VHF在超视距和不规则地形条件下电平特性 传播模型研究

2019-06-27 00:01:54 移动通信2019年3期

腾潢龙 杨涛

【摘? 要】为了探索VHF波段在超视距不规则地形的传播特性,选取圆顶单峰地形,开展VHF信道电平特性传播模型试验。首先给出了符合试验需求的测试方法、测试硬件设备搭建,然后从10个测试点实测了不同气候条件、不同距离、不同时段的传播损耗。通过对数据进行分析和对比,计算出衰落中值、衰落幅?#21462;?#30452;方图等指标,得出了以距离为分界,VHF传播衰减数据符合ITU R P1546和ITU R P370两个传播模型的结论。该结论可以为军用和民用VHF网络规划提供链路预算参考。

【关键词】VHF;信道衰减;电平特性;信道模型

?#22411;?#20998;类号:TN929.5

文献标志码:A? ? ? 文章编号:1006-1010(2019)04-0075-06

[Abstract]?In order to explore the propagation characteristics of VHF band under over-the-horizon irregular terrains, the single-peak dome terrain was selected to perform VHF channel propagation model test. Firstly, the testing method, testing hardware and equipment establishment fitting experimental needs were presented. Then, the propagation loss of ten test points under different climate conditions, distances and time periods was measured. After data analysis and comparison, the metrics including fading mean, fading amplitude and histogram are calculated to conclude that the attenuation data of VHF transmission is in accordance with ITU R P1546 and ITU R P370 propagation models. This conclusion can provide a reference of link budget to both military and civil VHF network planning.

[Key words]VHF; channel attenuation; level characteristics; channel model

1? ?引言

超短波又称甚高频(VHF, Very High Frequency),即工作频带在30 MHz~300 MHz的无线电波,波长为1 m~10 m。超短波通信的电子对抗性强,视距内传播稳定性强,被广泛用于民航、海事的近距离通信系统中。

超短波以空间波传播方式为主,表面衰减快,传播距离有限,电波容?#36164;?#21040;对流层的影响,受地形、地物的影响也很大。对我国军用无线通信的需求而言,摸清楚VHF波段在超视距通信条件下的传播模型,将会为军用通信网络规划提供非常有益的参考。

本文在超视距条件下,对VHF电波在不规则地形条件、典型时间段的传播特性影响(电平特性)及传播模型进行研究,以期得出有益于军用网络规划的结论。

2? ?VHF信道电平特性测试方法

2.1? 电平特性测试要求

接收到的电平特性数据,要能分析出地形地貌、不同时间段对传播损耗的影响。为此,?#22278;?#35797;系统有如下基本要求:

(1)接收机灵敏度能保证电平测试门限,一般设定为小于等于-130 dBm;

(2)发射机功率能保证电平测试的探测距离。

2.2? 接收机灵敏度设置

接收机灵敏度公式为:

2.3? 发射机功?#35797;O置

针对非规则地形且地形分布数据掌握不准确的情况,参考Longley-Rice模型,该模型对传输损耗中值给出了参考值,如下所示:

其中,Ae为?#26434;?#31354;间视距传播损耗、Aed为?#26434;?#31354;间衍射传播损?#27169;珹es为?#26434;?#31354;间散射传播损?#27169;琸1、k2为视距传播损耗系数,md为衍射传播损耗系数,ms为散射传播损耗系数,dmindx为散射传播距离。

综合考虑其他相关因素,包括天线极化方式、空气折射率、地面相对介电常数和电导率、测试地气候模型等因素,并考虑到本次研究的实际情况,在地面起伏高度500 m,收发天线高度15 m,10 km~100 km传播距离的条件下:

(1)当传输距离小于22 km时为视距传播,视距内由于传播路径地形起伏和遮蔽等情况,又分为反射和绕射,路径损耗最大为140 dB。

(2)当传输距离在22 km~38 km,电波传播的主要障碍考虑发射站和接收站之间地形的球冠部分,传播方式以光滑球面绕射计算,路径损耗最大为155 dB。

(3)当传播距离大于38 km时,接收点相当于处在阴影区,主要传播方式考虑对流层散射传播,传播损耗是散射损耗和?#26434;?#31354;间传播损?#27169;?#36335;径损耗记为175 dB。

综上所述,本次研究条件下传播损耗最大值为175 dB。考虑接收机灵敏度需小于等于-130 dBm,天线增益为8 dB,则发射功率需至少大于37 dBm。故试验中发射功率大于等于50 dBm。

3? ?VHF信道电平特性测试设备

探测设备分为发射机和接收机,采用紧凑的硬件体?#23548;?#26500;,如图1、图2所示。

探测设备工作频率为40 MHz~50 MHz,频率步进0.5 MHz。接收机记录探测模式、工作频率、测试开始时间、结束时间、发射?#20013;?#26102;间、发射间隔时间及探测设备汇报的探测数据。

4? ?测试的数据设置和统计方法

4.1? 测试统计项

统计项包括传播损耗、衰落中值、衰落幅?#21462;?#30452;方图、日夜衰落差。其中,传播损耗如式(5)所示:

4.2? 主要分析项

(1)按小时的分析项

每个小时的衰落中值:以2小时为间隔,分析一天内衰落中值的变化曲线。

每个小时的衰落均方差:以2小时为间隔,分析一天内衰落均方差的变化曲线。

每个小时的衰落幅度:以2小时为间隔,分析一天内衰落幅度的变化曲线。

?#27604;?#34928;落数据直方图?#21644;?#35745;每个强度上衰落中值数据出现的次数。

(2)按地点分析

每个距离测量点的日夜衰落中值差:分析各个距离观测点日夜衰落中值差的变化曲线。

每个距离测量点的平均衰落中值:分析各个距离观测点全天平均衰落中值的变化曲线。

每个距离测量点的平均衰落均方差:分析各个距离观测点全天平均衰落均方差的变化曲线。

每个距离测量点的平均衰落幅度:分析各个距离观测点全天平均衰落幅度的变化曲线。

每个距离测量点的仿真中值和实测值:分析各个距离观测点仿真中值与全天平均衰落中值的对比曲线。

每个距离测量点仿真中值和实测值的差及实测值偏差量:分析各个距离观测点仿真中值和实测值之差的对比曲线。

(3)与信道模型对比

本次信道测试试验衰落统计特性将与ITU R P1546、ITU R P370、ITU Baltika三种传播模型理论计算结果进行对比,结合传播模型,给出信道特性及统计规律。

5? ?接收电平的统计分析

此次试验选取“圆顶单峰地形”进行实测。测试点分布如图3所示,发射点位于西南方(?#35745;?#24038;下角),接收点分别位于东偏北的10个地点。发射点和各接收点之间有一座海拔900 m南北走向的山峰,山峰顶端平缓?#19981;?#23665;峰西部10 km内地势平坦,东部100 km内为平原,符合测试要求。

此次试验?#20945;?#28909;季、冷季、?#24405;?#20998;阶段对该圆顶单峰地形传播信道参数进行了测试。其中,在接收点6处连续进行7×24小时测试,其余测试点均为24小时。接收点6、接收点7、接收点8、接收点9、接收点10处由于环境噪声与最小有用信号接近,这五处采用定向天线进行测试。以20 km测试点的数据进行分析。

5.1? 20 km测试点统计

(1)测试基础数据

测试工作频率48 MHz,发射功率Pt=50.2 dBm,发射站定向天线增益为Gt=6.8 dB,架高15 m,指向56°,馈线损耗为L1=1.5 dB,接收站全向天线增益Gr=-0.2 dB,架高15 m,馈线损耗为L2=1.5 dB。

(2)衰落中值

从图4可以看出:冷季衰落中值最小,?#24405;?#34928;落中值次之,热季衰落中值最大;同一季节,?#24405;?#21644;热季8点~18点的衰落中值较大,冷季4点~8点、16点~24点的衰落中值较大。

(3)衰落均方差

从图5可以看出:冷季衰落均方差在4点~8点有较大变化、?#24405;?#34928;落均方差在12点~18点有较大变化,热季衰落均方差变化小。

(4)衰落幅度

从图6可以看出:冷季衰落幅度一天内最大为2 dB,?#24405;?#34928;落幅度一天内最大为4 dB,热季衰落幅度一天内最大为2 dB。

(5)日夜对比和方差

5.2? 整体统计

(1)日夜衰落中值差

从图7可以看出?#21644;?#19968;季节日夜衰落中值差随着距离增加而逐渐变大;不同季节日夜衰落中值差随着距离增加,其变化趋势基本一致;热季日夜衰落中值差最小。

(2)平均衰落中值

從图8可以看出?#21644;?#19968;季节平均衰落中值随着距离增加而逐渐变大;不同季节平均衰落中值随着距离增加,其变化趋势基本一致。

(3)平均衰落均方差

从图9可以看出?#21644;?#19968;季节平均衰落均方差随着距离增加而逐渐变大;不同季节平均衰落均方差随着距离增加,其变化趋势基本一致。

(4)平均衰落幅度

从图10可以看出?#21644;?#19968;季节平均衰落幅度随着距离增加而逐渐变大;不同季节平均衰落幅度随着距离增加,其变化趋势基本一致。

5.3? 仿真对比

(1)?#24405;?#34928;落中值与模型对比

从图11可以看出:?#24405;?#36317;离发射点15 km、20 km、30 km、40 km处的接收测试点的信道传播衰落中值与ITU R P1546模型的传播衰落中值计算结果近似,距离发射点50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收测试点处的信道传播衰落中值与ITU R P370模型的传播衰落中值计算结果近似。

(2)?#24405;?#22343;方差与模型对比

从图12可以看出:?#24405;?#36317;离发射点15 km、20 km、30 km、40 km处的接收测试点的信道传播衰落中值与ITU R P1546模型的传播衰落中值平均修正量约为-5 dB,距离发射点50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km的接收测试点处的信道传播衰落中值与ITU R P370模型的传播衰落中值平均修正量约为+5 dB。

5.4? 结论分析

通过10个测试点的数据分析,可知:

(1)在?#24405;?#27668;候条件下,传播距离在40 km以内VHF信道传播衰落中值与ITU R P1546模型的传播衰落中值计算结果近似,平均修正量约为-5 dB;在?#24405;?#27668;候条件下,传播距离达到50 km~100 km,VHF信道传播衰落中值与ITU R P370模型的传播衰落中值计算结果近似,平均修正量同样约为+5 dB。

(2)同一季节,平均衰落均方差和平均衰落幅度均随着距离增加而逐渐变大;不同季节,平均衰落均方差和平均衰落幅度随着距离增加,其变化趋势基本一致。

(3)如果以?#24405;?#27668;候条件下各测试点的衰落中值为标准,则热季气候条件下各接收测试点衰落中值平均增加1.02 dB,冷季气候条件下各接收测试点衰落中值平均减少1.59 dB,与距离无关。

(4)三个季度条件下,日夜衰落中值差,平均传播损耗均方差和衰落幅度变化趋势基本一致,但明?#26434;?#36317;离正相关,可以拟合成直线(d为距离,单位为km),平均值(dB)约为:日夜衰落中值差为0.5+0.025×d,平均传播损耗均方差为0.5+0.024×d,衰落幅度为0.5+0.07×d。

由于本次试验只对本处圆顶单峰地形进行了测试,且接收测试点离散性很大,数据采集量不足以支撑形成分布规律统计,测试数据只针对本次测试地形,依据测试数据得出的?#40092;?#32467;论仅能针对本次测试地形给出偏移中值趋势。

6? ?结束语

本文以VHF频段超视距传播中的电平特性为研究目标,选取了圆顶单峰地形,进行了10个测试点的电平特性数据测试。通过测试,得出了不同气候条件、不同距离、不同时段的传播损耗、衰落中值、衰落幅?#21462;?#30452;方图等数据。对数据进行分析并与已知的传播模型进行对比可知:在该地形条件下,?#24405;?#27668;候下,VHF信道传输过程的电平特性大约以50 km为分界,分别与ITU R P1546和ITU R P370模型相近。该结论可以为同类条件下军用或民用VHF通信网络的规划部署提供参考。

有必要进一步就不同地形、不同测试方向测试VHF波段的传输损耗建立符合本地实际的不规则地形传输模型,为网络规划提供更多有价值的参考。

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