靶場微波通信路徑分析及優(yōu)選方法

陳 雨，崔建國，劉志春，劉春慧

(1.中國白城兵器試驗中心，吉林 白城137001；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京100083)

白城兵器試驗中心作為常規(guī)武器試驗靶場，由于其武器裝備類型多、試驗頻度大、測試點位分散，使得具有帶寬寬、布站靈活和多業(yè)務接入等特點的數(shù)字微波通信系統(tǒng)在試驗中地位和作用越來越重要。目前，試驗中心已擁有點對多點、點對點和機動寬帶三套微波通信系統(tǒng)，豐富了靶場試驗通信手段，提升了試驗中心的試驗能力。微波路徑是微波通信系統(tǒng)收發(fā)設備間的“橋梁”，其選擇結果直接影響整個系統(tǒng)運行狀況，當今，國內外關于微波路徑選擇與優(yōu)化的研究成果雖然很多，但多數(shù)從單一因素進行考慮，綜合效果并不理想。本文結合靶場工作實踐，通過分析多種因素提出優(yōu)選方法，以期使微波路徑的選擇更加簡捷有效，信號傳輸更加穩(wěn)定可靠。

1 影響微波路徑的主要因素

1.1 地形地貌因素

微波通信工作頻率主要集中在1 GHz～20 GHz范圍內，自由空間傳輸損耗是其主要能量損耗，計算公式為：

式中,Ls(dB)表示損耗、d(km)為收發(fā)天線之間的距離、f(GHz)是系統(tǒng)的發(fā)射頻率[1]。

微波傳輸過程中除自由空間損耗外，還會受到路徑上樹木、建筑、山峰等障礙物的影響而損失部分能量；平滑地面或水面產(chǎn)生的反射波和直射波矢量相加，若相互抵消也會產(chǎn)生附加損耗。因此，為更好地分析地形地貌對微波傳播特性的影響，需要運用費涅爾區(qū)的概念。

如圖1所示，費涅爾區(qū)是以收發(fā)端(T，R)為焦點的一系列不同短軸半徑(Fn)的旋轉球體的集合。第一費涅爾區(qū)是微波傳播中能量主要集中區(qū)域，其半徑(F1)計算公式為：

圖1 費涅爾區(qū)半徑和余隙示意圖

式中，d0為發(fā)、收端(T、R)之間距離，d1、d2分別為第一費涅爾區(qū)上一點P1到d0的投影點與T、R兩端的距離，d0=d1+d2,單位為km，半徑F1單位為m，頻率f單位為GHz[2]。

工程上，對接收點R而言，只要保證P1點的合成場強E≈E1/2(E1為第一費涅爾區(qū)的場強)，即第一費涅爾區(qū)的一半以上不被地形地貌遮擋，就可近似得到自由空間傳播時的場強。這就是微波通信要求視距傳播的直接原因。

1.2 地面反射因素

微波傳播過程中，接收點除收到來自發(fā)射天線的直射波外，還會收到地面反射波。地面反射對視距傳播有重要影響，它是產(chǎn)生電平衰落的主要原因之一。如圖1所示，反射點到直射波的垂直距離稱為余隙hc，接收點的合成場強E與自由空間場強E0之比稱為地面反射衰落因子，用V(dB)表示,借助余隙hc來計算V，其計算公式為：

式中，φ為反射系數(shù)，F(xiàn)1為第一費涅爾區(qū)半徑，hc/F1稱為相對余隙。衰落因子V與相對余隙hc/F1的相互關系如圖2所示[3]。

圖2 衰落因子V與hc/F1的關系

實際工作中，要盡可能增加微波設備收發(fā)天線的高度，以增大傳輸路徑上高點與直射波之間的余隙，確保相對余隙hc/F1≥0.6,進而避免地面反射帶來的影響。

1.3 大氣因素

對10 GHz以下的微波設備，大氣因素的影響主要表現(xiàn)在大氣的折射上。由于折射作用，使實際電波傳播不是按直線而是按曲線進行，如圖3所示。

地球真實半徑為R0，其等效半徑為Re，ρ為電波傳播的曲率半徑。其關系式為：

圖3 等效地球半徑概念

式中,K為等效地球半徑因子。通常把K＝4/3時的大氣折射稱為標準折射，此時，電波在不均勻大氣中產(chǎn)生折射時的視線傳輸距離d0為：

其中，d0的單位為km;h1、h2分別為收、發(fā)天線高度，單位為m。

實際工作中，當遇到大風、揚沙、暴雨等極端天氣時應避免設備開機，因為電波會發(fā)生負折射，導致K＜1，射線向下凹，使原來處于亮區(qū)的接收天線進入半陰影區(qū)或陰影區(qū)，從而使損耗顯著增加，接收信號減弱。若因任務需要必須開機時，應考慮縮短通信距離。

2 選擇微波路徑的基本要素

2.1 視距與天線高度

由于地球是球形，凸起的地表面會阻擋視線，在收發(fā)天線一定的情況下，視線所能到達的最遠距離稱為視線距離d0，它與收發(fā)天線的關系如圖4所示。

圖4 視線距離d0與收發(fā)天線高度h1、h2關系圖

圖4中，h1和h2分別為發(fā)信和收信天線高度，R0為地球半徑，視線距離d0(d0=d1+d2)為直射波所能到達的最遠距離。由于R0＞＞h1、h2，把地球半徑R0=6 370 km代入可近似得出：

式中，d0的單位為km，h1、h2的單位為m。

為分析簡化起見，通常依據(jù)接收端離發(fā)射天線的距離分成3個區(qū)域，即亮區(qū)、陰影區(qū)和半陰影區(qū)：d＜0.7d0的區(qū)域稱為亮區(qū)；0.7d0＜d＜1.2d0區(qū)域稱 為半陰影區(qū)；d＞1.2d0區(qū)域稱為陰影區(qū)。如圖4所示,TS段屬于亮區(qū)，SB段屬于半陰影區(qū)，B點以外屬于陰影區(qū)。在架設天線時，應盡量保證收信天線處于亮區(qū)或半陰影區(qū)。

2.2 斷面

微波通信傳輸路徑在選擇和設計時應考慮斷面，其目的是為了更好地確定不同種類地形地貌所形成的衰落與損耗。斷面的選取可參照“數(shù)字微波接力通信工程設計”中的相關規(guī)定，劃分為四種類型，劃分條件及特性如下[4]：

A型：斷面由山嶺、城市建筑物或兩者混合組成，中間無寬闊的河谷和湖泊。這類斷面，大氣比較干燥，多徑衰落的概率很小，等效地面反射系數(shù)小于0.5，即由地面反射波引起的接收電平值的下降不超過6 dB。

B型：斷面由起伏不大的丘陵地帶組成，中間無寬闊的河谷和湖泊。這類斷面由于地面起伏不大，對多徑衰落的影響不能忽略，等效地面反射系數(shù)小于0.7，即由地面反射波引起的接收電平值的下降小于10 dB。

C型：斷面由平地、水網(wǎng)較多的區(qū)域組成，氣候潮濕，大氣不均勻層引起的多徑衰落比較嚴重。這類斷面，等效地面反射系數(shù)不小于0.7，地面反射波引起的接收電平值的下降超過10 dB。

D型：斷面是指跨越大型水面的路徑，如大江、大河、大型湖泊等。這類斷面，水面反射和大氣不均勻層引起的衰落比A、B、C型都嚴重，是對電波傳播穩(wěn)定性影響最大的斷面，其接收電平值的下降遠大于15 dB。

以上分析表明，斷面特性決定了電波傳播的穩(wěn)定性。在實際組網(wǎng)和站址選擇時，應盡量選取A型和B型斷面的傳播路徑，避免和減少處于C型和D型斷面的路徑。

3 優(yōu)化路徑選擇的方法

3.1 掌握衰落一般規(guī)律

引起微波通信信號衰落的原因是多方面的，可簡要地歸納為地面反射、多徑傳播、大氣折射、雨霧吸收等。其一般規(guī)律如下：

(1)波長越短，距離越長，衰落越嚴重。

(2)夜間比白天嚴重，夏季比冬季嚴重。因白天有陽光照射，空氣對流較好，冬季氣象變化比夏季緩慢。

(3)晴天、寧靜天氣比陰天、風雨天氣時嚴重。因晴天時大氣分層結構容易形成，并不容易消散，從而產(chǎn)生多徑傳播。

(4)路徑中有水面的電路比全是陸地電路衰落更嚴重。

(5)平地電路比丘陵山區(qū)電路衰落更嚴重。

3.2 進行衰落可靠性估值

根據(jù)概率論方法，衰落特性的分布函數(shù)服從于廣義的瑞利分布。通過各國的統(tǒng)計測試，衰落深度概率較為通用的經(jīng)驗公式為：

式中，Pr為衰落深度概率，d為站距(km)，f為工作頻率(GHz)，K為環(huán)境條件因子，Q為地形條件因子，VdB為衰落深度(又稱衰落儲備值)。衰落深度指正常接收電平與接收機門限電平的差值。因國家和地域不同，對式(7)中因子的取值各不同。我國選用了日本、美國的折中值，與西北歐的取值接近。

在我國習慣用中斷率指標來反映通信系統(tǒng)的可靠性，高可靠性要求達到10－7。對于微波通信，通常用系統(tǒng)的衰落深度概率來表示中斷率[5]。以機動寬帶微波通信系統(tǒng)為例，由于試驗中心靶場屬草原地區(qū)，K、Q乘積取值為1×10－9，B取值為1.2，C取值為3.5,頻率f為7 GHz，站距d按30 km計算，將Pr=10－7代入式(7),可求出其衰落深度VdB為26 dB,小于系統(tǒng)設計的衰落深度值26.2 dB[6]，滿足系統(tǒng)高可靠性的要求。

3.3 把握選擇實施要點

靶場微波通信系統(tǒng)的路徑選擇，除要考慮上述固有因素外，還要結合靶場通信的特殊性，掌握實施要點，提高路徑選擇的科學性和合理性。

(1)要熟悉設備性能。對系統(tǒng)收發(fā)頻點、發(fā)射功率、通信距離、對外接口形式、業(yè)務容量等參數(shù)做到了如指掌。

(2)要進行圖上作業(yè)。接到通信任務后，要在地圖上分析首區(qū)、落區(qū)、測試設備間的位置關系，計算站距、方位角、天線高度等。

(3)要進行實地勘察。要在圖上作業(yè)的基礎上，進行實地查驗，觀察所選點位是否與地圖有出入，周邊環(huán)境是否滿足布站的安全保密要求。對于超出靶場范圍的陌生地域，實地勘察更是必不可少的環(huán)節(jié)。

(4)要檢測電磁環(huán)境。既要了解試驗中心無線設備的頻率和發(fā)射功率，還要了解附近民用無線設備的頻率和發(fā)射功率，以確保設備工作在相對干凈的電磁空間內。

(5)要搞好記錄總結。要將不同點位的路徑參數(shù)和設備工作情況做好統(tǒng)計、歸類，建立通信環(huán)境數(shù)據(jù)庫，為以后相同環(huán)境條件下系統(tǒng)的快速開通提供實踐依據(jù)。

本文通過對影響微波路徑選擇主要因素的分析，結合靶場通信特點，提出在不同條件下微波路徑選擇時要考慮的基本要素，總結了路徑選擇的規(guī)律和實施要點，以期使操作維護人員能夠將理論與實踐相結合，把握微波通信規(guī)律，掌握路徑優(yōu)選方法，因地制宜，科學合理地制定通信保障方案，發(fā)揮微波設備工作潛能，提高其穩(wěn)定性和可靠性，更好地為試驗科研工作服務。同時，也為其他微波通信系統(tǒng)應用單位提供一定的參考和借鑒。

[1]買買提江.微波通道傳輸特性與本地網(wǎng)微波系統(tǒng)設計[EB.OL].[2005-04-15](2013-04-17).//www.xjis.org.cn.

[2]李承權.微波一點多址通信(電信職工培訓叢書)[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[3]唐朝京.數(shù)字微波通信技術[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

[4]顧金根,劉沈.微波傳輸工程設計[M].北京：人民郵電出版社,1992.

[5]YD/T746－95點對多點微波通信系統(tǒng)技術要求和測量方法[S].1995.

[6]大唐聯(lián)誠.63850部隊微波通信分系統(tǒng)資料匯編[S].大唐聯(lián)誠技術有限公司,2009.