对流层散射通信链路损耗研究

孙长龙

(中国人民解放军91404 部队，河北 秦皇岛 066001)

0 引 言

对流层散射通信是利用对流层（从地面至12 km高度范围内）大气的不均匀性对电波的前向散射作用实现超视距通信。是一种长距离、低时延、大容量、全天候的通信方式，在国内、国外军事通信中占有重要地位。

散射通信的传输损耗一般较大，通常情况下可达200 dB 以上，接收端的散射信号相当微弱，其传输损耗不仅是通信距离和工作频率等因素的函数，更是散射体高度、散射角、地区和季节等许多因素的函数。对流层散射传输损耗一般与下列因素有关：通信距离、工作项率、散射角、大气折射指数、天线的增益和架设高度、地形的几何形状等。

散射传输损耗的计算多采用半理论半经验的公式。

1 对流层散射通信链路损耗

1.1 链路损耗预计方法

对流层散射年中值传输损耗的计算方法有很多种，均是基于半公式半经验；主要的计算方法有L.P叶、NBS-101、CCIR 以及中国ITU-R REC.P.617。其中，中国ITU-R REC.P.617 方法因其预计准确度相对较高，为我国技术人员所广泛使用，目前已经修正到ITU-R REC.P.617-5 版本，在实践应用中也证明其更适合与我国国土范围的散射通信链路传输损耗的预计。

20 世纪70 年代初，张明高院士提出广义散射截面理论模型，根据国内实验数据总结出了一套比较完整的适合我国条件的传输损耗统计预计模式，并被原CCIR采纳于CCIR238-3 报告。20 世纪80 年代，张明高院士进一步提出了适用于全球的对流层散射传输损耗预计方法，随后逐渐形成现在常用的ITU-R.617 建议。

简单介绍ITU-R REC.P.617 的预计方法，以ITU-R REC.P.617-3 为参考版本。

在q%时间百分比内不超过的年平均传输损耗如下式：

式中：M为气象因子，dB；f为工作频率，MHz；d为通信距离，km；θ为散射角，mrad（毫弧度）；Lc为天线介质耦合损耗，dB；LN为与散射体高度和气候区相关的附加传输损耗，dB；Gt，Gr为发、收天线增益，dB；Y（q）为转换因子，dB。

通过ITU-R REC.P.617-3 建议，可计算出采用2.4 m双天线配置，发射功率400 W，工作在4 700 MHz 频段，通信距离180 km，在华北平原地区应用的散射通信链路典型年传播损耗（95%）约为221.4 dB，由此可见，散射通信链路的传输损耗非常大。

1.2 散射通信链路特性

散射通信链路除了传播损耗很大之外，还是一种典型的变参信道，主要体现在接收端的电平具有慢衰落和快衰落2 种特性。

慢衰落一般由季节和早晚间的气象条件变化引起。在北半球，电波慢衰落的统计平均值，通常每天中午到傍晚的场强比早晨和午夜低13～16 dB；夏季比冬季高20～30 dB。抵抗慢衰落的唯一手段就是增加系统的电平储备。

散射信号的快衰落是由多径信号的传输造成的，是由许多散射波元相互干涉的结果。通过不同路径接收到的信号，其幅度、相位和时延均不相同。当不同路径的传输时延差Δτ比传输的基带信号的持续时间T或信号带宽的倒数1/W相当或大得多时，多径传输对接收信号的影响就表现为频率选择性快衰落。抗由多径信号引起快衰落的最有效手段就是采用分集接收技术。

分集接收就是利用不同路径或不同频率、不同角度、不同极化方式、不同到达时间、不同编码、不同调制等方式去接收携带同一信息的信号，并将各分支信号按某种方法合并后再提取信息。常用的分集接收方式有空间分集、频率分集、角分集、极化分集、时间分集、调制分集和编码分集等。通常采用其中的两种方式组成的混合分集方式，如二重空间分集和二重频率分集组成的四重分集接收（2S/2F），典型的二重空间分集和二重频率分集的工作原理如图1 所示。

图1 典型散射通信系统工作原理图Fig.1 Working principle of typical scattering communication system

相对于视距微波和卫星通信来说，对流层散射信道如果没有分集接收技术，那么系统就要具备极大的能力储备，否则，即使接收电平相当可观，无法使散射通信系统的误码率下降到可接受的水平，导致整个系统无法使用，图2 的仿真结果表明了系统无分集和具有二重空间/二重频率分集之后的误码率变化曲线。

由图2 的仿真结果可以看出，若散射通信设备没有采取分集措施，系统需要具有30 dB 以上的能力储备，这些能力储备要求需要由发射机功率的提高或天线口径的增大来弥补。以上述例子中发射功率400 W，天线口径2.4 m 计算，30 dB 以上的能力储备，单靠增加发射功率或增大天线口径来实现，将变得几乎不可能。

图2 散射信道分集接收性能仿真结果Fig.2 Simulation results of scattering channel diversity reception performance

2 降雨对散射传输损耗的影响

一般情况下，基于式（1）预计的散射通信链路损耗与实际损耗比较吻合，误差一般在0.5～2 dB 之内。对于工作在C 频段（4.4～5 GHz）的散射通信，雨衰对链路损耗的增加不明显，反而出现通信能力增强的现象。这种反常现象在实际长期工作的固定链路中被经常观察到，也在短期的通信试验中也被发现，具体表现就是通过频谱仪观测接收信号时，会出现几个dB 的增强。比如，在南沙已建成的多条固定散射通信链路，2019 年5 月份在跨渤海湾的通信链路试验中都被观察到，出现所谓的“雨增”现象，一般会增加2～5 个 dB。

2.1 雨衰计算

根据ITU-R P.839-4 中相关预测方法，华北地区的降雨层高度为：

式中：在华北地区的h0取3 km；hR=3.36 km；h0为0 ℃平均等温线高度（离平均海平面）。

考虑到站点海拔高度为0.3 km，那么，东北地区的有效降雨层高度为3.06 km。

以光滑球面考虑的200 km 散射通信链路的散射体高度可计算得：0.97 km。由此可见，散射通信链路的信号传播都可在有效降雨层高度下。

根据ITU-R P.838-3 相关建议，雨衰率（雨衰系数）为：

式中：R为降雨强度，可由ITU-R P.837-7 中表1 查得，此处华北地区地区取值43 mm/h。

通过雨衰的计算公式：

依据ITU-R P.838-3 中的参考方法，取降雨带L为25 km，计算出工作频率在4.7 GHz 时的雨衰值为2.1 dB。

2.2 效果评估

根据式（1）计算，取华北地区的大气折射指数典型值为310，计算出的散射通信链路典型年传播损耗（95%）约为221.4 dB。假设通信链路区域出现降雨等恶劣天气，现以出现比较常见的中、小雨为应用场景，根据ITU-R REC.P.617-4 中的相关资料，当出现下雨气象条件时，其短期大气折射指数的增加值在25～55 之间，取典型值为40，气候区特征暂态体现为海洋性温带气候区，再根据式（1）计算可得链路传播损耗为216.5 dB，再考虑到雨衰的影响，对比常态条件下的传播损耗，下降约2.8 dB，从通信能力上看，传输速率提高近一倍，由此可看出，降雨对散射通信效果是具有一定好处的。

3 跨海传播特性

参照ITU-R P.617-3 的散射传播特性预测模型，将陆地和跨海应用条件下的链路损耗预计结果进行计算和分析对比，结果如表1 所示。

通过表1 的仿真结果及经验总结，对流层散射通信链路在跨越海面应用时，存在下面几个优势：

表1 链路损耗预计结果Tab.1 Link loss prediction results

1）在海岛或海岸附近应用的散射通信站点的抛物面天线一般面向大海，通信前方不存在地物地貌的遮挡，存在天然良好的应用条件；

2）海岛或海岸附近应用的散射通信链路若要经过海面上空传播，可依据瑞利分布的信道传输模型进行理论统计；一般情况下，海面上的散射年中值电平比陆地要高 6～10 dB；

3）除上述2 种情况之外，在海面上或者在海岸线附近，还经常出现规则、不规则的大气层反射及大气波导现象，导致电波信号出现不同于陆地的反常传播现象，这将致使散射通信链路在海面上或者海岸线附近的通信能力强于在陆地上的通信能力。

总体来说，在相同的通信设备参数下，海面上或者在海岸线附近应用时，散射通信链路在传输速率或传输距离上较陆地具有大幅度的提高。

4 结 语

对流层散射通信传播特性的研究是基于经验、试验和理论计算的综合性探索，需要在实践中不断地总结、修正和改进。比如，上述中的“雨增”现象作为反常传播特性，一直没有科学的理论计算模型，只是通过试验观察、测试数据、现有传播特性和相关标准建议做出的探索性研究，需要在以后的研究工作中不断地进行探索和修正。