散射通信在山区的应用研究

张 林，刘 薇，于 龙

(1.陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2．西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048；3.华阴兵器试验中心，陕西 华阴 714200)

0 引言

我国是一个多山的国家，山区通信的应用前景非常广阔。散射在山区具有一定的通信能力，但因为地形条件复杂、山脉高低起伏，传输能力很难预测。针对这种应用，需要开展相应的散射通信试验进行实测。

对流层散射具有超视距通信能力，为取得较好的通信效果，需要尽量减小散射角，当遇到障碍物遮挡时，也可抬高仰角使用[1]。文献[2-3]针对近距离的高仰角散射传播，提出了高仰角情形下的散射传播损耗计算方法，本文借鉴了上述方法进行高仰角散射链路预计，并通过山区实测数据对公式进行验证。文献[4]针对散射跨山通信进行了信道分析，并建立了跨山信道的仿真模型。本文根据山区信道特点，选择了多条不同地形的链路进行散射通信试验以检验通信效果，并将所测得的试验数据进行分析总结，得出散射山区通信的相关规律，可作为实际应用的参考，为工程设计提供决策依据，这对于研究散射通信在山区的应用具有重要的指导意义。

1 山区的地形特点及通信需求

山区以高山、峡谷地形为主，因山峰多山势陡峭、道路崎岖，难以开设站址，所以山区通信以峡谷中的通信为主，而峡谷中道路绵延曲折、纵深长，峡谷走向有可能与通信方法一致，也有可能存在拐弯，对通信形成遮挡。

目前，可选的远距离通信手段包括：微波、超短波、短波和卫星等[5]，以上手段在平原地区发挥了较好的作用，但在山区特殊地形条件下，受地形条件所限，也存在不足，主要表现为：

① 微波通信系统受地球曲率、地形地物遮挡难以满足视距通信条件，微波和超短波通信距离受限，且在山区不方便选址开设中继站；

② 由于地球同步卫星位于赤道上空，如果山区站址受山体遮挡，则降低了卫星通信的使用性；

③ 短波通信因传播信道不稳定，业务传输能力不强。

因此，急需可越障的超视距通信手段，和上述通信手段实现优势互补，以提高山区的通信保障能力。

2 散射通信试验

2.1 散射传播原理

山区通信中，电波存在对流层散射和山峰绕射2种传播模式，需要按照不同的传播方式计算传播损耗[6]。在不同的地形环境下，有可能其中一种传播方式起主要作用，也可能共同作用。二者的传播特性有很大的差别，所带来的传输损耗也不同[7]。

2.1.1 散射传播损耗

对于散射传播损耗，目前工程上常用ITU-R P.617建议的方法计算[8]。根据这种方法，年中值传输损耗为：

LS=M+30lgf+10lgd+30lgθ+LN+Lc-Gt-Gr，

式中，M为气象因子；f为频率；d为距离；θ为散射角；LN为与散射体高度和气候区参数γ有关的损耗；Lc为介质耦合损耗；Gt、Gr为发、收天线增益。

2.1.2 绕射传播损耗

在山区通信时，有可能利用绕射传播模式进行通信。绕射传播主要有单峰绕射和多峰绕射[9]。绕射传播损耗有几种算法，这里采用的是主障碍法[10]。按照ITU-R P.526建议，刃形障碍的绕射衰减可以近似表示为[11]：

v>-0.7,

式中，A表示绕射衰减，即菲涅尔-克希霍夫损耗；v为刃形绕射参数，

h为障碍顶点到发、收点连线上的高度；F1为障碍点的第一菲涅尔半径，

式中，λ为工作波长；d1、d2为障碍分别到发、收点的距离；d为线路长度。

2.1.3 绕射、散射混合传播损耗

在山区通信时，还会出现散射信号和绕射信号强度可比拟的情况。这个时候的接收电平是绕射和散射电波的叠加，接收信号表现为既有快衰落的散射信号分量，也有恒定的绕射信号分量。

混合传播有2种方式：第1种方式是在整个一条线路上同时存在绕射和散射电波分量，接收信号强度是二者电平的叠加，传播损耗相当于二者的并联；第2种方式是在一条线路的几个区间内为不同的传播方式，比如第1段为绕射传播，第2段为散射传播，而传播损耗是二者的叠加，是一种串联方式。

关于散射电波在山区的通信在理论上有一些定性的结论，分有、无障碍进行考虑，但实际电波传输受地形影响大，而山区地形复杂，受山脉走向影响大，用以上公式计算可能存在较大误差[12]，而在这种地形下的通信效能缺乏定量的试验数据，因此需要进行实测，以支持相应的研究。

2.2 通信试验

为了研究散射信号在山区中的传输特性，检验散射通信在山区的通信保障能力和效果，在山区开展了散射通信试验。通过该试验，对不同距离、类型的散射链路进行了测试，收集了不同信道下传播特性的相关参数，为散射在山区中的应用提供了参考；分析了散射在山区的可行性以及其应用模式和条件；对散射在山区的通信能力进行了评估。

通信试验测试框图如1所示，其中业务测试项目包括：话音业务测试、数据业务测试和视频业务测试。

图1 通信试验测试

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

在本次散射通信试验中，共进行了多条链路的测试，覆盖了各种不同类型的信道通信条件。

典型的试验通信链路包括以下4种类型：

① 通信链路与山脉走向一致，通信链路的地形剖面起伏较小，因此链路的传输损耗较小，可以达到较好的通信效果。因此在站址规划中，可以优选此种链路。通信链路剖面与高程如图2所示。

图2 第1种通信链路剖面与高程

② 通信链路所处的山脉落差较小，此时通信效果较好。通信链路剖面与高程如图3所示。

图3 第2种通信链路剖面与高程

③ 通信链路有山体遮蔽，一般需要抬高天线仰角，以跨越障碍遮挡。通信链路剖面与高程如图4所示。

图4 第3种通信链路剖面与高程

④ 通信链路与山脉走向存在大的拐弯，明显不一致，一般需要抬高天线仰角，降低速率。通信链路剖面与高程如图5所示。

图5 第4种通信链路剖面与高程

本试验共进行了多条链路的测试，其中典型链路的试验测试结果如表1所示。

表1 散射通信通信能力测试结果

通信链路距离/km仰角和/(°)通信能力第1种链路70<5第2种链路45<5视频连续清晰第3种链路110>5第4种链路80>5话音清晰可懂,数据无误字符

从试验情况看，散射通信能够满足在山区地形下的通信应用需求，具有一定的通信能力。

3.2 结果分析

在散射试验中，收集了大量关于信道参数的数据，在数据分析时，将其进行整理，并与理论计算或经验公式计算的结果进行对比，从中总结出山区信道的一些变化规律或特点[13]。

通过对试验数据的分析[14]，在仰角较低时(<5°)，以散射传播为主；在高仰角(>5°)单峰或双峰条件下，基本以绕射为主；高仰角多峰情况下，按绕射损耗计算的结果与实测结果相差较大，若按绕射、散射混合传播第1种方式计算，则计算结果与实测值非常接近。

通过上述分析，可以得到以下结论：

① 在试验链路上，当收发2站天线仰角和在不大于5°时，可以保证良好的通信效能；

② 链路上由于障碍物遮挡，需要高仰角通信，当仰角较大时(>5°)，会导致通信能力下降，需要降速使用，以补偿由于散射角增大引入的附加散射损耗。

4 结束语

通过试验表明散射通信在山区地形下使用是可行的，取得了较好的效果。散射通信能够满足山区地形下的通信应用需求，在有明显山峰阻挡的条件下，也具有一定的跨山通信能力。根据散射通信的试验结果，可以在环境复杂的山区应用散射通信，为其提供超视距通信保障。

因山区通信受地形影响较大，后续研究将采用速率自适应技术，通过对信道质量的估计，来选择相应的速率，以便高效利用信道资源。当通信链路受山体遮挡严重时，调至低速率进行通信，以保障关键信息的实时可靠传输；当通信链路的地形平缓，传输损耗较小时，能够以倍增的高速率传送大量信息，从而使通信服务能力与传统散射通信相比大为增强，通信效率显著提高[15]。

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