靶场微波通信路径分析及优选方法

陈 雨，崔建国，刘志春，刘春慧

(1.中国白城兵器试验中心，吉林 白城137001；2.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京100083)

白城兵器试验中心作为常规武器试验靶场，由于其武器装备类型多、试验频度大、测试点位分散，使得具有带宽宽、布站灵活和多业务接入等特点的数字微波通信系统在试验中地位和作用越来越重要。目前，试验中心已拥有点对多点、点对点和机动宽带三套微波通信系统，丰富了靶场试验通信手段，提升了试验中心的试验能力。微波路径是微波通信系统收发设备间的“桥梁”，其选择结果直接影响整个系统运行状况，当今，国内外关于微波路径选择与优化的研究成果虽然很多，但多数从单一因素进行考虑，综合效果并不理想。本文结合靶场工作实践，通过分析多种因素提出优选方法，以期使微波路径的选择更加简捷有效，信号传输更加稳定可靠。

1 影响微波路径的主要因素

1.1 地形地貌因素

微波通信工作频率主要集中在1 GHz～20 GHz范围内，自由空间传输损耗是其主要能量损耗，计算公式为：

式中,Ls(dB)表示损耗、d(km)为收发天线之间的距离、f(GHz)是系统的发射频率[1]。

微波传输过程中除自由空间损耗外，还会受到路径上树木、建筑、山峰等障碍物的影响而损失部分能量；平滑地面或水面产生的反射波和直射波矢量相加，若相互抵消也会产生附加损耗。因此，为更好地分析地形地貌对微波传播特性的影响，需要运用费涅尔区的概念。

如图1所示，费涅尔区是以收发端(T，R)为焦点的一系列不同短轴半径(Fn)的旋转球体的集合。第一费涅尔区是微波传播中能量主要集中区域，其半径(F1)计算公式为：

图1 费涅尔区半径和余隙示意图

式中，d0为发、收端(T、R)之间距离，d1、d2分别为第一费涅尔区上一点P1到d0的投影点与T、R两端的距离，d0=d1+d2,单位为km，半径F1单位为m，频率f单位为GHz[2]。

工程上，对接收点R而言，只要保证P1点的合成场强E≈E1/2(E1为第一费涅尔区的场强)，即第一费涅尔区的一半以上不被地形地貌遮挡，就可近似得到自由空间传播时的场强。这就是微波通信要求视距传播的直接原因。

1.2 地面反射因素

微波传播过程中，接收点除收到来自发射天线的直射波外，还会收到地面反射波。地面反射对视距传播有重要影响，它是产生电平衰落的主要原因之一。如图1所示，反射点到直射波的垂直距离称为余隙hc，接收点的合成场强E与自由空间场强E0之比称为地面反射衰落因子，用V(dB)表示,借助余隙hc来计算V，其计算公式为：

式中，φ为反射系数，F1为第一费涅尔区半径，hc/F1称为相对余隙。衰落因子V与相对余隙hc/F1的相互关系如图2所示[3]。

图2 衰落因子V与hc/F1的关系

实际工作中，要尽可能增加微波设备收发天线的高度，以增大传输路径上高点与直射波之间的余隙，确保相对余隙hc/F1≥0.6,进而避免地面反射带来的影响。

1.3 大气因素

对10 GHz以下的微波设备，大气因素的影响主要表现在大气的折射上。由于折射作用，使实际电波传播不是按直线而是按曲线进行，如图3所示。

地球真实半径为R0，其等效半径为Re，ρ为电波传播的曲率半径。其关系式为：

图3 等效地球半径概念

式中,K为等效地球半径因子。通常把K＝4/3时的大气折射称为标准折射，此时，电波在不均匀大气中产生折射时的视线传输距离d0为：

其中，d0的单位为km;h1、h2分别为收、发天线高度，单位为m。

实际工作中，当遇到大风、扬沙、暴雨等极端天气时应避免设备开机，因为电波会发生负折射，导致K＜1，射线向下凹，使原来处于亮区的接收天线进入半阴影区或阴影区，从而使损耗显著增加，接收信号减弱。若因任务需要必须开机时，应考虑缩短通信距离。

2 选择微波路径的基本要素

2.1 视距与天线高度

由于地球是球形，凸起的地表面会阻挡视线，在收发天线一定的情况下，视线所能到达的最远距离称为视线距离d0，它与收发天线的关系如图4所示。

图4 视线距离d0与收发天线高度h1、h2关系图

图4中，h1和h2分别为发信和收信天线高度，R0为地球半径，视线距离d0(d0=d1+d2)为直射波所能到达的最远距离。由于R0＞＞h1、h2，把地球半径R0=6 370 km代入可近似得出：

式中，d0的单位为km，h1、h2的单位为m。

为分析简化起见，通常依据接收端离发射天线的距离分成3个区域，即亮区、阴影区和半阴影区：d＜0.7d0的区域称为亮区；0.7d0＜d＜1.2d0区域称 为半阴影区；d＞1.2d0区域称为阴影区。如图4所示,TS段属于亮区，SB段属于半阴影区，B点以外属于阴影区。在架设天线时，应尽量保证收信天线处于亮区或半阴影区。

2.2 断面

微波通信传输路径在选择和设计时应考虑断面，其目的是为了更好地确定不同种类地形地貌所形成的衰落与损耗。断面的选取可参照“数字微波接力通信工程设计”中的相关规定，划分为四种类型，划分条件及特性如下[4]：

A型：断面由山岭、城市建筑物或两者混合组成，中间无宽阔的河谷和湖泊。这类断面，大气比较干燥，多径衰落的概率很小，等效地面反射系数小于0.5，即由地面反射波引起的接收电平值的下降不超过6 dB。

B型：断面由起伏不大的丘陵地带组成，中间无宽阔的河谷和湖泊。这类断面由于地面起伏不大，对多径衰落的影响不能忽略，等效地面反射系数小于0.7，即由地面反射波引起的接收电平值的下降小于10 dB。

C型：断面由平地、水网较多的区域组成，气候潮湿，大气不均匀层引起的多径衰落比较严重。这类断面，等效地面反射系数不小于0.7，地面反射波引起的接收电平值的下降超过10 dB。

D型：断面是指跨越大型水面的路径，如大江、大河、大型湖泊等。这类断面，水面反射和大气不均匀层引起的衰落比A、B、C型都严重，是对电波传播稳定性影响最大的断面，其接收电平值的下降远大于15 dB。

以上分析表明，断面特性决定了电波传播的稳定性。在实际组网和站址选择时，应尽量选取A型和B型断面的传播路径，避免和减少处于C型和D型断面的路径。

3 优化路径选择的方法

3.1 掌握衰落一般规律

引起微波通信信号衰落的原因是多方面的，可简要地归纳为地面反射、多径传播、大气折射、雨雾吸收等。其一般规律如下：

(1)波长越短，距离越长，衰落越严重。

(2)夜间比白天严重，夏季比冬季严重。因白天有阳光照射，空气对流较好，冬季气象变化比夏季缓慢。

(3)晴天、宁静天气比阴天、风雨天气时严重。因晴天时大气分层结构容易形成，并不容易消散，从而产生多径传播。

(4)路径中有水面的电路比全是陆地电路衰落更严重。

(5)平地电路比丘陵山区电路衰落更严重。

3.2 进行衰落可靠性估值

根据概率论方法，衰落特性的分布函数服从于广义的瑞利分布。通过各国的统计测试，衰落深度概率较为通用的经验公式为：

式中，Pr为衰落深度概率，d为站距(km)，f为工作频率(GHz)，K为环境条件因子，Q为地形条件因子，VdB为衰落深度(又称衰落储备值)。衰落深度指正常接收电平与接收机门限电平的差值。因国家和地域不同，对式(7)中因子的取值各不同。我国选用了日本、美国的折中值，与西北欧的取值接近。

在我国习惯用中断率指标来反映通信系统的可靠性，高可靠性要求达到10－7。对于微波通信，通常用系统的衰落深度概率来表示中断率[5]。以机动宽带微波通信系统为例，由于试验中心靶场属草原地区，K、Q乘积取值为1×10－9，B取值为1.2，C取值为3.5,频率f为7 GHz，站距d按30 km计算，将Pr=10－7代入式(7),可求出其衰落深度VdB为26 dB,小于系统设计的衰落深度值26.2 dB[6]，满足系统高可靠性的要求。

3.3 把握选择实施要点

靶场微波通信系统的路径选择，除要考虑上述固有因素外，还要结合靶场通信的特殊性，掌握实施要点，提高路径选择的科学性和合理性。

(1)要熟悉设备性能。对系统收发频点、发射功率、通信距离、对外接口形式、业务容量等参数做到了如指掌。

(2)要进行图上作业。接到通信任务后，要在地图上分析首区、落区、测试设备间的位置关系，计算站距、方位角、天线高度等。

(3)要进行实地勘察。要在图上作业的基础上，进行实地查验，观察所选点位是否与地图有出入，周边环境是否满足布站的安全保密要求。对于超出靶场范围的陌生地域，实地勘察更是必不可少的环节。

(4)要检测电磁环境。既要了解试验中心无线设备的频率和发射功率，还要了解附近民用无线设备的频率和发射功率，以确保设备工作在相对干净的电磁空间内。

(5)要搞好记录总结。要将不同点位的路径参数和设备工作情况做好统计、归类，建立通信环境数据库，为以后相同环境条件下系统的快速开通提供实践依据。

本文通过对影响微波路径选择主要因素的分析，结合靶场通信特点，提出在不同条件下微波路径选择时要考虑的基本要素，总结了路径选择的规律和实施要点，以期使操作维护人员能够将理论与实践相结合，把握微波通信规律，掌握路径优选方法，因地制宜，科学合理地制定通信保障方案，发挥微波设备工作潜能，提高其稳定性和可靠性，更好地为试验科研工作服务。同时，也为其他微波通信系统应用单位提供一定的参考和借鉴。

[1]买买提江.微波通道传输特性与本地网微波系统设计[EB.OL].[2005-04-15](2013-04-17).//www.xjis.org.cn.

[2]李承权.微波一点多址通信(电信职工培训丛书)[M].北京：人民邮电出版社，1993.

[3]唐朝京.数字微波通信技术[M].北京：国防工业出版社,2002.

[4]顾金根,刘沈.微波传输工程设计[M].北京：人民邮电出版社,1992.

[5]YD/T746－95点对多点微波通信系统技术要求和测量方法[S].1995.

[6]大唐联诚.63850部队微波通信分系统资料汇编[S].大唐联诚技术有限公司,2009.