大气波导传播现象研究及通信应用设想

任香凝

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

近年来，随着用户对无线超视距通信设备的性价比要求越来越高，优质通信信道资源的普查和高效利用成为研究热点。

优质通信信道资源，是指能够在特定条件下使超视距(BLOS)、跨越视线障碍(OTH)通信能力显著提升的可供无偿使用的天然信道资源，主要增强两方面能力:一是扩展通信距离，变视距(LOS)为BLOS/OTH，或超视距距离扩展;二是增加信号强度，可用于提升传输速率、质量和可靠度，或减小设备足迹(站型)和能耗。对流层中的大气波导就是一种支持高性价比超视距通信的优质通信信道资源。

1 大气波导的传播机制及分类

大气波导是对流层环境中形成陷获折射的一种异常大气结构，它具有超长水平尺度特征和显著的天气背景，主要是由于大气的逆温和逆湿引起的，即水汽密度随高度增加迅速下降和温度随高度增加而升高。有利于大气波导形成的主要天气过程包括:海面蒸发、高压下沉、锋面过程、夜间辐射逆温和平流作用等［1－8］。

大气波导发生时，近地层中传播的电磁波受大气折射影响其传播轨迹弯向地面，当曲率超过地球表面曲率时电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层(即波导层)内，就像电磁波在平板介质波导中传播一样，这种电磁波的陷获折射传播现象称为大气波导传播。

大气波导陷获折射是一种极端的超折射，满足如下公式:

式中:N表示大气折射率;M表示大气修正折射率;z表示地面以上高度，单位为m表示折射率梯度，单位为表示修正折射率梯度，单位为m－1。

大气波导可分为表面波导、蒸发波导和悬空波导3种类型。表面波导的下边界与地表相连，一般发生在300 m高度以下的边界层大气中。蒸发波导是由于海面水汽蒸发使得大气湿度随高度锐减而形成的，一般发生在40 m高度以下的近海面大气中。悬空波导又称抬升波导，其下边界悬空，一般发生在3 000 m高度以下的低层大气中。3种波导类型在海洋大气环境中皆可出现;表面波导和悬空波导也会出现在陆地大气环境中。

大气波导的厚度越厚、强度越强，可形成波导传播的电磁波的最大波长越长(对应最低陷获频率越低)、发射角度范围的上限(即临界仰角)愈大。当存在大气波导时，位于波导层内的波长小于最大陷获波长的电磁波以小于临界仰角发射，将被陷获在波导层内形成波导传播。

大气波导传播现象的出现不仅可以改变电磁波的传播轨迹，而且能够使电磁波以较小的衰减沿波导传播到很远的地方，形成超视距传播。

2 大气波导传播现象分析

为了掌握大气波导这种优质超视距通信信道资源的存在性、信道传输特性和通信可用性，利用信道测试系统，在华北地区和黄海海域选择典型链路开展了不同频段的信道传输试验，积累了电平特性、多径时延特性和频率相关特性测试数据，研究了大气波导与对流层散射双模式传播现象。下面分别针对陆地和海洋环境下的试验结果展开分析。

2．1 陆地大气波导传播现象

(1)VHF 频段［9］

2010年9月，在华北地区一条距离286 km的链路上进行了VHF频段的秋季信道传输试验，试验统计结果如下:

①VHF超视距链路上存在大气波导和对流层散射两种信道模式，二者主要差异是:大气波导是低损耗、准恒参信道，而对流层散射(包括湍流体散射和层反射)是存在多径衰落的随机变参信道;大气波导信号中值电平显著高于湍流体散射信号(10 dB以上);

②在186 h的有效测试时间内，大气波导的发生概率(即作为主导信道模式的时间百分比)约为17%;

③大气波导主要发生在傍晚20:00～上午11:00之间，1:00～6:00为出现高峰时段，发生概率超过46%。

(2)C频段

2007年6月、2007年11月和2008年4月，在华北地区一条距离182 km的链路上进行了C频段的夏/冬/春三季信道传输试验，并将高于对流层散射模式(即湍流体散射模式)中值电平理论值10 dB以上的接收信号视为大气波导模式，试验统计结果如下:

①大气波导模式信道传输损耗低，接收信号电平高，夏季尤为显著。从图1可见，波导模式比对流层散射模式的信号中值电平可高出十几～30 dB以上，电平变化范围大。

图1 C频段接收信号电平2分钟中值曲线

②大气波导模式在C频段超视距链路上占有较大时间比例。夏季发生概率为27.4%，信道特性接近于准恒参信道，衰落速率、衰落深度、多径时延展宽值均很小。秋季发生概率为19.7%，春季13.3%，信道存在略好于湍流体散射模式的多径衰落。

③大气波导主要发生在傍晚19:00～上午11:00之间，可持续十几小时;雾天多发。

2．2 海洋大气波导传播现象

2008年6月，在黄海海域的64 km链路、98 km链路和136 km链路上开展了夏季C、X频段的信道传输试验。2008年12月，又在该64 km链路上开展了C、X、Ku频段的冬季试验。大气波导的试验统计结果如下:

①发生概率:如表1所示，百公里左右跨海链路的大气波导平均发生概率在30%以上;X、Ku频段比C频段发生概率更高;冬季虽然强波导少于夏季，但波导总的发生概率高于夏季。

表1 跨海链路大气波导模式的发生时间及概率

②发生规律:大气波导晴天多而阴天少;也有阴天突降小雨期间发生波导传播的现象;白天与黄昏多而夜间少。在64 km链路的测试期间，晴天较多，大气波导最长持续27 h35 min，信号电平既强又稳定。

③信道传输损耗特性:大气波导的信道传输损耗小，强波导条件下甚至接近自由空间传播损耗，接收信号电平显著高于以对流层散射模式传播的信号电平(可达64 dB)，电平变化范围大。冬季强波导现象少于夏季。

④单频快衰落特性:在强波导条件下，接收信号电平波动小，但偶尔也可能突发短时的快衰落;在波导强度不太高时，接收信号往往有快衰落。通常夏季衰落速率在4 Hz以内、衰落深度小于15 dB，恶劣时接近散射模式。冬季快衰落更为严重，衰落速率可达35 Hz，衰落深度可达21 dB。

⑤多径时延特性:在海洋环境下大气波导常伴随有不容忽视的多径传播现象，多径时延展宽值甚至常常高于按照湍流体散射模式预计值。冬季的多径现象(64 km链路多径时延展宽可达6 μs)比夏季更为严重。

⑥频率相关特性:大气波导模式在不同频段具有频率选择性衰落;在同一频段内，夏季频率相隔10 MHz以内的信号呈平衰落;但在冬季，频率相隔100 kHz即具有一定的衰落不相关概率。

2．3 大气波导传播特性分析

根据上述试验统计结果，可归纳出如下的大气波导传播特性:

(1)存在性

①频率从VHF频段至Ku频段、距离从64～286 km的无线超视距链路上存在大气波导模式，它与对流层散射模式并存于链路中。二者的主要差异体现在其信道传输损耗不同，大气波导传播信号电平可高出湍流体散射传播信号十几到几十分贝之多。对流层散射为链路平时基本模式，大气波导一旦出现则占据链路主导信道模式地位;②夏季大气波导发生概率高、信号强度大及持续时间长，海洋比陆地更为显著;春季、秋季发生概率次之，冬季最少;

(2)信道传输特性

①强波导接近准恒参信道，多径衰落的影响可忽略;②波导强度不太高时存在多径衰落，根据相关试验统计数据，可采用对流层散射通信系统常用的抗多径时延展宽、抗衰落技术予以克服。

(3)通信可用性

①大气波导是一种可显著增强超视距链路通信保障能力的优质信道资源，即与传统对流层散射通信系统设计能力相比，或支持超视距通信距离扩展;或支持平均信息吞吐量跃升与接入的业务终端种类、数量递增;或显著改善信息传输质量;②大气波导也是发生概率较高、有日变化预报趋势可循的可信、可用的优质资源，依据特定地域/海域的大气波导出现规律可合理分配窄带迅达类/宽带缓达类通信任务时间，更有效地对其通信应用进行设计。

3 大气波导通信应用设想

鉴于在陆地和海洋环境下，大气波导都是一种以较高概率出现的、低损耗高电平的优质不连续通信信道资源，提出波导/散射联合超视距弹性通信技术、基于大气波导的容中断伺机通信技术两种技术方案。

3．1 波导/散射联合超视距弹性通信技术

(1)技术内涵

在追求高性价比通信的C/X/Ku频段超视距链路上(通常200 km以内)，基于对流层散射通信确保全年高通信可靠度(例如95%以上)的链路设计原则确定站型配置(四重显分集架构)和任务下限速率，平时工作在散射模式提供中低速稀业务通信;一旦自动识别到大气波导信道，则切换至宽带优质通信模式提供大容量多业务服务。

该技术通过认知min级的信道传输损耗，并基于闭环链路控制机制，动态调整符号速率及用户终端接入配置与信道条件匹配，能够在大气波导模式下以较高概率伺机接入宽带优质服务，使平均信息吞吐量激增，并能以散射模式保证任务关键型业务的近全时段、高可靠接入，从而以最简站型获得超视距通信效能的倍增［10］。

(2)关键技术

①信道认知、速率评估及闭环链路控制技术

弹性通信有别于刚性通信的特点之一，是其信道认知与闭环链路控制机制。

系统开机后，首先以散射模式的任务下限速率建链，根据接收信号实时检测反映信道传输损耗的平均信噪比以及反映信息传输质量的误码率，结合适宜的弹性频度和粒度设计，经综合评估给出信道模式指示及最佳速率建议，进而通过闭环链路控制机制完成两端站速率切换控制信息的应答与交互，以控制发送速率、调制波形的选取与业务的动态接入，两端实时互控实现高效弹性通信。

②与信道动态匹配的调制解调技术

弹性通信有别于刚性通信的特点之二，是采用使链路呈现与信道动态匹配的弹性性能的先进调制解调技术。

通过闭环链路控制机制，基于动态符号速率及自适应调制方式，在不同信道模式、不同速率下采取相宜的调制解调波形。散射模式下，进行4重空间分集×2重带内频率分集的高重分集设计，并结合失真自适应接收技术实现抗多径衰落平稳传输;波导模式下，无需高重分集设计，以4重显分集架构结合自适应均衡技术支持大容量可靠通信。

③业务动态接入技术

弹性通信有别于刚性通信的特点之三，是能够伺机接入刚性通信不能支持的终端以提供宽带优质服务。

按照一定的自适应业务接入及动态带宽分配策略，通过闭环链路控制机制，实现业务接入的种类、数量、带宽对信道条件和用户需求的匹配，支持散射信道最恶劣条件下任务关键型业务的近全天候(例如95%以上)实时传递，散射信道较好条件下更多业务的较高可靠度传递，以及大气波导条件下IP多媒体业务较高概率传递，充分体现弹性通信的优越性。

(3)效能评估

以华北地区182 km链路为例，若采用波导/散射联合超视距弹性通信技术，系统为四重显分集架构，发射功率200 W，天线口径2．4 m，利用 ITU-R P.617－1建议给出的全球适用型对流层散射线路传输损耗统计预测模式，理论预计通信可靠度95%、误码率优于1×10－5条件下，散射模式的任务下限速率为192 kb/s。则按照“信噪比每变化一倍，也可使速率变化一倍”的理论进行预测，因大气波导带来的通信效能提升评估如下:

①夏季4天试验的95%时间内，假设射频带宽不受限，可支持传输速率比任务下限速率提升约40倍;而在大气波导发生的27.4%时间内，平均传输速率理论值甚至可达1 Gb/s;

②秋季，在大气波导发生的19.7%时间内，平均传输速率理论值可提升约30倍，达6 Mb/s;

③春季，在大气波导发生的13.3%时间内，平均传输速率可提升约38倍，达7 Mb/s。

3．2 基于大气波导的容中断伺机通信技术

(1)技术内涵

在允许链路中断、有节能省电需求的特定场合，且大气波导以较高概率出现、日变化有趋势性发生规律的陆地或海洋环境下，基于VHF/UHF单天线、单收发信机的高性价比小站型，可采取容中断伺机通信技术，实现刚刚超出视距～数百公里距离段的非时敏信息超视距传递。

所谓“伺机通信”，是指用户有使用需求和链路有通信条件时，进行并完成一次通信，长持续的强波导出现时，将允许大量宽带业务的优质传输。

该技术也可兼蓄并用对流层散射信道资源，以提高链路可通率。

(2)关键技术

波导/散射联合超视距弹性通信技术所涉及的关键技术成果，在很大程度上也可用于支撑基于大气波导的容中断伺机通信技术，二者在信道认知、闭环链路控制、动态符号速率及动态业务接入方面颇多相似之处，此处不再赘述。

二者主要差异在于，后者基于信道认知(伺信道之机)及业务请求(伺业务之机)联合的伺机通信控制技术，平时允许关闭发射机，当有信道可供建链的同时用户又有业务发送请求时，自动“唤醒”链路伺机通信。

4 结束语

大气波导是一种可显著增强超视距通信能力的优质信道资源，根据试验统计，我国华北地区和黄海海域是大气波导发生概率较高的区域。针对大气波导低损耗高电平、不连续但有日变化趋势性发展规律的特点，通信系统需具有即时认知波导优质信道的能力，采用使链路性能与之动态匹配的符号速率及调制解调波形，使用户享受到因波导带来的带宽倍增和质量优化的增值业务服务。随着对流层散射通信领域向弹性通信技术与容中断伺机通信技术的扩展，大气波导优质信道资源的高效通信应用已纳入其研究范畴，将为超视距通信注入新的生命力。

［1］ 王波．基于雷达杂波和GNSS的大气波导反演方法与实验［D］．陕西:西安电子科技大学，2011:13－19．

［2］ 赵小龙．电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究［D］．陕西:西安电子科技大学，2008:13－19．

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［4］ 孟书生．海洋大气波导电磁传播模型及波导参数反演算法研究［D］．北京:中国海洋大学，2010:5－11．

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［6］ 张瑜，吴少华．大气波导传播类型及特性分析［J］．电波科学学报，2009，24(1):185 －190．

［7］ 戴福山．海洋大气近地层折射指数模式及其在蒸发波导分析上的应用［J］．电波科学学报，1998，13(3):280 －286．

［8］ 戎华，曲晓飞，高东华．大气波导对电子系统作战性能的影响［J］．现代雷达，2005，27(2):15 －18．

［9］ 任香凝，王伟，庞博．超短波联合超视距通信技术研究［J］．无线电通信技术，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．