微波超视距通信信道特性分析与系统设计

王肇嬴，王清芬，王 烨

(1.中国人民解放军96819部队，北京 100015；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.西安邮电大学，陕西 西安 710121)



微波超视距通信信道特性分析与系统设计

王肇嬴1，王清芬2，王 烨3

(1.中国人民解放军96819部队，北京 100015；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.西安邮电大学，陕西 西安 710121)

针对微波中继通信单跳通信距离近、后勤保障困难、机动性差及难以适应复杂地形等缺点，通过分析微波超视距信道特性，提出微波超视距传输的设计思路。基于对微波超视距链路预计公式的推导，为系统设计提供基础和保障。通过对信道类型的分析，提出针对瑞利信道的抗衰落技术措施，进行仿真和分析。最后给出了一个工程实例，理论及实践的一致性结果，证明了其应用效果。

微波中继；超视距；传输特性；抗衰落技术

0 引言

数字微波中继通信[1]是在数字通信和微波通信基础上发展起来的一种先进的通信传输系统，具有传输容量大、上下话路方便、传输质量好、投资小、见效快等特点，同时作为一种快速连接方法，在民用固定及移动通信中广泛应用，多个站点之间通过建立中继站，实现长距离链路的通信传输。但在某些临时、应急、军事通信中，中继站的建设[2]不仅费时费力，后勤保障要求高，而且机动性、安全性差，因此微波超视距通信逐渐被重视起来，近年来得到了快速的发展。

从电波传播角度来看，微波超视距通信是指微波信号在光滑球面上超出视距传播模式以外的电波传播模式。它主要包括绕射传播(恒参非视距NLOS)、绕射+散射传播(变参非视距NLOS)、散射传播(超视距BLOS)等3种主要方式。由于特殊的通信机理，微波超视距通信具有超视距传输、传输信道稳定、安全保密及抗毁顽存等优点，是一种新型的可用通信手段[3-4]。

1 传播特性分析

通过分析微波超视距传输的几种方式及链路预计的方法，得出每种传输方式下传输损耗的量化结果，为后续的分析和设计奠定基础。

在视距可达范围内，通信两端通过视距传播；在微波超视距传输范围内，信道传播模式为绕射、散射混合模式。链路传输损耗与通信距离的关系如图1所示。

图1 链路传输损耗与通信距离的关系

在微波超视距传输模式下[5-6]，链路传输损耗中值采用Lcr表示，则有：

(1)

式中,Lcr为绕射传输损耗，Lsr为散射传输损耗。根据上述原理可判断传播模式，即Ldr-Lsr<-15 dB时为绕射传播模式； -15 dB≤Ldr-Lsr≤15 dB时为绕射与散射混合传播模式；Ldr-Lsr>15 dB时为散射传播模式。

参数R(0.5)表示绕射和散射传输损耗之差，通过图2读出对应函数值。

图2 常量绕射场加上瑞利分布散射场的合成幅度的累计分布中值

1.1 视距传输损耗

根据Friss传输方程式，对于一个全向天线，发射到接收的距离是R，则接收：

P=PT/4πR2。

(2)

记入天线有效孔径的影响后，可以推导出常用的视距传输条件下的自由空间传输损耗公式Lf(dB)为：

Lf(dB)=92.44+20lgR+20lgf，

(3)

式中,R为传输距离(km)，f为工作频率(GHz)。

1.2 绕射传损耗

在光滑球面地上，绕射传输损耗Ldr包括自由空间传输损耗Lf和绕射传播损耗Ld：

Ldr=Lf+Ld。

(4)

从公式来看，绕射损耗也可以理解为视距传输损耗加上绕射障碍损耗的影响。其中,绕射传播损耗可用下式计算：

(5)

式中:

x0=dB0；

式中，ae是等效地球半径，以km计；dt、dr分别为从发射天线和接收天线到其无线电地平线点的距离，以km计；ht、hr分别为发收天线高度，以km计[7]。

1.3 散射传输损耗

根据长期的理论和工程实践，对流层散射传播损耗中值Lsr[8-10]由下式表示:

(6)

式中，Lsr为传播损耗中值(dB) ，F为气象因子(dB)，f为频率(MHz) ，Θ0为最小散射角(mrad) ，d为电路长度(km) ，H为最低散射点到收发点连线上的高度(km) ，h0为最低散射点离地高度(km) ，γ为对流层不均匀性强度随高度的指数衰减系数(km-1) ，Lc为口面介质耦合损耗(dB)，G'10和G'20分别为发收天线增益(dB) 。

已知等效地球半径ae，收发点间的球面距离D，收发天线高度hr、ht，令:h1=hr+ae，h2=ht+ae。假设收发天线高度相等，收发端对称，则：

(7)

式中，βt为收发天线仰角，φt为收发天线俯仰方向半功率波束宽度[11]。

2 关键技术

根据上节中信道传播理论分析可知，微波视距传输[12]距离一般为30 km，信道为准恒参信道；传输距离为30～70 km之间时，为绕射散射混合传播模式，由于绕射分量的存在，使得信道呈现莱斯衰落；传输距离70 km以上时属于散射传播模式，此时无直射分量，信道呈现瑞利衰落。

所述微波超视距传输信道与微波视距信道相比，传输损耗明显增加，具有瑞利衰落的快速时变特性，为保证在该信道上实现信息的平稳传输，需要采取抗衰落技术体制，目前最常用也是最有效的技术措施是分集接收，它能使接收机监测信号的信噪比提高，从而降低误码率。另外根据系统要求，选择相应的信号处理方式也可以相应改善系统接收信号的质量，减少衰落信号影响。

2.1 分集接收与合并方式

2.1.1 分集方式

分集方式包括空间分集、频率分集、时间分集、极化分集及角分集等。空间分集和频率分集也是本次设计时采用的主要的抗衰落措施。空间分集是利用电波传播是在角度上的扩散造成的，同一射束在不同地点产生的电场存在不相关性，只要距离足够远，在不同接收空间位置上的衰落几乎是独立的，分集重数由收发天线的数量决定，如两发两收的天线其空间分集重数为4重。频率分集则是在同一传输路径上，不同频率射线的相关性随频率差的增加而迅速下降，在具体实现时又分带内分集和带外分集，通过控制载波间隔大于频率相干带宽来实现。

在微波超视距信道上经多径传播后的接收信号是衰减和时延都随时间变化的各路径信号的合成。如果在接收端同时获得几个衰落不相关的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够显著减小快衰落的影响。分集的几个信号之间是统计独立的，则经过适当的合并后就能使系统性能大为改善。瑞利衰落信道条件下的分集性能仿真结果如图3所示。

图3 瑞利衰落信道条件下的分集性能

2.1.2 合并方式

分集的合并方式有选择式合并、等增益合并和最大比值合并。对m重信号：s1(t)、s2(t)、s3(t)……sm(t)，合并后的信号可表示为：

(8)

式中，ai是加权系数，上式中加权系数选择方法不同，就产生了不同的分集合并相加方法。主要的分集合并方式有3种。

① 选择式合并

选择每一时刻最强的接收信号输出，只要上式中a1、a2、a3……am中有一项最大即取之，其余均舍弃，因此输出信号的信噪比始终等于最强的一路输出信噪比，其余均舍弃。选择式合并的信噪比改善为：

(9)

选择式合并由于只利用一路信号，电路简单，但性能较差。

② 等增益合并

等增益相加是指所有分集支路的增益相等，即各项的加权系统ai为常数，这种情况，在多路信号的信噪比差不多时，其信噪比改善为：

Em=1+(π/4)(m-1)，

(10)

式中，m为分集重数。

当某一信号为零或很小时，其噪声仍然存在，在这种情况下，等增益相加反而会降低系统误码率，性能反而会低于选择式合并。对于微波超视距瑞利信道条件下，等增益合并也不是分集接收的最佳合并方式。

③ 最大比值合并

最大比值相加是最佳比例相加或比值平方相加，一种典型的比值平方相加输出信号为：

S(t)=(1/N)[S12(t)+S22(t)+······+Sm2(t)]，

(11)

式中，N为平均噪声功率。

在最大比值相加中，信号强的支路所做的贡献成平方律相加。最大比值合并中，加权系数与相应接收信号强弱成正比，即信号较强的一路多输出一些，信号弱的支路少输出些。由此可见，采用最大比值合并充分考虑了信道质量，特别是首先进行信噪比估计，以此作为加权系数，合并后信号振幅和各支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对输出信号贡献愈大，相比其他相加策略性能最好，也是目前工程上首选的分集合并方式。图4给出了不同分集支路和合路的快衰信号包络示意图。

图4 不同分集支路和合路的快衰信号包络示意图

2.2 调制解调方式

调制解调方式是体现通信系统先进性的一个重要特征，在数字通信系统中，可供采用的调制方式有FSK调制、ASK调制、PSK调制以及QAM调制[13-14]，调制阶数有二阶调制、四阶调制以及M阶调制(M>4)。其中在调制阶数相同且均采用相干检测条件下，PSK比FSK、ASK具有更强的抗干扰能力，亦即具有更低的解调门限电平；QAM主要用于多进制数字调制(M>4)，在M相同的条件下，MQAM比MPSK的抗干扰能力更强，通常采用较大的进制数M以提高频带利用率[15-16]，但是与二阶、四阶调制相比，高阶调制(M>4)具有较大的性能损失，几种不同调制阶数以及调制方式的恒参理论曲线如图5所示。

由图中曲线可知16QAM比BPSK/QPSK在AWGN信道条件下当误码率为10-5时的性能损失高达3.5 dB以上，则其在超视距传输这种时变衰落信道中的性能损失更加严重。在微波超视距传输中，业务速率为256～2 048 kb/s，即使采用四阶调制方式时其占用的带宽也较易满足；但是由于微波超视距信道传输损耗较大，是一种功率受限信道，必须提高功率利用率、尽量降低功耗，需要选择具有最低解调门限的调制方式；综上所述在微波超视距传输中更适宜选择BPSK/QPSK调制方式。

图5 QPSK、8PSK、16PSK、16QAM恒参理论曲线

3 工程设计

微波超视距通信系统传输距离一般为45～90 km，存在视距、绕射、绕射+散射、散射等多种传播模式，工作频段为C频段，通信速率为256～2 048 kb/s。

3.1 链路预计

根据上述讨论的链路预计方法，在两端站分别架高18 m条件下计算45～90 km范围内的传输损耗，计算结果如表1所示。

表1 超视距传输损耗计算结果

3.2 系统设计

微波超视距通信系统根据微波通信系统的基本设备能力进行设计，设备发射功率设计为5 W，天线口径1.2 m左右，并架高18 m实现传输距离的延伸。通信距离为90 km时，为典型散射信道，链路传输损耗为208 dB。

无分集时，误码率10-5的通道信噪比为30 dB[17]，此时系统接收门限为：

(12)

则此时系统余量为：

G余=PT+GT+GR-L-Pi=

37+32.5+32.5-208+108=2 dB。

(13)

根据散射链路传播可靠度预测方法[18]，传播可靠度要求为99%时，系统余量要求不小于25 dB。如此低的系统余量显然不能满足系统可靠传输的需求，需要采用多重分集技术提高系统的传输能力。

根据设计与分析，采取“4重空间×2重频率”(总共达8重)、B/QPSK调制、相干检测，并对各接收支路信号采用最大比值方式进行合并，在瑞利衰落信道条件下进行仿真。仿真结果显示在误码率10-5时，所需每个空间分集支路信噪比约为5 dB，与无分集时的单通道性能相比，改善大约25 dB。

采用的 8重分集措施时，系统余量可达到27 dB，可实现衰落信道下系统的平稳传输。因此本系统采用“4重空间×2重频率”的8重分集技术体制。

通过系统设计，微波超视距通信系统主要技术指标要求和设备能力如下：

工作频段：C频段；

发射功率：≥5 W(天线口)；

天线及架高：口径1.2 m、架高18 m；

业务速率：256 ～2 048 kb/s；

调制方式：BPSK/QPSK；

分集重数：8重。

3.3 试验验证

华北地区数条链路损耗测试结果如表2所示，与上述理论分析结果相比，二者波动误差小于5 dB，证实了上述链路预计方法基本有效。

表2 链路损耗测试数据

因此微波超视距传输中，对于链路传输损耗可按照上述方法初步估算，同时结合实测结果进行一定修正，用于指导系统设计，特别是对于影响系统能力的各项参数与指标具有重要参考。

4 结束语

本文从具有视距、绕射、绕射+散射、散射等多种传输模式的微波超视距通信信道着手，首先研究了集多种模式于一体的微波超视距信道特性，对视距传播、绕射传输及散射传输等几种传输方式入手，从工程理论和实践结果给出了其链路预计的公式。然后根据瑞利传输信道的衰落特性，分析了采用的相关技术。最后结合工程实践，设计实现了一个微波超视距通信试验系统，测试结果与理论计算一致，具有良好的推广性。

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Analysis on Microwave BLOS Communication Channel Characteristics and Design on a Microwave BLOS Communication System

WANG Zhao-ying1,WANG Qing-fen2,WANG Ye3

(1. Unit 96819,PLA,Beijing 100015,China; 2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 3. Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an Shaanxi 710121,China)

Aimed at the problems of microwave relay communication system such as the short communication distance,more difficult maintenance,poor mobility and environmental adaptability,etc.,this paper puts forward a design method of microwave BLOS transmission based on analyzing channel characteristics of microwave BLOS communication. On the basis of prediction formulas derivation of microwave BLOS link,a theoretical basis is provided to the design of transmission system. By analyzing the channel type,the anti-fading technology is put forward and simulated for rayleigh channel. At last,an engineering example is given,and the consistency of theoretical analysis and practice results show that this design is available.

microwave relay; BLOS; transmission characteristic; anti-fading technology

2017-06-16

通信网信息传输与分发技术重点实验室开放基金资助项目(EX156410046)

王肇嬴(1980—)，男，工程师，硕士，主要研究方向：指挥通信。王清芬(1979—)， 女，高级工程师，硕士，主要研究方向：微波散射通信。王 烨(1980—)，女，讲师，硕士，无线电物理专业，主要研究方向：光信息传输与处理。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.06

王肇嬴，王清芬，王烨. 微波超视距通信信道特性分析与系统设计[J].无线电通信技术,2017,43(5): 24-28.

[WANG Zhaoying,WANG Qingfen,WANG Ye.Analysis on Microwave BLOS Communication Channel Characteristics and Design on a Microwave BLOS Communication System [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):24-28.]

TP391

A

1003-3114(2017)05-24-5