù)值法解決拋物面型波動方程。 拋物型波動方程由Helmholtz波動方程作旁軸近似得到。一般地，拋物型波動方程具有這些獨(dú)特優(yōu)勢[5-8]：1）可同時(shí)處理折射效應(yīng)和衍射效應(yīng)，計(jì)算簡單、精度高。2）可有效處理非均勻、非規(guī)則的電磁分布，適合時(shí)變、空變電磁環(huán)境下的無線傳播的信道建模。3）采用迭代算法求解方程，可預(yù)測傳播路徑的損耗[9]。因此，拋物型波動方程非常適合折射率時(shí)變、空變的對流層傳播建模。

1 對流層散射傳播損耗

在對流層中廣播的通信信號被傳輸?shù)礁h(yuǎn)的距離，并且在傳輸過程中信號大量丟失，因此接收機(jī)到達(dá)的信號相對較低，并且通常使用較高的功率發(fā)射機(jī)和天線進(jìn)行通信。在廣播通信信號的傳輸路徑上，傳播損失主要包括廣播損失、自由空間損失、大氣吸收損失、天線高度損失、信號傳輸耦合損失和天線偏轉(zhuǎn)損失。

1.1 散射傳播損耗與距離的關(guān)系

影響散射傳播損耗的因素較多，主要包括通信距離、頻率、氣候、季節(jié)等，其中，通信距離的變化對散射傳播損耗的影響最為明顯。通過大量實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通信距離在100～400KM范圍內(nèi)時(shí)，每增加1KM傳輸損耗增加0.5分貝。當(dāng)距離超過500KM后，散射傳播損耗隨著距離增加而增大的速率會降低，并且，距離越長，損耗增加的速率越慢。

1.2 散射傳播損耗與頻率的關(guān)系

對流層廣播通信是通過對流層大氣中的廣播器對信號的擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行的，廣播傳播機(jī)構(gòu)是從其傳輸路徑上的下游廣播?！皵U(kuò)散方向圖半電角的外部角.頻率越高，擴(kuò)散者的方向圖越窄，能量越少到達(dá)接收端，其擴(kuò)散損失就越大。當(dāng)信號頻率增加時(shí)，廣播傳播損失通常會增加。觀測統(tǒng)計(jì)顯示，頻率變化對傳輸損失的影響不大，在某些情況下甚至不相關(guān)。當(dāng)信號頻率從1000兆赫增加到4000兆赫時(shí)，廣播損失僅增加約5db。

1.3 散射傳播損耗與時(shí)間的關(guān)系

散射傳播損耗與季節(jié)變化有關(guān)。隨著季節(jié)的不同，一年內(nèi)散射傳播損耗變化幅度約為15～20分貝。另外，北半球冬季的傳播損耗要大于夏季。對流層散射傳播損耗還存在著日變化，這種變化同樣會隨著季節(jié)不同而變，一般來說夏季比冬季變化要大。但總體來說，這種影響要比對短波的影響小，所以對流層散射通信不需要在晝夜更替時(shí)改變工作頻率，只要在線路設(shè)計(jì)時(shí)做出一定的衰落預(yù)留即可。

1.4 大氣吸收損耗

實(shí)際對流層大氣不是理想的傳輸介質(zhì)，當(dāng)電磁波在對流層大氣中傳播時(shí)，隨著頻率的增加大氣吸收損失增加。大氣吸收損失主要是由于粒子的共振吸收和擴(kuò)散。

1.5 信號傳輸時(shí)的耦合損耗

發(fā)送天線輻射的電磁信號通過不同的路徑到達(dá)接收端，因此接收天線產(chǎn)生的信號由于相位差而不再是平面波，天線的利用系數(shù)也在降低。對流層廣播通信通常使用大直徑和高取向的天線，天線束更窄，從而減少了擴(kuò)散器的體積和接收點(diǎn)的場強(qiáng)度。由于不想要的對流層大氣，電波不能僅在最佳接收方向到達(dá)接收端，通過結(jié)合上述因素，信號傳輸?shù)膶?shí)際增益減少，理論增益大幅度減少。

2 對流層散射傳播衰落

對流層散射信道存在衰落現(xiàn)象，這種衰落包括快衰落和慢衰落。由于對流層大氣變化的隨機(jī)性，所以這種衰落現(xiàn)象也具有隨機(jī)性。接收點(diǎn)電平或功率短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)快速變化起伏，稱為快衰落，接收點(diǎn)電平或功率以晝夜、月、年為周期出現(xiàn)長期變化，稱為慢衰落。這里主要對慢衰落進(jìn)行分析。

慢衰落主要表現(xiàn)在短期信號電平中值隨著時(shí)、日、月或年產(chǎn)生緩慢變化。一天當(dāng)中，信號電平一般在午夜和早晨最強(qiáng)，在12～18時(shí)最弱，并且其變化幅度與距離有關(guān)，距離較遠(yuǎn)時(shí)，變化幅度較小。一月當(dāng)中，電平變化幅度可達(dá)26dB，相鄰兩天的信號電平變化一般在3～4dB，最高可達(dá)21dB。

經(jīng)濟(jì)衰退緩慢主要是由于天氣條件的變化。天氣條件的變化導(dǎo)致大氣平流層動蕩強(qiáng)度和狀態(tài)的變化，導(dǎo)致大氣折射率和梯度的變化。對流層.L.折射率和對流層大氣尺度與溫度、濕度和大氣壓力相關(guān)聯(lián)，在大氣溫度高或低的情況下對信號電平有利，在北半球，夏季的土壤濕度較高，冬季的土壤干燥度較高，而大氣濕度因季節(jié)不同而變化較小，因此冬季和夏季的信號水平較高。由于太陽照射，土壤溫度高于大氣。因此，信號水平通常高于晚上，而且減緩與氣候、大氣運(yùn)動和地形密切相關(guān)。地理?xiàng)l件（例如，海洋、山區(qū)等）各不相同，對水準(zhǔn)的影響也各不相同。

3對流層散射傳播的多徑效應(yīng)

對流層散射信道存在多徑效應(yīng)，主要體現(xiàn)在：多徑傳播時(shí)延引起信號擴(kuò)展、多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制以及信號強(qiáng)度短時(shí)間或短距離的急劇變化等方面[4]。這種多徑效應(yīng)會造成信號的快衰落。快衰落是指信號電平或功率在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)快速隨機(jī)起伏，在這種情況下，慢衰落可忽略不計(jì)。其原因主要是由于信號的傳輸路徑的不同造成的，也就是說，同一傳輸信號會通過不同路徑到達(dá)接收端，接收信號由于相位的不同相互干涉形成多徑波，最終被接收天線所接收。信號電平快衰落變化的強(qiáng)度取決于多徑波的強(qiáng)度、傳播時(shí)間以及傳播信號帶寬等。

4 結(jié)束語

從無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化出發(fā)，通過研究分步小波變換求解二維拋物型波動方程的數(shù)值方法，本文開發(fā)了基于Matlab的分步小波變換求解對流層電波傳播特性的交互式分析軟件。其中，針對分步小波變換不能自動處理有損地表面的邊界條件的問題，提出了一種采用離散混合傅里葉變換的處理方法。分析結(jié)果表明：分步小波變換法比分步傅里葉變換法具有更好的收斂性;而開發(fā)的對流層電波傳播特性分析軟件，圖形用戶界面友好，操作簡單、靈活，并可實(shí)現(xiàn)對流層電波傳播特性數(shù)據(jù)的可視化輸出。最后，應(yīng)用開發(fā)的軟件，分析了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和蒸發(fā)波導(dǎo)兩種環(huán)境下的電波傳播特性，結(jié)果表明：傳播損耗隨傳播距離增加而增加，傳播損耗與天線高度和仰角密切相關(guān)，天線仰角越小，傳播損耗也越小;天線高度越大，傳播損耗也越小。此外，蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的傳播損耗比標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下的傳播損耗要小。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李可立.基于DSP的對流層散射信道仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，1998（1）：1-4.

[4]顧海龍，陳樹新.對流層散射通信信道建模及系統(tǒng)性能仿真[J].通信技術(shù)，2008，41（9）：26-28.