任香凝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

近年來(lái)，隨著用戶對(duì)無(wú)線超視距通信設(shè)備的性價(jià)比要求越來(lái)越高，優(yōu)質(zhì)通信信道資源的普查和高效利用成為研究熱點(diǎn)。

優(yōu)質(zhì)通信信道資源，是指能夠在特定條件下使超視距(BLOS)、跨越視線障礙(OTH)通信能力顯著提升的可供無(wú)償使用的天然信道資源，主要增強(qiáng)兩方面能力:一是擴(kuò)展通信距離，變視距(LOS)為BLOS/OTH，或超視距距離擴(kuò)展;二是增加信號(hào)強(qiáng)度，可用于提升傳輸速率、質(zhì)量和可靠度，或減小設(shè)備足跡(站型)和能耗。對(duì)流層中的大氣波導(dǎo)就是一種支持高性價(jià)比超視距通信的優(yōu)質(zhì)通信信道資源。

1 大氣波導(dǎo)的傳播機(jī)制及分類

大氣波導(dǎo)是對(duì)流層環(huán)境中形成陷獲折射的一種異常大氣結(jié)構(gòu)，它具有超長(zhǎng)水平尺度特征和顯著的天氣背景，主要是由于大氣的逆溫和逆濕引起的，即水汽密度隨高度增加迅速下降和溫度隨高度增加而升高。有利于大氣波導(dǎo)形成的主要天氣過(guò)程包括:海面蒸發(fā)、高壓下沉、鋒面過(guò)程、夜間輻射逆溫和平流作用等［1－8］。

大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)，近地層中傳播的電磁波受大氣折射影響其傳播軌跡彎向地面，當(dāng)曲率超過(guò)地球表面曲率時(shí)電磁波會(huì)部分地被陷獲在一定厚度的大氣薄層(即波導(dǎo)層)內(nèi)，就像電磁波在平板介質(zhì)波導(dǎo)中傳播一樣，這種電磁波的陷獲折射傳播現(xiàn)象稱為大氣波導(dǎo)傳播。

大氣波導(dǎo)陷獲折射是一種極端的超折射，滿足如下公式:

式中:N表示大氣折射率;M表示大氣修正折射率;z表示地面以上高度，單位為m表示折射率梯度，單位為表示修正折射率梯度，單位為m－1。

大氣波導(dǎo)可分為表面波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)3種類型。表面波導(dǎo)的下邊界與地表相連，一般發(fā)生在300 m高度以下的邊界層大氣中。蒸發(fā)波導(dǎo)是由于海面水汽蒸發(fā)使得大氣濕度隨高度銳減而形成的，一般發(fā)生在40 m高度以下的近海面大氣中。懸空波導(dǎo)又稱抬升波導(dǎo)，其下邊界懸空，一般發(fā)生在3 000 m高度以下的低層大氣中。3種波導(dǎo)類型在海洋大氣環(huán)境中皆可出現(xiàn);表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)也會(huì)出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中。

大氣波導(dǎo)的厚度越厚、強(qiáng)度越強(qiáng)，可形成波導(dǎo)傳播的電磁波的最大波長(zhǎng)越長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)最低陷獲頻率越低)、發(fā)射角度范圍的上限(即臨界仰角)愈大。當(dāng)存在大氣波導(dǎo)時(shí)，位于波導(dǎo)層內(nèi)的波長(zhǎng)小于最大陷獲波長(zhǎng)的電磁波以小于臨界仰角發(fā)射，將被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)形成波導(dǎo)傳播。

大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅可以改變電磁波的傳播軌跡，而且能夠使電磁波以較小的衰減沿波導(dǎo)傳播到很遠(yuǎn)的地方，形成超視距傳播。

2 大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象分析

為了掌握大氣波導(dǎo)這種優(yōu)質(zhì)超視距通信信道資源的存在性、信道傳輸特性和通信可用性，利用信道測(cè)試系統(tǒng)，在華北地區(qū)和黃海海域選擇典型鏈路開(kāi)展了不同頻段的信道傳輸試驗(yàn)，積累了電平特性、多徑時(shí)延特性和頻率相關(guān)特性測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了大氣波導(dǎo)與對(duì)流層散射雙模式傳播現(xiàn)象。下面分別針對(duì)陸地和海洋環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)分析。

2．1 陸地大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象

(1)VHF 頻段［9］

2010年9月，在華北地區(qū)一條距離286 km的鏈路上進(jìn)行了VHF頻段的秋季信道傳輸試驗(yàn)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

①VHF超視距鏈路上存在大氣波導(dǎo)和對(duì)流層散射兩種信道模式，二者主要差異是:大氣波導(dǎo)是低損耗、準(zhǔn)恒參信道，而對(duì)流層散射(包括湍流體散射和層反射)是存在多徑衰落的隨機(jī)變參信道;大氣波導(dǎo)信號(hào)中值電平顯著高于湍流體散射信號(hào)(10 dB以上);

②在186 h的有效測(cè)試時(shí)間內(nèi)，大氣波導(dǎo)的發(fā)生概率(即作為主導(dǎo)信道模式的時(shí)間百分比)約為17%;

③大氣波導(dǎo)主要發(fā)生在傍晚20:00～上午11:00之間，1:00～6:00為出現(xiàn)高峰時(shí)段，發(fā)生概率超過(guò)46%。

(2)C頻段

2007年6月、2007年11月和2008年4月，在華北地區(qū)一條距離182 km的鏈路上進(jìn)行了C頻段的夏/冬/春三季信道傳輸試驗(yàn)，并將高于對(duì)流層散射模式(即湍流體散射模式)中值電平理論值10 dB以上的接收信號(hào)視為大氣波導(dǎo)模式，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

①大氣波導(dǎo)模式信道傳輸損耗低，接收信號(hào)電平高，夏季尤為顯著。從圖1可見(jiàn)，波導(dǎo)模式比對(duì)流層散射模式的信號(hào)中值電平可高出十幾～30 dB以上，電平變化范圍大。

圖1 C頻段接收信號(hào)電平2分鐘中值曲線

②大氣波導(dǎo)模式在C頻段超視距鏈路上占有較大時(shí)間比例。夏季發(fā)生概率為27.4%，信道特性接近于準(zhǔn)恒參信道，衰落速率、衰落深度、多徑時(shí)延展寬值均很小。秋季發(fā)生概率為19.7%，春季13.3%，信道存在略好于湍流體散射模式的多徑衰落。

③大氣波導(dǎo)主要發(fā)生在傍晚19:00～上午11:00之間，可持續(xù)十幾小時(shí);霧天多發(fā)。

2．2 海洋大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象

2008年6月，在黃海海域的64 km鏈路、98 km鏈路和136 km鏈路上開(kāi)展了夏季C、X頻段的信道傳輸試驗(yàn)。2008年12月，又在該64 km鏈路上開(kāi)展了C、X、Ku頻段的冬季試驗(yàn)。大氣波導(dǎo)的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

①發(fā)生概率:如表1所示，百公里左右跨海鏈路的大氣波導(dǎo)平均發(fā)生概率在30%以上;X、Ku頻段比C頻段發(fā)生概率更高;冬季雖然強(qiáng)波導(dǎo)少于夏季，但波導(dǎo)總的發(fā)生概率高于夏季。

表1 跨海鏈路大氣波導(dǎo)模式的發(fā)生時(shí)間及概率

②發(fā)生規(guī)律:大氣波導(dǎo)晴天多而陰天少;也有陰天突降小雨期間發(fā)生波導(dǎo)傳播的現(xiàn)象;白天與黃昏多而夜間少。在64 km鏈路的測(cè)試期間，晴天較多，大氣波導(dǎo)最長(zhǎng)持續(xù)27 h35 min，信號(hào)電平既強(qiáng)又穩(wěn)定。

③信道傳輸損耗特性:大氣波導(dǎo)的信道傳輸損耗小，強(qiáng)波導(dǎo)條件下甚至接近自由空間傳播損耗，接收信號(hào)電平顯著高于以對(duì)流層散射模式傳播的信號(hào)電平(可達(dá)64 dB)，電平變化范圍大。冬季強(qiáng)波導(dǎo)現(xiàn)象少于夏季。

④單頻快衰落特性:在強(qiáng)波導(dǎo)條件下，接收信號(hào)電平波動(dòng)小，但偶爾也可能突發(fā)短時(shí)的快衰落;在波導(dǎo)強(qiáng)度不太高時(shí)，接收信號(hào)往往有快衰落。通常夏季衰落速率在4 Hz以內(nèi)、衰落深度小于15 dB，惡劣時(shí)接近散射模式。冬季快衰落更為嚴(yán)重，衰落速率可達(dá)35 Hz，衰落深度可達(dá)21 dB。

⑤多徑時(shí)延特性:在海洋環(huán)境下大氣波導(dǎo)常伴隨有不容忽視的多徑傳播現(xiàn)象，多徑時(shí)延展寬值甚至常常高于按照湍流體散射模式預(yù)計(jì)值。冬季的多徑現(xiàn)象(64 km鏈路多徑時(shí)延展寬可達(dá)6 μs)比夏季更為嚴(yán)重。

⑥頻率相關(guān)特性:大氣波導(dǎo)模式在不同頻段具有頻率選擇性衰落;在同一頻段內(nèi)，夏季頻率相隔10 MHz以內(nèi)的信號(hào)呈平衰落;但在冬季，頻率相隔100 kHz即具有一定的衰落不相關(guān)概率。

2．3 大氣波導(dǎo)傳播特性分析

根據(jù)上述試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可歸納出如下的大氣波導(dǎo)傳播特性:

(1)存在性

①頻率從VHF頻段至Ku頻段、距離從64～286 km的無(wú)線超視距鏈路上存在大氣波導(dǎo)模式，它與對(duì)流層散射模式并存于鏈路中。二者的主要差異體現(xiàn)在其信道傳輸損耗不同，大氣波導(dǎo)傳播信號(hào)電平可高出湍流體散射傳播信號(hào)十幾到幾十分貝之多。對(duì)流層散射為鏈路平時(shí)基本模式，大氣波導(dǎo)一旦出現(xiàn)則占據(jù)鏈路主導(dǎo)信道模式地位;②夏季大氣波導(dǎo)發(fā)生概率高、信號(hào)強(qiáng)度大及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，海洋比陸地更為顯著;春季、秋季發(fā)生概率次之，冬季最少;

(2)信道傳輸特性

①?gòu)?qiáng)波導(dǎo)接近準(zhǔn)恒參信道，多徑衰落的影響可忽略;②波導(dǎo)強(qiáng)度不太高時(shí)存在多徑衰落，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可采用對(duì)流層散射通信系統(tǒng)常用的抗多徑時(shí)延展寬、抗衰落技術(shù)予以克服。

(3)通信可用性

①大氣波導(dǎo)是一種可顯著增強(qiáng)超視距鏈路通信保障能力的優(yōu)質(zhì)信道資源，即與傳統(tǒng)對(duì)流層散射通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力相比，或支持超視距通信距離擴(kuò)展;或支持平均信息吞吐量躍升與接入的業(yè)務(wù)終端種類、數(shù)量遞增;或顯著改善信息傳輸質(zhì)量;②大氣波導(dǎo)也是發(fā)生概率較高、有日變化預(yù)報(bào)趨勢(shì)可循的可信、可用的優(yōu)質(zhì)資源，依據(jù)特定地域/海域的大氣波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律可合理分配窄帶迅達(dá)類/寬帶緩達(dá)類通信任務(wù)時(shí)間，更有效地對(duì)其通信應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 大氣波導(dǎo)通信應(yīng)用設(shè)想

鑒于在陸地和海洋環(huán)境下，大氣波導(dǎo)都是一種以較高概率出現(xiàn)的、低損耗高電平的優(yōu)質(zhì)不連續(xù)通信信道資源，提出波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)、基于大氣波導(dǎo)的容中斷伺機(jī)通信技術(shù)兩種技術(shù)方案。

3．1 波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)

(1)技術(shù)內(nèi)涵

在追求高性價(jià)比通信的C/X/Ku頻段超視距鏈路上(通常200 km以內(nèi))，基于對(duì)流層散射通信確保全年高通信可靠度(例如95%以上)的鏈路設(shè)計(jì)原則確定站型配置(四重顯分集架構(gòu))和任務(wù)下限速率，平時(shí)工作在散射模式提供中低速稀業(yè)務(wù)通信;一旦自動(dòng)識(shí)別到大氣波導(dǎo)信道，則切換至寬帶優(yōu)質(zhì)通信模式提供大容量多業(yè)務(wù)服務(wù)。

該技術(shù)通過(guò)認(rèn)知min級(jí)的信道傳輸損耗，并基于閉環(huán)鏈路控制機(jī)制，動(dòng)態(tài)調(diào)整符號(hào)速率及用戶終端接入配置與信道條件匹配，能夠在大氣波導(dǎo)模式下以較高概率伺機(jī)接入寬帶優(yōu)質(zhì)服務(wù)，使平均信息吞吐量激增，并能以散射模式保證任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)的近全時(shí)段、高可靠接入，從而以最簡(jiǎn)站型獲得超視距通信效能的倍增［10］。

(2)關(guān)鍵技術(shù)

①信道認(rèn)知、速率評(píng)估及閉環(huán)鏈路控制技術(shù)

彈性通信有別于剛性通信的特點(diǎn)之一，是其信道認(rèn)知與閉環(huán)鏈路控制機(jī)制。

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先以散射模式的任務(wù)下限速率建鏈，根據(jù)接收信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)反映信道傳輸損耗的平均信噪比以及反映信息傳輸質(zhì)量的誤碼率，結(jié)合適宜的彈性頻度和粒度設(shè)計(jì)，經(jīng)綜合評(píng)估給出信道模式指示及最佳速率建議，進(jìn)而通過(guò)閉環(huán)鏈路控制機(jī)制完成兩端站速率切換控制信息的應(yīng)答與交互，以控制發(fā)送速率、調(diào)制波形的選取與業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)接入，兩端實(shí)時(shí)互控實(shí)現(xiàn)高效彈性通信。

②與信道動(dòng)態(tài)匹配的調(diào)制解調(diào)技術(shù)

彈性通信有別于剛性通信的特點(diǎn)之二，是采用使鏈路呈現(xiàn)與信道動(dòng)態(tài)匹配的彈性性能的先進(jìn)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

通過(guò)閉環(huán)鏈路控制機(jī)制，基于動(dòng)態(tài)符號(hào)速率及自適應(yīng)調(diào)制方式，在不同信道模式、不同速率下采取相宜的調(diào)制解調(diào)波形。散射模式下，進(jìn)行4重空間分集×2重帶內(nèi)頻率分集的高重分集設(shè)計(jì)，并結(jié)合失真自適應(yīng)接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗多徑衰落平穩(wěn)傳輸;波導(dǎo)模式下，無(wú)需高重分集設(shè)計(jì)，以4重顯分集架構(gòu)結(jié)合自適應(yīng)均衡技術(shù)支持大容量可靠通信。

③業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)接入技術(shù)

彈性通信有別于剛性通信的特點(diǎn)之三，是能夠伺機(jī)接入剛性通信不能支持的終端以提供寬帶優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

按照一定的自適應(yīng)業(yè)務(wù)接入及動(dòng)態(tài)帶寬分配策略，通過(guò)閉環(huán)鏈路控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入的種類、數(shù)量、帶寬對(duì)信道條件和用戶需求的匹配，支持散射信道最惡劣條件下任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)的近全天候(例如95%以上)實(shí)時(shí)傳遞，散射信道較好條件下更多業(yè)務(wù)的較高可靠度傳遞，以及大氣波導(dǎo)條件下IP多媒體業(yè)務(wù)較高概率傳遞，充分體現(xiàn)彈性通信的優(yōu)越性。

(3)效能評(píng)估

以華北地區(qū)182 km鏈路為例，若采用波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)，系統(tǒng)為四重顯分集架構(gòu)，發(fā)射功率200 W，天線口徑2．4 m，利用 ITU-R P.617－1建議給出的全球適用型對(duì)流層散射線路傳輸損耗統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模式，理論預(yù)計(jì)通信可靠度95%、誤碼率優(yōu)于1×10－5條件下，散射模式的任務(wù)下限速率為192 kb/s。則按照“信噪比每變化一倍，也可使速率變化一倍”的理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，因大氣波導(dǎo)帶來(lái)的通信效能提升評(píng)估如下:

①夏季4天試驗(yàn)的95%時(shí)間內(nèi)，假設(shè)射頻帶寬不受限，可支持傳輸速率比任務(wù)下限速率提升約40倍;而在大氣波導(dǎo)發(fā)生的27.4%時(shí)間內(nèi)，平均傳輸速率理論值甚至可達(dá)1 Gb/s;

②秋季，在大氣波導(dǎo)發(fā)生的19.7%時(shí)間內(nèi)，平均傳輸速率理論值可提升約30倍，達(dá)6 Mb/s;

③春季，在大氣波導(dǎo)發(fā)生的13.3%時(shí)間內(nèi)，平均傳輸速率可提升約38倍，達(dá)7 Mb/s。

3．2 基于大氣波導(dǎo)的容中斷伺機(jī)通信技術(shù)

(1)技術(shù)內(nèi)涵

在允許鏈路中斷、有節(jié)能省電需求的特定場(chǎng)合，且大氣波導(dǎo)以較高概率出現(xiàn)、日變化有趨勢(shì)性發(fā)生規(guī)律的陸地或海洋環(huán)境下，基于VHF/UHF單天線、單收發(fā)信機(jī)的高性價(jià)比小站型，可采取容中斷伺機(jī)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)剛剛超出視距～數(shù)百公里距離段的非時(shí)敏信息超視距傳遞。

所謂“伺機(jī)通信”，是指用戶有使用需求和鏈路有通信條件時(shí)，進(jìn)行并完成一次通信，長(zhǎng)持續(xù)的強(qiáng)波導(dǎo)出現(xiàn)時(shí)，將允許大量寬帶業(yè)務(wù)的優(yōu)質(zhì)傳輸。

該技術(shù)也可兼蓄并用對(duì)流層散射信道資源，以提高鏈路可通率。

(2)關(guān)鍵技術(shù)

波導(dǎo)/散射聯(lián)合超視距彈性通信技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)成果，在很大程度上也可用于支撐基于大氣波導(dǎo)的容中斷伺機(jī)通信技術(shù)，二者在信道認(rèn)知、閉環(huán)鏈路控制、動(dòng)態(tài)符號(hào)速率及動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)接入方面頗多相似之處，此處不再贅述。

二者主要差異在于，后者基于信道認(rèn)知(伺信道之機(jī))及業(yè)務(wù)請(qǐng)求(伺業(yè)務(wù)之機(jī))聯(lián)合的伺機(jī)通信控制技術(shù)，平時(shí)允許關(guān)閉發(fā)射機(jī)，當(dāng)有信道可供建鏈的同時(shí)用戶又有業(yè)務(wù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，自動(dòng)“喚醒”鏈路伺機(jī)通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

大氣波導(dǎo)是一種可顯著增強(qiáng)超視距通信能力的優(yōu)質(zhì)信道資源，根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)華北地區(qū)和黃海海域是大氣波導(dǎo)發(fā)生概率較高的區(qū)域。針對(duì)大氣波導(dǎo)低損耗高電平、不連續(xù)但有日變化趨勢(shì)性發(fā)展規(guī)律的特點(diǎn)，通信系統(tǒng)需具有即時(shí)認(rèn)知波導(dǎo)優(yōu)質(zhì)信道的能力，采用使鏈路性能與之動(dòng)態(tài)匹配的符號(hào)速率及調(diào)制解調(diào)波形，使用戶享受到因波導(dǎo)帶來(lái)的帶寬倍增和質(zhì)量?jī)?yōu)化的增值業(yè)務(wù)服務(wù)。隨著對(duì)流層散射通信領(lǐng)域向彈性通信技術(shù)與容中斷伺機(jī)通信技術(shù)的擴(kuò)展，大氣波導(dǎo)優(yōu)質(zhì)信道資源的高效通信應(yīng)用已納入其研究范疇，將為超視距通信注入新的生命力。

［1］ 王波．基于雷達(dá)雜波和GNSS的大氣波導(dǎo)反演方法與實(shí)驗(yàn)［D］．陜西:西安電子科技大學(xué)，2011:13－19．

［2］ 趙小龍．電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)境中的傳播特性及其應(yīng)用研究［D］．陜西:西安電子科技大學(xué)，2008:13－19．

［3］ 成印河．海上低空大氣波導(dǎo)的遙感反演及數(shù)值模擬研究［D］．北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2009:7－20．

［4］ 孟書生．海洋大氣波導(dǎo)電磁傳播模型及波導(dǎo)參數(shù)反演算法研究［D］．北京:中國(guó)海洋大學(xué)，2010:5－11．

［5］ 陳莉，高山紅，康士峰，等．中國(guó)近海大氣波導(dǎo)的時(shí)空特征分析［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(4):702 －707．

［6］ 張瑜，吳少華．大氣波導(dǎo)傳播類型及特性分析［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(1):185 －190．

［7］ 戴福山．海洋大氣近地層折射指數(shù)模式及其在蒸發(fā)波導(dǎo)分析上的應(yīng)用［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，13(3):280 －286．

［8］ 戎華，曲曉飛，高東華．大氣波導(dǎo)對(duì)電子系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的影響［J］．現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27(2):15 －18．

［9］ 任香凝，王偉，龐博．超短波聯(lián)合超視距通信技術(shù)研究［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39(4):18 －21．

［10］ BASTOSL WIETGREFE H．Highly-deployable Troposcatter Systems in Support of NATO Expeditionary Operations［C］∥The 2011 Military Communications Conference:2042－2049．