信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離地空通信研究

梁 宇

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離地空通信研究

梁 宇

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

文章對(duì)地空信道的傳輸特性進(jìn)行研究和分析，結(jié)合仿真及試驗(yàn)手段，對(duì)短波遠(yuǎn)距離地空通信性進(jìn)行了研究。

信道；短波；通信；地空

1 短波信道通信系統(tǒng)研究背景

現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)中，利用機(jī)載通信設(shè)備，采用短波遠(yuǎn)距離地空通信，通過(guò)無(wú)線中繼、交換，實(shí)現(xiàn)多個(gè)地面臺(tái)（站）間、地空間的信息交互，變超視距通信為視距通信。無(wú)線通信距離更遠(yuǎn)，覆蓋面積更廣闊，傳輸帶寬較寬，抗干擾性更加強(qiáng)大，通信質(zhì)量更高，保密性能及安全可靠性得到很大提升。

短波信道及其特性對(duì)于短波遠(yuǎn)距離通信質(zhì)量具有決定性影響，短波鏈路作為衛(wèi)星通信主要途徑，研究短波信道機(jī)制，準(zhǔn)確分析其傳輸特性，選擇最佳通信鏈路，有助于進(jìn)一步提高航空通信系統(tǒng)遠(yuǎn)距離地空通信質(zhì)量和提升短波遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)和話音通信成功率。

2 短波遠(yuǎn)距離通信發(fā)展情況分析

20世紀(jì)50年代，無(wú)線通信技術(shù)成為通信領(lǐng)域的新的熱點(diǎn)技術(shù)，以美國(guó)和歐盟為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資研究空間電磁理論、空間電離層物理特性、雷達(dá)、天線、短波傳播特性、短波信道的噪聲、干擾等技術(shù)，對(duì)于短波等無(wú)線信道機(jī)制進(jìn)行建模。20世紀(jì)70年代，國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）廣泛使用并推廣窄帶模型：Watterson模型，模型有效帶寬僅為12 kHz及以下，一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)短波信道的特性進(jìn)行仿真研究，取得了諸多研究成果。到了20世紀(jì)80年代中后期，短波等無(wú)線信道機(jī)制的研究更加深入和廣泛，寬帶短波信道模型：Watterson模型后接群延遲特性濾波器模型和Watterson模型+高斯隨機(jī)延遲模型、Vogler模型、偽決定性信道模型、子帶并行—寬帶窄帶化模型等一系列技術(shù)得到普遍應(yīng)用。到了現(xiàn)在，ITS短波信道模型等研究和仿真技術(shù)也趨于成熟。

3 短波信道特性分析

3.1 短波信道特點(diǎn)

目前應(yīng)用的短波波段頻率在2～30 MHz范圍，基準(zhǔn)帶寬為3 kHz，1.24 kHz。根據(jù)空間電磁理論分析，由于受到電離層多徑反射影響，無(wú)線電信號(hào)再地球表面和電離層之間產(chǎn)生多次反射，這會(huì)引起短波信道，多跳傳輸產(chǎn)生多徑時(shí)變，產(chǎn)生頻率、時(shí)間的分散，因此，在接受端，接收到的信號(hào)產(chǎn)生毫秒級(jí)時(shí)間延拓與頻率拓展，造成信號(hào)的衰落，也稱(chēng)為多普勒頻移。中緯度范圍內(nèi)，短波信道引延遲拓展產(chǎn)生的時(shí)延多在2～6 ms區(qū)間范圍，信號(hào)衰落在1～5 Hz區(qū)間之內(nèi)，據(jù)研究人員研究表明，在高緯度的北部處于極光地區(qū)，產(chǎn)生的時(shí)延可達(dá)到10 ms，信號(hào)的衰落達(dá)到50 Hz。

電離層的狀態(tài)，決定了遠(yuǎn)距離短波信道的通信鏈路鏈接準(zhǔn)確率，遠(yuǎn)距離短波信道傳輸特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）信號(hào)傳播時(shí)延和信道傳輸函數(shù)模量|Ke(ω,t)|均具有時(shí)變特性。

（2）多跳傳輸產(chǎn)生多徑時(shí)變，引起多普勒頻移（信號(hào)衰落），容易產(chǎn)生傳輸碼間的相互串?dāng)_，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率用很大的影響和限制作用。

（3）電離層多徑反射及快速移動(dòng)引起多普勒頻移，信號(hào)相位變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收誤碼率較高，降低數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。

3.2 信道損耗分析

3.2.1 信道基本損耗

信號(hào)傳輸過(guò)程總會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，這是不可避免的。在遠(yuǎn)距離短波信道傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于自由空間的障礙物吸收，以及電離層吸收形成的損耗稱(chēng)為信道基本損耗。在信道鏈路特新分析過(guò)程，需要對(duì)信道基本損耗進(jìn)行計(jì)算和預(yù)估，另外還需要對(duì)系統(tǒng)額外損耗進(jìn)行計(jì)算和分析。

假設(shè)飛行器在試驗(yàn)狀態(tài)為白天，飛行器遠(yuǎn)距離測(cè)試設(shè)定為1 200 km距離的高空飛行，通過(guò)電離層（主要為F層）反射電磁波，地面短波和機(jī)載短波系統(tǒng)產(chǎn)生的自由空間損耗為[2]：

式（1）中，Lp0為自由空間損耗；f為信道頻率，取值為14.5 MHz；r表示電離層吸收頻率，F(xiàn)電離層空間高度取值為330 km。

3.2.2 電離層吸收損耗

電離層吸收損耗主要分為兩種，一種是在反射區(qū)附近電波被吸收，形成的偏移吸收；另外一種是在白天，由于電離層的D，E層吸收損耗，稱(chēng)為非偏移吸收。在計(jì)算過(guò)程，因便宜吸收損耗較小，一般忽略不計(jì)；電離層由于空間高度不同，空氣分子和電離子密度分布存在差異性，上層電離層電離子及中性份子密度大，下層密度少，對(duì)電磁波信號(hào)的影響不同。電離層吸收模式主要有F模式和E模式，如圖1所示。電離層中100 km處的維度點(diǎn)作為計(jì)算基點(diǎn)，電離層吸收的損耗通常定義為L(zhǎng)a，根據(jù)維度點(diǎn)處磁旋頻率fH以及磁旋角|x|計(jì)算出，同時(shí)需要計(jì)算出吸收因子AT(0,0)。

短波通信預(yù)測(cè)分析過(guò)程，需要對(duì)太陽(yáng)黑子數(shù)進(jìn)行參數(shù)選取，一般可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)，在官方天文網(wǎng)站進(jìn)行獲取。選取M，N點(diǎn)作為電磁波穿透電離層E層輔助基準(zhǔn)點(diǎn)，電離層吸收的損耗取M，N兩點(diǎn)吸收損耗的平均值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下[3]：

式（2）中，LaM表示E層電磁波穿過(guò)M點(diǎn)的吸收損耗；LaN表示E層電磁波穿過(guò)N點(diǎn)的吸收損耗。

圖1 電離層吸收損耗計(jì)算模型

3.2.3 額外系統(tǒng)損耗

遠(yuǎn)距離通信信道其他損耗稱(chēng)為額外系統(tǒng)損耗，如Es層附加損耗、雨衰和大氣吸收損耗、極區(qū)吸收損耗等都稱(chēng)為額外系統(tǒng)損耗。在工程計(jì)算中，額外損耗比較復(fù)雜，需要參考各種資料進(jìn)行預(yù)估。額外系統(tǒng)損耗通常用YP表示。

綜合以上分析，考慮一跳傳播方式，可以得出信道基本損耗計(jì)算公式：

在實(shí)際信道損耗計(jì)算中，還存在多跳模式，另外需要對(duì)天線損耗進(jìn)行計(jì)算，天線損耗主要包括地面接收天線、機(jī)載天線、極化天線等，需要另行計(jì)算。

4 信道傳輸模型的建立及仿真分析

短波信道傳輸模型如前面提到的寬帶短波信道模型：Watterson模型后接群延遲特性濾波器模型和Watterson模型+高斯隨機(jī)延遲模型、Vogler模型、偽決定性信道模型、子帶并行-寬帶窄帶化模型、TTS短波信道模型等。本文采用傳輸模型如圖2所示。建模過(guò)程，需要綜合考慮信道總損耗、外部噪聲功率、快衰落的防護(hù)度MR、最小信噪比等參數(shù)指標(biāo)[4]。

圖2 信道傳輸模型

計(jì)算信道通信鏈路總損耗為：

式（4）中，LT表示信道鏈路總損耗；LS表示系統(tǒng)損耗；LP表示信道基本損耗；Lt表示發(fā)射機(jī)附加損耗；Lr表示接收機(jī)附加損耗；Pt表示發(fā)射功率；Pr表示接收功率。

信道鏈路總增益為：

式（5）中，Power表示發(fā)射功率；Gt表示發(fā)射天線增益；Gr表示接射天線增益。

通信鏈路余量則為：

式（6）中，Threshold表示接收機(jī)門(mén)限。

在計(jì)算過(guò)程，最小信號(hào)功率為：式（7）中，P'n表示輸入噪聲總功率；γ0min表示最小信噪比。

判斷通信是否可靠，通常需要計(jì)算γ0min與信噪比γ0關(guān)系，信噪比大于最小信噪比，則通信可靠，反之表示通信可靠度達(dá)到多少。通信仿真測(cè)試一般采用MATLAB軟件環(huán)境進(jìn)行，仿真度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)距離短波通信是目前航空地空通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)，雖然短波通信信道衰落不可避免，受限于電離層影響，但隨著技術(shù)的不斷成熟，短波通信技術(shù)存在的問(wèn)題和缺陷不斷被優(yōu)化解決，短波信路具有良好的安全性、隱蔽性、機(jī)動(dòng)性、靈活性，而且成本低，通信質(zhì)量穩(wěn)定。通過(guò)研究分析短波通信信道特性，準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)信道頻率，優(yōu)化短波通信建模及計(jì)算方法，建立最佳短波鏈路路徑，將有助于短波技術(shù)的應(yīng)用。

[1]李玉昌，劉翠海，孫曉磊.短波信道特性分析及其仿真建模綜述[J].通信技術(shù)，2010（12）：28-29.

[2]劉滿堂.基于信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離地空通信[J].電訊技術(shù)，2012（9）：1508-1512.

[3]倪光華，杜智遠(yuǎn)，王東，等.地空通信信道特性仿真與分析[J].無(wú)線電工程，2015（6）：78-80.

[4]陳遠(yuǎn)友.無(wú)人機(jī)測(cè)控與通信系統(tǒng)信道傳輸特性研究[J].無(wú)線電工程，2014（3）：15-17.

Research on shortwave remote air ground communication channel characteristics analysis

Liang Yu
（Guangzhou Haige Communications Co., Ltd., Guanghzou 510663, China）

This paper carries out study and analysis of transmission characteristics of ground to air channel, combined with the simulation and the experiment means, shortwave remote air ground communication were studied.

communication channel; shortwave; communications; air to ground

梁宇（1971— ），女，廣西桂平，助理工程師；研究方向：無(wú)線電通信。