14.1 GHz海上微波超视距传播衰落斜率特性研究

李磊　吴振森　林乐科　卢昌胜　张利军　王红光

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;

2.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)



14.1 GHz海上微波超视距传播衰落斜率特性研究

李磊1吴振森1林乐科2卢昌胜1张利军2王红光2

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;

2.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)

摘要传输损耗衰落斜率特性的研究对于对流层微波超视距传播系统的抗衰落设计和评估有重要的意义．根据在我国黄渤海区域进行的一次14.1 GHz微波超视距传播试验,结合散射抛物方程,高级折射效应预报系统 (Advanced Refractive Effects Predicition System, AREPS) 以及当地的气象数据分析了其衰落损耗数据的可用性;重点研究了其衰落斜率特性,根据其衰落斜率特性分析了电磁波通过波导、超折射、对流层散射三种环境及其共同作用进行超视距传播时信号的稳定性．

关键词衰落斜率;微波;超视距;大气波导;超折射;对流层散射

The fade slope of microwave trans-horizon propagation

资助项目: 国家自然科学基金(编号：61471329,61401410)

联系人： 吴振森 E-mail: wuzhs@mail.xidian.edu.cn

引言

无线电通信系统的性能和所处的电波传播环境具有密切的联系,其收发传输机制涉及到电波的吸收、折射、反射、散射、绕射、谐振、多径干涉和多普勒频移等一系列物理过程[1-2]．这些过程一方面造成了电波传播的衰减、衰落、极化偏移和时频畸变,另一方面也产生了使电波实现超视距传播的条件．在海上特定的大气和水文环境中,海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减从而形成几乎永远存在的蒸发波导,海面上空的冷暖空气水平对流又易形成悬空波导或超折射现象,电波在其中往往可以以较小的损耗传播到比视距远得多的距离,形成反常传播现象[3-4]．同时,由于在海上对流层天气现象变化复杂,大气不均匀、湍流和水平层结的经常性出现,极易引起较强的对流层散射现象,使电波传播较远的距离,形成对流层散射传播[5]．当超视距传播链路为海上链路,尤其当收发天线高度较低时,电波传播总会受到上述几种现象之一甚至共同作用的影响,因此,研究电波传播在大气波导和对流层散射混合机制作用下的动态衰落特性,对超视距跨海无线电通信系统的设计有一定的指导意义．

信号的衰落特性主要包括快衰落和慢衰落,前者指瞬时信号电平在几分钟至一小时内的短期变化,后者指短期信号电平中值在以昼夜、月、季和年以至数年为周期的长期变化．信号的慢衰落特性是无线电系统传播可靠度设计的依据,而快衰落特性则是评估抗衰落系统性能所必需的,了解信号的快衰落特性对于设计跟踪信号变化的控制环路或对传播条件进行更好的短期预测是十分重要的．信号的快衰落特性主要以衰落深度、衰落幅度、衰落速率,衰落持续时间和衰落斜率来表达．其中,衰落斜率定义为衰落随时间的变化速率,其首先应用于对雨衰动态特性的研究[6-8]．1992年,Sweeney和Bostian[9]通过估计雨天第一菲涅尔区的降雨速率,在理论上分析了雨衰的动态特性．1999年,Van de Kamp[10]分析了雨衰衰落斜率的概率分布,提出了衰落斜率的预测方法,随后此方法被纳入了国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)的建议书中[11]．基于此模型,一种模拟雨衰时间序列的N阶马尔科夫链模型被提出并得到广泛的应用和研究[12-14]．然而,至目前为止,关于衰落斜率动态特性的研究主要集中于降雨等方面,而关于对流层超视距微波链路衰落斜率动态特性的研究,目前的文献还相对较少．

本文首先结合散射抛物方程方法[15], 高级折射效应预报系统(Advanced Refractive Effects Prediction System, AREPS)[16]软件和当地的气象数据,对我国黄渤海区域一次频率为14.1 GHz的海上微波超视距试验的传播数据进行了可靠性分析,随后利用此次传播数据分析了本次衰落数据在不同衰减值下衰落斜率的概率分布以及不同滤波器带宽对衰落斜率概率分布的影响．分析结果表明,衰落斜率的概率分布与衰减值和滤波器带宽都有着很好的相关性．

1试验条件及数据处理

本次海上对流层超视距传播试验发射端位于觉华岛,天线海拔高度为21 m,接收端位于长兴岛,天线海拔高度为12 m,两站点隔海相望,大圆路径距离为107.7 km,如图1所示．天线发射功率为43.67 dBm,频率为14.1 GHz,发、收天线增益均为35.9 dB,仰角为0°,接收端采样频率为100 Hz．试验开始接收数据时间为2013年9月14日,结束时间为2013年10月10日,共历时27天,整个试验传输损耗的累积分布函数如图2所示．同时,为了收集试验期间近地层的同步气象数据,在发射端海上观测平台的不同高度处安装了气象梯度仪．

图1　试验链路地理位置示意图

从图2可以看出,本次试验期间,信号变化整体起伏较大,传输损耗从155 dB至220 dB,之间相差达65 dB．这可能是由两种原因造成的:1) 在试验期间由于海风较大或者其他人为等因素造成收发天线不是总在相应的最佳指向,传输损耗值中包含了一定的天线偏向损耗;2) 电波在传播过程中受到了蒸发波导和湍流效应的影响．当蒸发波导高度较高且强度较大时,电波完全陷获于波导层内形成波导传播;当蒸发波导高度较高但强度不大,折射率梯度递减率不足以完全将电波陷获于波导层内时,形成超折射传播．这两种情况均会造成信号会以较小的传输损耗进行传播;而当蒸发波导高度较低,波导厚度和强度较小不足以形成波导或者超折射现象时,电波受湍流等效应影响,形成对流层散射传播,传输损耗较大．在整个试验期间,这两种传播方式可能总是交替或者同时存在,造成信号电平整体跨度较大．为了验证上述假设是否成立,确保试验数据的可靠性,根据观测平台的气象梯度仪数据测得的蒸发波导高度和海平面修正折射率,在考虑了风向、风速、气海温差和潮汐变化的基础上,利用Paulus-Jeske (P-J)[17-18]蒸发波导模型模拟了发射端的修正折射率剖面,并将此剖面分别代入散射抛物方程和AREPS中进行计算,结果如图3所示．

图2　传输损耗累积分布函数

图3　不同蒸发波导高度下的实测数据与散射抛物方程和AREPS的模拟数据比较

从图3可以看出,实测数据与散射抛物方程和AREPS软件的模拟结果有着较好的一致性,传输损耗随着蒸发波导高度的升高整体呈减小趋势．这说明本次试验的测量数据在大多数情况下是合理的．因此,信号的变化主要是由于蒸发波导的高度变化所导致的波导、超折射以及对流层散射传播引起的．并且从图3可知,本次试验的传输损耗都大于或等于自由空间传输损耗,没有出现信号增强的情况．

2衰落斜率

某一衰减值的衰落斜率定义为下一时刻衰减值和前一时刻衰减值之差与它们之间时间间隔的比值[10]

(1)

Van de Kamp认为雨衰减衰落斜率的概率分布可能由衰减值、雨滴尺寸分布、仰角及低通滤波器带宽等几个参数决定．由于海上的对流层超视距传播仰角较低,通常设为0°,同时其受降雨影响较小,因此为了研究对流层超视距传播的衰落斜率特性,对其概率分布首先从衰减值和低通滤波器带宽两方面加以分析．

为了滤除采样值过高造成的闪烁和设备奇异值,对本次试验数据进行1 s平均,随后根据式(1)计算了本次试验数据在不同衰减值下的衰落斜率,其概率密度分布和累计概率分布分别如图4和图5所示．

图4　不同衰减值下衰落斜率的概率密度函数图

图5　不同衰减值下的衰落斜率的累积分布函数

从图4和图5可以看出,不同衰减值的衰落斜率的条件概率都以0 dB/s为中心呈左右对称,这和Van de Kamp所计算的关于雨衰减衰落斜率的结果一致[10]．经计算,本次试验中所有衰减值衰落斜率的正负概率密度之差的量级都在10-3,最大差值为0.009 2．部分衰减值衰落斜率的条件概率分布比较如表1所示．另外,从图中可以看出,不同衰减值衰落斜率的条件概率分布不同,图6显示了不同衰减值的衰落斜率在0 dB/s时的条件概率密度值．

表1　各衰减值衰落斜率条件概率比较

图6　不同衰减值的衰落斜率在0 dB/s时的条件概率密度值

从图6可以看出,随着衰减值的增大,传输损耗的衰落斜率在0 dB/s时的条件概率密度值分布先是快速减小,随后缓慢增大,而雨衰减的衰落斜率在0 dB/s时的条件概率密度值的变化趋势则为随衰减值的增大而减小[10],两者并不相同．当衰减值为176 dB时,衰落斜率在0 dB/s时的条件概率密度值最小,为0.145,这说明此时的信号较为离散,接收信号电平变化较快,衰落起伏较大．结合图3可以看出,当衰减值为176 dB左右时,蒸发波导高度约在10至20 m之间,高于接收天线高度但低于发射天线高度,因此此时的电磁波传播可能受到波导,超折射和对流层散射三种传播方式共同作用的影响,从而造成信号衰落起伏较大,信号不稳定．

Matricciani[19]在研究降雨的衰落斜率时用1 s和4 s的滑动平均滤波器来滤除对流层闪烁对雨致衰落的影响,并比较了不同滤波后衰落斜率的概率分布情况,其结果表明滤波器带宽越大,超过同样概率的衰落斜率值越大．他认为这是由于滤波器的平滑和重复采样,要达到给定衰减间隔需要更长的时间造成的．Van de Kamp也研究了降雨衰落斜率和低通滤波器带宽的关系并给出了相关公式[10]．因此,为了研究低通滤波器带宽对对流层微波超视距传播的影响,对本次试验数据分别进行了4 s和8 s的滑动平均滤波,并计算了滤波后不同衰减值衰落斜率的条件概率分布,部分衰减值衰落斜率的条件概率分布如图7和图8所示．

图7　4 s滑动平均不同衰减值衰落斜率条件概率分布

图8　8 s滑动平均不同衰减值衰落斜率条件概率分布

从图7和图8可以看出,滤波器带宽的不同并不影响衰落斜率分布的对称性,但是随着滑动平均时间的增大,给定衰减值衰落斜率的条件概率分布越来越集中,也就是说达到给定衰减间隔需要更长的时间,这和Matricciani所得出的结论一致．为了更清晰地看出这种变化,图9给出了不同低通滤波器带宽下不同衰减值衰落斜率为0 dB/s时的条件概率的变化情况．

图9　不同低通滤波器带宽下不同衰减值衰落斜率为0 dB/s时的概率密度值

从图9可清晰地看出,在不同的平滑滤波下,随着衰减值的增大,衰落斜率的条件概率分布最大值都呈现先减小后增大的情况．但是随着滑动平均时间的增大,给定衰减值的衰落斜率的条件概率分布最大值会逐渐增大．这说明滑动平均时间的增大滤除了信号的快衰落变化,导致了短时间内信号衰落的趋势变缓,从而使各衰减值的衰落斜率更加集中在了0 dB/s．图10给出了不同衰减值下滑动平均时间与衰落斜率分布概率的关系,从图中可以看出,随着滑动平均时间的增大,给定衰减值的衰落斜率概率分布最大值近似呈线性增大,这至少说明了衰落斜率和滤波器带宽有一定的关系,而本次试验中,两者呈现一种正斜率线性比例关系,表2给出了图10中各个衰减值衰落斜率和滑动平均时间的线性比例值．

图10　不同衰减值下滤波器带宽与衰落斜率分布概率的关系

表2　不同衰减值衰落斜率和滑动平均时间的线性比例关系

3结论与讨论

本文首先利用我国觉华岛的气象梯度仪数据,结合散射抛物方程和AREPS软件分析了在我国黄渤海海域进行的一次14.1 GHz对流层微波超视距试验数据的可靠性,随后重点分析了本次试验衰落损耗数据的衰落斜率特性．经分析发现:1) 不同衰减值的衰落斜率的条件概率分布曲线都关于0 dB/s左右对称;2) 随着衰减值的增大,给定衰减值衰落斜率的条件概率分布曲线先是快速变低变平,随后缓慢升高;3) 在不同低通滤波器带宽下,衰落斜率的条件概率分布最大值曲线变化近似相同,但是随着滑动平均时间的增大,给定衰减值的衰落斜率概率分布最大值近似呈线性增大．上述结果表明:1) 对海上微波超视距传播而言,当传播方式为大气波导传播时,信号的衰落斜率概率分布曲线在0 dB/s附近最为集中,因此信号最强且最为稳定;当传播方式为对流层散射传播时,信号的衰落斜率概率分布曲线在0 dB/s附近较为集中,因此虽然信号最弱,但信号较为稳定,衰落起伏较小;而当两种传播方式同时存在时,衰落斜率概率分布曲线较分散,因此虽然信号较强,但信号的衰落起伏大,信号最不稳定;2) 衰落斜率的条件概率分布和低通滤波器带宽有关,带宽的增大滤除了对流层闪烁和设备产生的奇异值的影响,也可能因此滤除掉了信号的实际的快衰落变化．从图形上看,滑动平均滤波器的滑动平均时间和衰落斜率条件概率最大值呈正斜率的线性关系．

对流层微波超视距传播衰落斜率的研究对于系统的抗衰落设计以及设备的选址等有十分重要的指导意义．由于试验数据和条件的限制,本文的研究工作尚不够全面,应当在不同的区域和环境条件下对衰落斜率进行更加全面和深入的分析和研究,找出规律,得到统一的数值模型．

致谢:衷心感谢电波环境特性及模化技术重点实验室提供的传播实测数据;感谢张蕊高工在理论及算法上提供的支持与帮助．

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李磊(1987-),男,河北人,西安电子科技大学博士研究生,主要从事电磁波在随机介质中的传播和散射建模及仿真研究．

吴振森(1946-),男,湖北人,西安电子科技大学教授,博士生导师．主要从事随机介质波传播、电磁散射等方面研究．发表论文三百余篇,其中SCI论文两百余篇．

林乐科(1972-),男,山东人,博士,中国电波传播研究所研究员,主要从事对流层传播与环境特性研究．

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on oversea at 14.1 GHz

LI Lei1WU Zhensen1LIN Leke2LU Changsheng1

ZHANG Lijun2WANG Hongguang2

(1.XidianUniversity,SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,

Xi’an710071,China;2.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,China

ResearchInstituteofRadioWavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractStudy on the fade slope characteristics of the transmission loss has important significance for the design and the evaluation of the microwave over-the-horizon systems which Fade Mitigation Techniques may be implemented. Transmission loss measurements at 14.1 GHz have recently been made on the oversea paths in the areas of the Yellow sea and the Bohai sea of China. The availability of the data is analyzed combining with the troposcatter parabolic equation method, the Advance Refractive Effects Prediction System (AREPS) and the local meteorological data. Then, this paper focuses on the study of the fade slope characteristics of the transmission loss. The stability of the trans-horizon microwave signal, which propagated on oversea with the duct, the super-refractive, the troposcatter and the hybrid mechanism, has also been analyzed with the fade slope characteristics of transmission loss.

Key wordsfade slope; microwave; trans-horizon; duct; super-refractive; troposcatter

作者简介

收稿日期：2015-01-09

中图分类号TN958.93

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)06-1164-06