信道特性分析的短波远距离地空通信研究

梁 宇

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

信道特性分析的短波远距离地空通信研究

梁 宇

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

文章对地空信道的传输特性进行研究和分析，结合仿真及试验手段，对短波远距离地空通信性进行了研究。

信道；短波；通信；地空

1 短波信道通信系统研究背景

现代航空通信系统中，利用机载通信设备，采用短波远距离地空通信，通过无线中继、交换，实现多个地面台（站）间、地空间的信息交互，变超视距通信为视距通信。无线通信距离更远，覆盖面积更广阔，传输带宽较宽，抗干扰性更加强大，通信质量更高，保密性能及安全可靠性得到很大提升。

短波信道及其特性对于短波远距离通信质量具有决定性影响，短波链路作为卫星通信主要途径，研究短波信道机制，准确分析其传输特性，选择最佳通信链路，有助于进一步提高航空通信系统远距离地空通信质量和提升短波远距离数据和话音通信成功率。

2 短波远距离通信发展情况分析

20世纪50年代，无线通信技术成为通信领域的新的热点技术，以美国和欧盟为首的西方发达国家投入巨资研究空间电磁理论、空间电离层物理特性、雷达、天线、短波传播特性、短波信道的噪声、干扰等技术，对于短波等无线信道机制进行建模。20世纪70年代，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）广泛使用并推广窄带模型：Watterson模型，模型有效带宽仅为12 kHz及以下，一些研究机构对短波信道的特性进行仿真研究，取得了诸多研究成果。到了20世纪80年代中后期，短波等无线信道机制的研究更加深入和广泛，宽带短波信道模型：Watterson模型后接群延迟特性滤波器模型和Watterson模型+高斯随机延迟模型、Vogler模型、伪决定性信道模型、子带并行—宽带窄带化模型等一系列技术得到普遍应用。到了现在，ITS短波信道模型等研究和仿真技术也趋于成熟。

3 短波信道特性分析

3.1 短波信道特点

目前应用的短波波段频率在2～30 MHz范围，基准带宽为3 kHz，1.24 kHz。根据空间电磁理论分析，由于受到电离层多径反射影响，无线电信号再地球表面和电离层之间产生多次反射，这会引起短波信道，多跳传输产生多径时变，产生频率、时间的分散，因此，在接受端，接收到的信号产生毫秒级时间延拓与频率拓展，造成信号的衰落，也称为多普勒频移。中纬度范围内，短波信道引延迟拓展产生的时延多在2～6 ms区间范围，信号衰落在1～5 Hz区间之内，据研究人员研究表明，在高纬度的北部处于极光地区，产生的时延可达到10 ms，信号的衰落达到50 Hz。

电离层的状态，决定了远距离短波信道的通信链路链接准确率，远距离短波信道传输特点主要有以下几点：

（1）信号传播时延和信道传输函数模量|Ke(ω,t)|均具有时变特性。

（2）多跳传输产生多径时变，引起多普勒频移（信号衰落），容易产生传输码间的相互串扰，对于数据传输速率用很大的影响和限制作用。

（3）电离层多径反射及快速移动引起多普勒频移，信号相位变化，导致数据接收误码率较高，降低数据通信质量。

3.2 信道损耗分析

3.2.1 信道基本损耗

信号传输过程总会产生一定的损耗，这是不可避免的。在远距离短波信道传输的过程中，由于自由空间的障碍物吸收，以及电离层吸收形成的损耗称为信道基本损耗。在信道链路特新分析过程，需要对信道基本损耗进行计算和预估，另外还需要对系统额外损耗进行计算和分析。

假设飞行器在试验状态为白天，飞行器远距离测试设定为1 200 km距离的高空飞行，通过电离层（主要为F层）反射电磁波，地面短波和机载短波系统产生的自由空间损耗为[2]：

式（1）中，Lp0为自由空间损耗；f为信道频率，取值为14.5 MHz；r表示电离层吸收频率，F电离层空间高度取值为330 km。

3.2.2 电离层吸收损耗

电离层吸收损耗主要分为两种，一种是在反射区附近电波被吸收，形成的偏移吸收；另外一种是在白天，由于电离层的D，E层吸收损耗，称为非偏移吸收。在计算过程，因便宜吸收损耗较小，一般忽略不计；电离层由于空间高度不同，空气分子和电离子密度分布存在差异性，上层电离层电离子及中性份子密度大，下层密度少，对电磁波信号的影响不同。电离层吸收模式主要有F模式和E模式，如图1所示。电离层中100 km处的维度点作为计算基点，电离层吸收的损耗通常定义为La，根据维度点处磁旋频率fH以及磁旋角|x|计算出，同时需要计算出吸收因子AT(0,0)。

短波通信预测分析过程，需要对太阳黑子数进行参数选取，一般可通过网络共享技术，在官方天文网站进行获取。选取M，N点作为电磁波穿透电离层E层辅助基准点，电离层吸收的损耗取M，N两点吸收损耗的平均值进行计算，计算公式如下[3]：

式（2）中，LaM表示E层电磁波穿过M点的吸收损耗；LaN表示E层电磁波穿过N点的吸收损耗。

图1 电离层吸收损耗计算模型

3.2.3 额外系统损耗

远距离通信信道其他损耗称为额外系统损耗，如Es层附加损耗、雨衰和大气吸收损耗、极区吸收损耗等都称为额外系统损耗。在工程计算中，额外损耗比较复杂，需要参考各种资料进行预估。额外系统损耗通常用YP表示。

综合以上分析，考虑一跳传播方式，可以得出信道基本损耗计算公式：

在实际信道损耗计算中，还存在多跳模式，另外需要对天线损耗进行计算，天线损耗主要包括地面接收天线、机载天线、极化天线等，需要另行计算。

4 信道传输模型的建立及仿真分析

短波信道传输模型如前面提到的宽带短波信道模型：Watterson模型后接群延迟特性滤波器模型和Watterson模型+高斯随机延迟模型、Vogler模型、伪决定性信道模型、子带并行-宽带窄带化模型、TTS短波信道模型等。本文采用传输模型如图2所示。建模过程，需要综合考虑信道总损耗、外部噪声功率、快衰落的防护度MR、最小信噪比等参数指标[4]。

图2 信道传输模型

计算信道通信链路总损耗为：

式（4）中，LT表示信道链路总损耗；LS表示系统损耗；LP表示信道基本损耗；Lt表示发射机附加损耗；Lr表示接收机附加损耗；Pt表示发射功率；Pr表示接收功率。

信道链路总增益为：

式（5）中，Power表示发射功率；Gt表示发射天线增益；Gr表示接射天线增益。

通信链路余量则为：

式（6）中，Threshold表示接收机门限。

在计算过程，最小信号功率为：式（7）中，P'n表示输入噪声总功率；γ0min表示最小信噪比。

判断通信是否可靠，通常需要计算γ0min与信噪比γ0关系，信噪比大于最小信噪比，则通信可靠，反之表示通信可靠度达到多少。通信仿真测试一般采用MATLAB软件环境进行，仿真度较高。

5 结语

远距离短波通信是目前航空地空通信系统中广泛应用的无线通信技术，虽然短波通信信道衰落不可避免，受限于电离层影响，但随着技术的不断成熟，短波通信技术存在的问题和缺陷不断被优化解决，短波信路具有良好的安全性、隐蔽性、机动性、灵活性，而且成本低，通信质量稳定。通过研究分析短波通信信道特性，准确分析预测信道频率，优化短波通信建模及计算方法，建立最佳短波链路路径，将有助于短波技术的应用。

[1]李玉昌，刘翠海，孙晓磊.短波信道特性分析及其仿真建模综述[J].通信技术，2010（12）：28-29.

[2]刘满堂.基于信道特性分析的短波远距离地空通信[J].电讯技术，2012（9）：1508-1512.

[3]倪光华，杜智远，王东，等.地空通信信道特性仿真与分析[J].无线电工程，2015（6）：78-80.

[4]陈远友.无人机测控与通信系统信道传输特性研究[J].无线电工程，2014（3）：15-17.

Research on shortwave remote air ground communication channel characteristics analysis

Liang Yu
（Guangzhou Haige Communications Co., Ltd., Guanghzou 510663, China）

This paper carries out study and analysis of transmission characteristics of ground to air channel, combined with the simulation and the experiment means, shortwave remote air ground communication were studied.

communication channel; shortwave; communications; air to ground

梁宇（1971— ），女，广西桂平，助理工程师；研究方向：无线电通信。