短波通信網(wǎng)覆蓋分析

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本文作者：攸陽(yáng) 單位：海軍司令部信息化部

1系統(tǒng)模型

短波通信網(wǎng)覆蓋分析主要是基于覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)(或信噪比)的分析。考慮到覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)(或信噪比)主要受發(fā)射天線(xiàn)和傳輸信道的制約，應(yīng)通過(guò)天線(xiàn)三維空間增益計(jì)算和空間電波傳播理論分別構(gòu)建發(fā)射天線(xiàn)和傳輸信道的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)短波傳播環(huán)境特性對(duì)理論模型進(jìn)行不斷修正與改進(jìn)。

1．1發(fā)射天線(xiàn)模型

構(gòu)建發(fā)射天線(xiàn)模型的目的是得到發(fā)信天線(xiàn)的三維空間增益值。對(duì)于一些特定類(lèi)型的天線(xiàn)，可采用常見(jiàn)的數(shù)值計(jì)算方法—矩量法直接編程計(jì)算，并將天線(xiàn)程序做成函數(shù)供軟件調(diào)用，用戶(hù)隨機(jī)設(shè)置的天線(xiàn)參數(shù)可作為函數(shù)的輸入?yún)?shù)。需要指出的是，計(jì)算即使再精確，得到的增益數(shù)據(jù)也是有限的，而給定區(qū)域的空間位置是無(wú)窮多的，即收信點(diǎn)與發(fā)信點(diǎn)之間由于位置不同，水平角度和仰角這些數(shù)據(jù)則是隨機(jī)的，這就需要對(duì)有限的增益值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。

MATLAB工具提供了4種可采用的計(jì)算機(jī)插值方法［4］，如表1所示。本文采取3次樣條插值(spline)，既保證計(jì)算所需的精度，又保證方向圖的平滑度。矩量法編程計(jì)算盡管形式比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于編程的要求非常高，工作量巨大。對(duì)于復(fù)雜類(lèi)型的天線(xiàn)，可采用電磁場(chǎng)分析的模擬軟件NEC來(lái)仿真天線(xiàn)的場(chǎng)分布，可以高效、快捷地得到結(jié)果。通過(guò)NEC計(jì)算出不同類(lèi)型的天線(xiàn)在不同參數(shù)下的所有增益數(shù)據(jù)，將其做成數(shù)據(jù)庫(kù)。計(jì)算機(jī)讀入用戶(hù)設(shè)置的參數(shù)后，對(duì)此數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維插值，得到所需的增益值。發(fā)射天線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)只是本文中進(jìn)行探索性的方法，目的是實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的通用性，既適用于發(fā)射天線(xiàn)的設(shè)計(jì)階段即網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，也適用于已經(jīng)建成的通信臺(tái)站進(jìn)行通信組織與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。對(duì)后一種情況，天線(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的算法將大大簡(jiǎn)化，因?yàn)閷?duì)于已經(jīng)建成的通信臺(tái)站，天線(xiàn)類(lèi)型及各種天線(xiàn)的各種參數(shù)已經(jīng)固定，此時(shí)無(wú)需再進(jìn)行發(fā)射天線(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置，只需對(duì)所有固定的臺(tái)站天線(xiàn)進(jìn)行建模和仿真，將得到的三維增益數(shù)據(jù)制作成數(shù)據(jù)庫(kù)，供系統(tǒng)調(diào)用，這一點(diǎn)對(duì)于短波通信網(wǎng)絡(luò)的精確有效管理和運(yùn)維，有著較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1．2傳輸信道模型

短波波段天波傳播電離層反射信道屬于時(shí)變色散信道，具有時(shí)間、頻率和空間3種選擇性的衰落，電波傳播條件十分惡劣和復(fù)雜，要準(zhǔn)確地計(jì)算信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)是很困難的，通常采用理論分析和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的辦法，建立基于實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)(或修正經(jīng)驗(yàn))的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。常見(jiàn)的建立方法分為2類(lèi)，一類(lèi)是使用國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)(ITU-R)開(kāi)發(fā)的基于報(bào)告252、報(bào)告252補(bǔ)編和報(bào)告894的方法3個(gè)獨(dú)立的估算短波天波場(chǎng)強(qiáng)的方法，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化后直接編程實(shí)現(xiàn)［3，5］;另一類(lèi)是使用已開(kāi)發(fā)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)程序，如IONCAP、ICEPAC和PropMan等。

本文使用基于電離層通信增強(qiáng)剖面分析和電路預(yù)測(cè)的ICEPAC程序來(lái)仿真電波傳播模型。該程序適用地域?qū)挿?，使用?jiǎn)便，目前被廣泛應(yīng)用在美軍軍事通信裝備中，其中包括美軍海軍大型艦船上使用的Harris公司的高頻寬帶發(fā)射系統(tǒng)。具有50%概率的場(chǎng)強(qiáng)值稱(chēng)為場(chǎng)強(qiáng)中值，由于通信覆蓋區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)的變化趨勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，可用其來(lái)表征信號(hào)強(qiáng)度［5］。信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值由下式計(jì)算:E=107.2+Pt+Gt+20lgf－LbdB(μV/m)，式中，E為均方根場(chǎng)強(qiáng)(以相對(duì)于1μV/m的分貝值表示)，f為發(fā)射頻率(MHz)，Pt為供給發(fā)射天線(xiàn)輸入端的功率(以相對(duì)于1W的分貝值表示);Gt為發(fā)射天線(xiàn)在要求的方位角和仰角上相對(duì)于各向同性輻射天線(xiàn)的增益(dB)。實(shí)際上，由于電離層傳播存在衰落變化和波動(dòng)，接收信號(hào)是不穩(wěn)定的，而且噪聲和干擾也有隨機(jī)變化，因此信噪比以及相應(yīng)的接收質(zhì)量也不是穩(wěn)定不變的。在無(wú)擾動(dòng)短波傳播條件下，即沒(méi)有磁暴或電離層暴亂所引起的干擾，接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值的迅速變化主要受到干擾和極化衰落的影響。

在這種假設(shè)條件下，某一特定場(chǎng)強(qiáng)值出現(xiàn)的概率服從瑞利分布。因此，計(jì)算結(jié)果需要加一定的衰落保護(hù)裕量，這個(gè)衰落裕量不僅與電波傳播和噪聲有關(guān)，而且與要求的程度有關(guān)。在CCIR393報(bào)告中，對(duì)于短波電波傳播建議采用14dB的衰落裕量，用這個(gè)衰落裕量可以得到90%時(shí)間上的利用率［7］。

2數(shù)字化參數(shù)獲取

數(shù)字化的短波信道參數(shù)是對(duì)算法進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)，主要為天線(xiàn)參數(shù)和信道傳輸?shù)膮?shù)，尤其獲取其變化的參數(shù)更為重要。比較重要的是發(fā)信天線(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和信道傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，發(fā)信天線(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)來(lái)自所用發(fā)射天線(xiàn)的空間三維增益值?，F(xiàn)用的短波天線(xiàn)經(jīng)過(guò)上述算法仿真后，成為了可供系統(tǒng)調(diào)用三維增益數(shù)據(jù)庫(kù);信道傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)為地理信息與傳播參數(shù)，如收發(fā)信地理位置、大圓路徑中點(diǎn)、磁旋頻率、太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)黑子數(shù)以及反射地面情況等。文獻(xiàn)［8］介紹了對(duì)現(xiàn)成紙質(zhì)圖表資料數(shù)字化的一種常用方法，但更多的參數(shù)還是無(wú)從查找，需要進(jìn)行處理計(jì)算獲得。大圓路徑中點(diǎn)的求解是一個(gè)比較典型的算例，基于迭代法解非線(xiàn)性方程組的原理，通過(guò)求解多元函數(shù)零點(diǎn)求解非線(xiàn)性方程。以北京(39.9°N，116．4°E)、廣州(23．2°N，113．3°E)2點(diǎn)為例，計(jì)算大圓路徑中點(diǎn)的經(jīng)緯度，計(jì)算機(jī)迭代結(jié)果如表2所示。迭代結(jié)果如下:大圓距離1.8794×103km;目標(biāo)點(diǎn)緯度31．5888°;目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度114．4882°。

3仿真實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際通信工作中，對(duì)每個(gè)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行一一分析和整理都比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且結(jié)果不夠清晰和直觀(guān)，因此用常規(guī)方法要完全分析和整理這些數(shù)據(jù)，尋找出相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)或信噪比變化規(guī)律是十分困難的。實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化成為關(guān)鍵的因素。本文利用色彩等值圖形模擬計(jì)算區(qū)域的數(shù)據(jù)場(chǎng)，對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化，既能表達(dá)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的完整信息，又能反映出對(duì)給定天線(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)值隨空間的變化情況，從而給使用者一個(gè)完整的連續(xù)的觀(guān)察過(guò)程。可以采用ICEPAC程序，對(duì)應(yīng)NEC計(jì)算出來(lái)的天線(xiàn)三維增益數(shù)值，對(duì)信噪比結(jié)果進(jìn)行可視化處理，得到給定天線(xiàn)覆蓋區(qū)域每點(diǎn)信噪比大小的預(yù)測(cè)值，即每個(gè)天線(xiàn)三維增益數(shù)值對(duì)應(yīng)一條短波通信鏈路，最后進(jìn)行區(qū)域的可視化實(shí)現(xiàn)。設(shè)定發(fā)射點(diǎn)位于(115．5°E，40．2°N)，北京時(shí)間12點(diǎn)(日頻)、0點(diǎn)(夜頻)，太陽(yáng)黑子活動(dòng)數(shù)(SSN)為50;發(fā)射功率峰值1kW、均值250W(空中波形峰均比為6dB)。使用3副較為典型的發(fā)信天線(xiàn)，每副天線(xiàn)各配置2個(gè)頻率(日頻、夜頻各1個(gè))，具體配置如表3所示。

4結(jié)果分析

下面結(jié)合收信點(diǎn)的具體條件進(jìn)行覆蓋分析計(jì)算。

4．1信號(hào)功率的計(jì)算

接收點(diǎn)信號(hào)功率如下:PR=PT+GT+GR－L，(1)式中，PR為接收功率，PT為發(fā)射功率，GR為收信天線(xiàn)增益，GT為發(fā)信天線(xiàn)增益，L為路徑損耗。為了確保收信機(jī)能夠正確接收信號(hào)，接收功率應(yīng)滿(mǎn)足以下公式:PR≥(S/N)i+P(噪)，(2)式中，(S/N)i為接收機(jī)輸入信噪比，即接收機(jī)解調(diào)門(mén)限;P(噪)為噪聲功率。當(dāng)PR=(S/N)i+P(噪)時(shí)，PR即為接收機(jī)靈敏度。由式(8)和式(9)可得:PT+GT+GR－L≥(S/N)i+P(噪);(3)由式(10)可得:PT+GT－L≥(S/N)i+P(噪)－GR。(4)PT+GT－L表示發(fā)射信號(hào)經(jīng)路徑傳播后，到達(dá)接收地點(diǎn)的信號(hào)功率，記為P'R，即:不考慮收信條件情況下到達(dá)接收地的信號(hào)功率，即仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果。

4．2噪聲的計(jì)算

短波頻帶內(nèi)噪聲主要為大氣噪聲、宇宙噪聲和人為噪聲等。一般情況下，可能有幾種噪聲源同時(shí)存在，因此在估算總噪聲功率時(shí)，若2種噪聲(這里假設(shè)幾種噪聲不相關(guān))的強(qiáng)度可比擬，則按E12+E2槡2進(jìn)行合成，其中單位為μV/m。當(dāng)噪聲為3種時(shí)，首先合成2種噪聲，再與第3種噪聲合成。

4．3接收信號(hào)的要求

接收要求如下:①接收機(jī)靈敏度:一般為－107～－130dBm(現(xiàn)役短波電臺(tái)一般要求信噪比達(dá)到10dB);②環(huán)境噪聲(經(jīng)驗(yàn)值):白天一般為10～30dBμV，夜晚一般為30～70dBμV;③傳輸速率:白噪聲條件下，當(dāng)信噪比為1dB時(shí)，能提供比較可靠的傳輸(300bps，誤碼率為1×10－4);2條多徑衰落信道，當(dāng)信噪比為7dB時(shí)，能提供比較可靠的傳輸(600/300bps，誤碼率為1×10－5)。計(jì)算得白天噪聲功率為20dBμV，夜晚噪聲功率為40dBμV，設(shè)定收天線(xiàn)為常用的三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)，增益為5dBi。由dBμV與dBm的換算關(guān)系，衰落信道白天可靠接收短波信號(hào)所需的信號(hào)功率為:P'R≥(S/N)i+P(噪)－GR=7+(－107+20)－5=－85dBm;對(duì)于夜晚有效覆蓋，接收地點(diǎn)所需的信號(hào)功率為:P'R≥7+(－107+40)－5=－65dBm;在噪聲很小的理想情況下:取白天噪聲功率為1dBμV，收天線(xiàn)增益為5dBi，非衰落信道接收所需的信號(hào)功率為:P'R≥1+(－107+1)－5=－110dBm;取夜晚噪聲功率為21dBμV，收天線(xiàn)增益為5dBi，非衰落信道接收所需的信號(hào)功率為:P'R≥1+(－107+21)－5=－90dBm;綜上，收信號(hào)要求如下:白天:當(dāng)P'R≥－85dBm時(shí)，可視為有效覆蓋區(qū)域;當(dāng)－110dBm≤P'R＜－85dBm時(shí)，可視為噪聲小時(shí)能通信的區(qū)域。夜晚:當(dāng)P'R≥－65dBm時(shí)，可視為有效覆蓋區(qū)域;當(dāng)－90dBm≤P'R＜－65dBm時(shí)，可視為噪聲小時(shí)能通信的區(qū)域。

按照計(jì)算結(jié)果可以看出，這3副天線(xiàn)可覆蓋我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海和周邊海域，與實(shí)際情況相符。在實(shí)際工作中，由于電離層和氣象等不可估計(jì)的影響，電波傳播會(huì)出現(xiàn)各種變化，與預(yù)測(cè)和仿真值可能有一定的差距。同時(shí)，有效覆蓋并不能代表在此區(qū)域內(nèi)具有比較高的可通率，由場(chǎng)強(qiáng)中值定義可知，若場(chǎng)強(qiáng)中值恰好等于接收機(jī)的最低門(mén)限值，則通信的可通率僅為50%，這就是說(shuō)還有50%的時(shí)間不能維持正常通信，為了提高可通率，必須使實(shí)際的場(chǎng)強(qiáng)中值遠(yuǎn)大于接收機(jī)的門(mén)限值，才能在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)保證正常通信。因此，系統(tǒng)應(yīng)仍然留出留有較大的冗余量，一般接收點(diǎn)信號(hào)達(dá)到接收機(jī)靈敏度的10倍以上為宜。

5結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建的仿真模型和得出的結(jié)論，可為通信組織與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供決策，也可適用于臺(tái)站建設(shè)和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于短波通信網(wǎng)的覆蓋分析，只是提供了一種基本模型和算法，在實(shí)際工作中，可根據(jù)通信條件和接收平臺(tái)的活動(dòng)范圍，合理選擇通信參數(shù)并進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算精度，達(dá)到理想效果。