短波无盲区通信技术及其应用*

崔宇明,韦 勇,唐光亮

(1.中国人民解放军78605部队,四川成都610031;2.中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

短波无盲区通信技术及其应用*

崔宇明1,韦 勇1,唐光亮2

(1.中国人民解放军78605部队,四川成都610031;2.中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

分析了短波通信盲区由于短波地波传播距离有限,而短波天波一跳传播距离较远的形成机理,针对盲区形成机理分析了解决短波通信盲区的方法即扩大地波传播距离与缩短天波一跳传播距离。介绍了一种解决短波通信盲区的近垂直入射天波(NVIS)技术,并通过对NVIS通信的覆盖距离、通信频段、传播损耗的计算分析,总结了NVIS通信距离覆盖范围有限、通信频段低、信号覆盖均匀的特点。在此基础上,通过作者参与的实际项目试验验证了短波NVIS通信的可靠性及通信质量,最后分析了短波NVIS通信在“山中通”、“动中通”和“大区域组网”方面应用的可行性。

短波 无盲区 近垂直入射天波

0 引 言

短波通信无需基础设施即可实现中、远距离甚至全球通信,且由于其天波传播信道具有不可摧毁性,因此短波通信在军事应用中具有重要意义。但短波通信存在盲区、可靠性差、带宽窄等缺点。

短波无盲区通信技术的发展解决了短波通信盲区问题,且由于短波无盲区通信覆盖范围内信号均匀,克服了短波通信可靠性差的缺点,具有较好的应用价值。

1 短波通信盲区形成原因及解决方法

(1)短波通信盲区产生机理

短波电波传播,基本上可以分为地波和天波2种传播模式。短波电波传播方式如图1所示。

图1 短波电波传播示意Fig.1 Schematic diagram of propagation wave

由图1可知,天线辐射出来的电磁波,在地波和天波第1跳传输距离之间,存在一个通信盲区。根据不同地况,盲区距离也有所差异,大约在十几公里至100公里之间,而这段距离是特定通信非常重要的区域,如抗震抗洪、森林防火、战术通信等,也是超短波等通信手段难以覆盖的距离,因此解决短波盲区通信是很多用户的迫切需求。

地波传播距离与地面电导率有直接关系,电导率越高,地波传播越远,但由于地波传播损耗很大,很难达到数十公里以上。天波第1跳传播距离则与短波天线的辐射仰角有关,仰角越高,则跳距越短,因此可以认为短波通信盲区主要是短波天线的“辐射仰角盲区”造成的。

(2)短波通信盲区的解决方法

既然短波通信盲区是由于短波地波传播距离太近和天波第1跳传播距离太远造成的,那么解决短波盲区通信的方法要么是扩大地波传播距离,要么是缩短天波第1跳传播距离[1]。

扩大地波传播距离的方法是增大电台发射功率和提高天线增益,但由于地波传播损耗很大,且受地形地貌影响,一方面是效果难以预测,另一方面成本太高。所以,解决短波通信盲区基本上都采用缩短天波第1跳传播距离的方法,也就是尽量提高短波天线的辐射仰角。

近垂直入射天波(NVIS,Near Vertical Incidence SkyWave)技术就是一种短波高仰角天波传播技术,用于解决短波通信盲区问题。具有NVIS传播辐射特征的天线,称为NVIS天线,其主瓣在90角方向上,在高仰角范围比较均匀的向电离层辐射电磁波,其典型传播模式如图2所示。

如图2所示,NVIS天波传播通过高仰角辐射和电离层反射,能够实现短波无盲区通信。

图2 NVIS传播示意Fig.2 Schematic diagram of NVIS communication

2 NVIS通信的主要特点分析

(1)NVIS通信覆盖距离有限

短波天波传播是通过电离层折射和反射进行传播的,电离层从低到高依次分为D、E、F1、F2四层。D层距离地表60～90 km,E层距离地表90～150 km,白天时,F1层大约距离地表150～250 km, F2层距离地表250～500 km。夜间则F1层和F2层失去明显界限,合并为距离地表250～350 km的F层。短波天波传输主要依靠F层(白天主要依靠F2层),因为F层的空气密度非常小,电离分子的重组过程非常慢,白天电离程度很高,夜间衰减得很缓慢。因此,通常在计算短波NVIS通信覆盖距离时,按照电离层反射高度250～450 km来计算。短波NVIS天线辐射仰角与通信覆盖距离的关系如图3所示。

图3 NVIS电波传播距离与辐射仰角关系Fig.3 Relationship of NVIS wave propagation distance and radiation angle

由图3可见,60°仰角传播距离在300～500 km之间,所以通常认为NVIS覆盖距离在400 km以内。

(2)NVIS通信频段低并且频段比较固定

电离层临界频率是电波垂直入射电离层时(θ= 0),能从电离层反射的最高频率:

其中,Nemax为电离层电子密度最大值。

电离层最高可用频率是在实际通信中能被电离层反射回地面的电波的最高频率:

其中,θ为电波斜射入电离层的角度(垂直入射时θ=0°)。

由于NVIS的入射仰角高,通常为60°～90°仰角(对应θ值为0°～30°),所以sec(θ)的值在1～1.15之间变化,也即NVIS最高可用频率一般在fv～1.2fv之间。再考虑到NVIS通信的覆盖范围一般在400 km以内,电离层电子浓度差异不大,也即在NVIS覆盖范围内fMUF变化不大,因此则短波无盲区通信的可通频段相对比较固定。

根据国际电信联盟CCITT的统计数据,在太阳黑子最大年,F层临界频率最高10 MHz左右,在太阳黑子最小年最高5 MHz左右[2]。再考虑到最佳可用频率及不同仰角关系,推荐使用频率范围在白天一般为4～10 MHz,夜晚一般为2～5 MHz。根据笔者试验经验,短波NVIS通信选频远比短波远程通信选频容易,在大多数时间内甚至只需要一个频率即可实现可靠的无盲区通信。

(3)NVIS信号覆盖均匀、通信可靠性高

电波在天波传播过程中所引起的传播损耗Lb包括自由空间传输损耗Lf,电离层吸收损耗La,地面反射损耗Lg和附加损耗Y等。

可以看出,传播损耗是工作频率、传播模式、通信距离、通信地点和时间的函数。其中,自由空间传输损耗为:

其中,f为电波频率(MHz);d为有效传播距离(km)。

(2)改进变化环节的控制方式和控制力度；①细化管理流程，分别从矿、科、队三级进行分类，对照变化环节性质覆盖率达到100%；②细化了组织程序，分别从时间、到位人员、组织措施均作了具体要求；③细化了奖惩标准，分步制定奖惩标准，实现奖惩平衡，突出正向激励；④建立变化环节目标化考核制度。

电离层吸收损耗La主要发生在D层,与电波传播路径中的电子浓度N、碰撞率v、地磁场强度以及电波频率等因素有关,而上述参数难以准确估计,工程计算中常采用半经验公式进行计算和预测。

其中,φ为在100 km高处的入射角;f为工作频率(MHz);fH为在100 km高处的磁旋频率(MHz);I为吸收指数;n为路径的跳数。查图计算,本例的吸收损耗取为La=15.2 dB[3]。

地面反射损耗Lg指电离层反射回到地面的电波,再由地面反射时发生的损耗,由于短波无盲区通信不考虑多跳反射情况,因此地面反射损耗可以不计。

附加损耗Y指上述以外的其它各项损耗,如电离层的散焦效应、Es层附加损耗、电波极化损耗等。附加损耗一般定量计算比较困难,通常采用大量电路实测综合估计值,参考相关资料和工程实验数据,一般附加损耗取值5 dB左右,本例取5 dB[4]。

如果以工作频率为5 MHz,在电离层450 km高度反射,覆盖400 km为最大传输距离,以电离层250 km高度反射,垂直反射覆盖本地为最近距离,则短波无盲区通信的传播损耗最大值和最小值分别为:

如图4所示NVIS电波传播最大和最小路径示意。

图4 NVIS电波传播最大和最小路径示意Fig.4 NVIS wave maximum and minimum path diagram

可见,NVIS通信在覆盖范围内传播损耗相差很小,最大值和最小值相差在6 dB以内,基本可以认为实现了信号的均匀覆盖。因此,在NVIS覆盖范围内,通信可靠性较高。

3 NVIS通信试验

表1 试验数据Table 1 experimental data

试验结果表明,短波NVIS通信基本能够实现全天24小时可通。

4 NVIS通信应用

(1)“山中通”和“动中通”应用

由短波NVIS通信的传播特性可知,近垂直入射电离层反射克服了山体阻挡,能够实现“山中通”,笔者在通信试验中多次进行“山中通”试验,通信效果良好。同时,大量试验表明,在100 km/h移动速度条件下短波无盲区通信话音质量能够达到3级以上。

(2)大区域短波通信组网应用

由于短波无盲区通信在覆盖范围内信号比较均匀,克服了短波天波传播的不稳定性,为短波大区域组网应用提供了条件,无需卫星和升空平台等基础设施就可以在较大范围(0～400 km)组成一个数百用户规模的短波网络,具有其他通信手段难以比拟的优越性[5]。

5 结 语

本文通过计算分析了NVIS通信与传统短波天波传播通信相比具有无通信盲区、可靠性高和通信频率低的特点,并在实际NVIS通信试验中得到了印证。一方面,NVIS由于近垂直入射电离层反射克服了山体阻挡,能够实现“山中通”和“动中通”,另一方面,NVIS通信克服了传统短波天波传播的不稳定性,且其覆盖范围又超过了视距(LOS),具备了短波“大区域组网”的基础,建议进一步研究短波NVIS组网的MAC层以及网络层技术。

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LI Wen-Bo,JIANG Xiao-Hong,SONG Zhen-Dong.Study on Shortwave Blind-area Free Communication and Applications[J].Wireless Communication Techology:2009. 35(6):16.

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WANG Feng,ZHAO Hong-Feng,WANG Yong-Sheng.A HF No-blind Zone Communication Technology Based on High Elevation Angle Antenna and It′s Implementation [J].Wireless Communication Techology:2006(6):53.

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CUI Yu-ming(1977-),male,B.Sci., senior engineer,mainly engaged in communication and information system.

韦 勇(1977—),男,学士,高级工程师,主要研究方向为通信与信息系统;

WEI Yong(1977-),male,B.Sci.,senior engineer,mainly engaged in communication and information system.

唐光亮(1969—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为无线通信。

TANG Guang-liang(1969-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in wireless network.

HF Non-Blind-Area Communication Technology and Its Application

CUI Yu-ming1,WEI Yong1,TANG Guang-liang2
(1.Unit 78605 of PLA,Chengdu Sichuan,610031,China;2.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

This paper analyzes the shortwave communication blind area caused by limited wave propagation distance,and the formation mechanism of HF hop-propagation distance.According to the formation mechanism of the blind area,a solution for HF communication blind area is proposed,namely,to extend the ground-wave propagation distance while shorten the sky-wave propagation distance of a jump.A solution for short-wave communication blind area called near vertical incidence sky wave(NVIS)technology is also described.Through calculation and analysis of NVIS communication coverage distance,communication frequency,and propagation loss,the characteristics of NVIS communication are summarized,including limited distance coverage,low communication frequency band,and balanced signal coverage.On this basis,the reliability and quality of short-wave NVIS communication is verified in the test of practical project,and finally the feasibility of short-wave NVIS communication in“communication in mountain area”,“communication in motion”and“large-area networking”is also analyzed in this paper.

HF;non-blind area;NVIS

TN011

A

1002-0802(2014)10-1135-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.006

崔宇明(1974—),男,学士,高级工程师,主要研究方向为通信与信息系统;

2014-08-14;

2014-09-14 Received date：2014-08-14;Revised date：2014-09-14