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短波通信網(wǎng)覆蓋分析

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短波通信網(wǎng)覆蓋分析

本文作者:攸陽 單位:海軍司令部信息化部

1系統(tǒng)模型

短波通信網(wǎng)覆蓋分析主要是基于覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)(或信噪比)的分析??紤]到覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)(或信噪比)主要受發(fā)射天線和傳輸信道的制約,應(yīng)通過天線三維空間增益計(jì)算和空間電波傳播理論分別構(gòu)建發(fā)射天線和傳輸信道的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)短波傳播環(huán)境特性對(duì)理論模型進(jìn)行不斷修正與改進(jìn)。

1.1發(fā)射天線模型

構(gòu)建發(fā)射天線模型的目的是得到發(fā)信天線的三維空間增益值。對(duì)于一些特定類型的天線,可采用常見的數(shù)值計(jì)算方法—矩量法直接編程計(jì)算,并將天線程序做成函數(shù)供軟件調(diào)用,用戶隨機(jī)設(shè)置的天線參數(shù)可作為函數(shù)的輸入?yún)?shù)。需要指出的是,計(jì)算即使再精確,得到的增益數(shù)據(jù)也是有限的,而給定區(qū)域的空間位置是無窮多的,即收信點(diǎn)與發(fā)信點(diǎn)之間由于位置不同,水平角度和仰角這些數(shù)據(jù)則是隨機(jī)的,這就需要對(duì)有限的增益值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。

MATLAB工具提供了4種可采用的計(jì)算機(jī)插值方法[4],如表1所示。本文采取3次樣條插值(spline),既保證計(jì)算所需的精度,又保證方向圖的平滑度。矩量法編程計(jì)算盡管形式比較簡(jiǎn)單,但對(duì)于編程的要求非常高,工作量巨大。對(duì)于復(fù)雜類型的天線,可采用電磁場(chǎng)分析的模擬軟件NEC來仿真天線的場(chǎng)分布,可以高效、快捷地得到結(jié)果。通過NEC計(jì)算出不同類型的天線在不同參數(shù)下的所有增益數(shù)據(jù),將其做成數(shù)據(jù)庫(kù)。計(jì)算機(jī)讀入用戶設(shè)置的參數(shù)后,對(duì)此數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維插值,得到所需的增益值。發(fā)射天線數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)只是本文中進(jìn)行探索性的方法,目的是實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的通用性,既適用于發(fā)射天線的設(shè)計(jì)階段即網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化設(shè)計(jì),也適用于已經(jīng)建成的通信臺(tái)站進(jìn)行通信組織與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。對(duì)后一種情況,天線的數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的算法將大大簡(jiǎn)化,因?yàn)閷?duì)于已經(jīng)建成的通信臺(tái)站,天線類型及各種天線的各種參數(shù)已經(jīng)固定,此時(shí)無需再進(jìn)行發(fā)射天線各種參數(shù)的設(shè)置,只需對(duì)所有固定的臺(tái)站天線進(jìn)行建模和仿真,將得到的三維增益數(shù)據(jù)制作成數(shù)據(jù)庫(kù),供系統(tǒng)調(diào)用,這一點(diǎn)對(duì)于短波通信網(wǎng)絡(luò)的精確有效管理和運(yùn)維,有著較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2傳輸信道模型

短波波段天波傳播電離層反射信道屬于時(shí)變色散信道,具有時(shí)間、頻率和空間3種選擇性的衰落,電波傳播條件十分惡劣和復(fù)雜,要準(zhǔn)確地計(jì)算信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)是很困難的,通常采用理論分析和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的辦法,建立基于實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)(或修正經(jīng)驗(yàn))的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。常見的建立方法分為2類,一類是使用國(guó)際電信聯(lián)盟無線電通信大會(huì)(ITU-R)開發(fā)的基于報(bào)告252、報(bào)告252補(bǔ)編和報(bào)告894的方法3個(gè)獨(dú)立的估算短波天波場(chǎng)強(qiáng)的方法,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化后直接編程實(shí)現(xiàn)[3,5];另一類是使用已開發(fā)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)程序,如IONCAP、ICEPAC和PropMan等。

本文使用基于電離層通信增強(qiáng)剖面分析和電路預(yù)測(cè)的ICEPAC程序來仿真電波傳播模型。該程序適用地域?qū)挿?,使用?jiǎn)便,目前被廣泛應(yīng)用在美軍軍事通信裝備中,其中包括美軍海軍大型艦船上使用的Harris公司的高頻寬帶發(fā)射系統(tǒng)。具有50%概率的場(chǎng)強(qiáng)值稱為場(chǎng)強(qiáng)中值,由于通信覆蓋區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)的變化趨勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定,可用其來表征信號(hào)強(qiáng)度[5]。信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值由下式計(jì)算:E=107.2+Pt+Gt+20lgf-LbdB(μV/m),式中,E為均方根場(chǎng)強(qiáng)(以相對(duì)于1μV/m的分貝值表示),f為發(fā)射頻率(MHz),Pt為供給發(fā)射天線輸入端的功率(以相對(duì)于1W的分貝值表示);Gt為發(fā)射天線在要求的方位角和仰角上相對(duì)于各向同性輻射天線的增益(dB)。實(shí)際上,由于電離層傳播存在衰落變化和波動(dòng),接收信號(hào)是不穩(wěn)定的,而且噪聲和干擾也有隨機(jī)變化,因此信噪比以及相應(yīng)的接收質(zhì)量也不是穩(wěn)定不變的。在無擾動(dòng)短波傳播條件下,即沒有磁暴或電離層暴亂所引起的干擾,接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值的迅速變化主要受到干擾和極化衰落的影響。

在這種假設(shè)條件下,某一特定場(chǎng)強(qiáng)值出現(xiàn)的概率服從瑞利分布。因此,計(jì)算結(jié)果需要加一定的衰落保護(hù)裕量,這個(gè)衰落裕量不僅與電波傳播和噪聲有關(guān),而且與要求的程度有關(guān)。在CCIR393報(bào)告中,對(duì)于短波電波傳播建議采用14dB的衰落裕量,用這個(gè)衰落裕量可以得到90%時(shí)間上的利用率[7]。

2數(shù)字化參數(shù)獲取

數(shù)字化的短波信道參數(shù)是對(duì)算法進(jìn)行仿真的基礎(chǔ),主要為天線參數(shù)和信道傳輸?shù)膮?shù),尤其獲取其變化的參數(shù)更為重要。比較重要的是發(fā)信天線參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和信道傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中,發(fā)信天線參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)來自所用發(fā)射天線的空間三維增益值?,F(xiàn)用的短波天線經(jīng)過上述算法仿真后,成為了可供系統(tǒng)調(diào)用三維增益數(shù)據(jù)庫(kù);信道傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)為地理信息與傳播參數(shù),如收發(fā)信地理位置、大圓路徑中點(diǎn)、磁旋頻率、太陽天頂角、太陽黑子數(shù)以及反射地面情況等。文獻(xiàn)[8]介紹了對(duì)現(xiàn)成紙質(zhì)圖表資料數(shù)字化的一種常用方法,但更多的參數(shù)還是無從查找,需要進(jìn)行處理計(jì)算獲得。大圓路徑中點(diǎn)的求解是一個(gè)比較典型的算例,基于迭代法解非線性方程組的原理,通過求解多元函數(shù)零點(diǎn)求解非線性方程。以北京(39.9°N,116.4°E)、廣州(23.2°N,113.3°E)2點(diǎn)為例,計(jì)算大圓路徑中點(diǎn)的經(jīng)緯度,計(jì)算機(jī)迭代結(jié)果如表2所示。迭代結(jié)果如下:大圓距離1.8794×103km;目標(biāo)點(diǎn)緯度31.5888°;目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度114.4882°。

3仿真實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際通信工作中,對(duì)每個(gè)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行一一分析和整理都比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且結(jié)果不夠清晰和直觀,因此用常規(guī)方法要完全分析和整理這些數(shù)據(jù),尋找出相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)或信噪比變化規(guī)律是十分困難的。實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化成為關(guān)鍵的因素。本文利用色彩等值圖形模擬計(jì)算區(qū)域的數(shù)據(jù)場(chǎng),對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化,既能表達(dá)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的完整信息,又能反映出對(duì)給定天線覆蓋區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)值隨空間的變化情況,從而給使用者一個(gè)完整的連續(xù)的觀察過程??梢圆捎肐CEPAC程序,對(duì)應(yīng)NEC計(jì)算出來的天線三維增益數(shù)值,對(duì)信噪比結(jié)果進(jìn)行可視化處理,得到給定天線覆蓋區(qū)域每點(diǎn)信噪比大小的預(yù)測(cè)值,即每個(gè)天線三維增益數(shù)值對(duì)應(yīng)一條短波通信鏈路,最后進(jìn)行區(qū)域的可視化實(shí)現(xiàn)。設(shè)定發(fā)射點(diǎn)位于(115.5°E,40.2°N),北京時(shí)間12點(diǎn)(日頻)、0點(diǎn)(夜頻),太陽黑子活動(dòng)數(shù)(SSN)為50;發(fā)射功率峰值1kW、均值250W(空中波形峰均比為6dB)。使用3副較為典型的發(fā)信天線,每副天線各配置2個(gè)頻率(日頻、夜頻各1個(gè)),具體配置如表3所示。

4結(jié)果分析

下面結(jié)合收信點(diǎn)的具體條件進(jìn)行覆蓋分析計(jì)算。

4.1信號(hào)功率的計(jì)算

接收點(diǎn)信號(hào)功率如下:PR=PT+GT+GR-L,(1)式中,PR為接收功率,PT為發(fā)射功率,GR為收信天線增益,GT為發(fā)信天線增益,L為路徑損耗。為了確保收信機(jī)能夠正確接收信號(hào),接收功率應(yīng)滿足以下公式:PR≥(S/N)i+P(噪),(2)式中,(S/N)i為接收機(jī)輸入信噪比,即接收機(jī)解調(diào)門限;P(噪)為噪聲功率。當(dāng)PR=(S/N)i+P(噪)時(shí),PR即為接收機(jī)靈敏度。由式(8)和式(9)可得:PT+GT+GR-L≥(S/N)i+P(噪);(3)由式(10)可得:PT+GT-L≥(S/N)i+P(噪)-GR。(4)PT+GT-L表示發(fā)射信號(hào)經(jīng)路徑傳播后,到達(dá)接收地點(diǎn)的信號(hào)功率,記為P'R,即:不考慮收信條件情況下到達(dá)接收地的信號(hào)功率,即仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果。

4.2噪聲的計(jì)算

短波頻帶內(nèi)噪聲主要為大氣噪聲、宇宙噪聲和人為噪聲等。一般情況下,可能有幾種噪聲源同時(shí)存在,因此在估算總噪聲功率時(shí),若2種噪聲(這里假設(shè)幾種噪聲不相關(guān))的強(qiáng)度可比擬,則按E12+E2槡2進(jìn)行合成,其中單位為μV/m。當(dāng)噪聲為3種時(shí),首先合成2種噪聲,再與第3種噪聲合成。

4.3接收信號(hào)的要求

接收要求如下:①接收機(jī)靈敏度:一般為-107~-130dBm(現(xiàn)役短波電臺(tái)一般要求信噪比達(dá)到10dB);②環(huán)境噪聲(經(jīng)驗(yàn)值):白天一般為10~30dBμV,夜晚一般為30~70dBμV;③傳輸速率:白噪聲條件下,當(dāng)信噪比為1dB時(shí),能提供比較可靠的傳輸(300bps,誤碼率為1×10-4);2條多徑衰落信道,當(dāng)信噪比為7dB時(shí),能提供比較可靠的傳輸(600/300bps,誤碼率為1×10-5)。計(jì)算得白天噪聲功率為20dBμV,夜晚噪聲功率為40dBμV,設(shè)定收天線為常用的三線寬帶天線,增益為5dBi。由dBμV與dBm的換算關(guān)系,衰落信道白天可靠接收短波信號(hào)所需的信號(hào)功率為:P'R≥(S/N)i+P(噪)-GR=7+(-107+20)-5=-85dBm;對(duì)于夜晚有效覆蓋,接收地點(diǎn)所需的信號(hào)功率為:P'R≥7+(-107+40)-5=-65dBm;在噪聲很小的理想情況下:取白天噪聲功率為1dBμV,收天線增益為5dBi,非衰落信道接收所需的信號(hào)功率為:P'R≥1+(-107+1)-5=-110dBm;取夜晚噪聲功率為21dBμV,收天線增益為5dBi,非衰落信道接收所需的信號(hào)功率為:P'R≥1+(-107+21)-5=-90dBm;綜上,收信號(hào)要求如下:白天:當(dāng)P'R≥-85dBm時(shí),可視為有效覆蓋區(qū)域;當(dāng)-110dBm≤P'R<-85dBm時(shí),可視為噪聲小時(shí)能通信的區(qū)域。夜晚:當(dāng)P'R≥-65dBm時(shí),可視為有效覆蓋區(qū)域;當(dāng)-90dBm≤P'R<-65dBm時(shí),可視為噪聲小時(shí)能通信的區(qū)域。

按照計(jì)算結(jié)果可以看出,這3副天線可覆蓋我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海和周邊海域,與實(shí)際情況相符。在實(shí)際工作中,由于電離層和氣象等不可估計(jì)的影響,電波傳播會(huì)出現(xiàn)各種變化,與預(yù)測(cè)和仿真值可能有一定的差距。同時(shí),有效覆蓋并不能代表在此區(qū)域內(nèi)具有比較高的可通率,由場(chǎng)強(qiáng)中值定義可知,若場(chǎng)強(qiáng)中值恰好等于接收機(jī)的最低門限值,則通信的可通率僅為50%,這就是說還有50%的時(shí)間不能維持正常通信,為了提高可通率,必須使實(shí)際的場(chǎng)強(qiáng)中值遠(yuǎn)大于接收機(jī)的門限值,才能在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)保證正常通信。因此,系統(tǒng)應(yīng)仍然留出留有較大的冗余量,一般接收點(diǎn)信號(hào)達(dá)到接收機(jī)靈敏度的10倍以上為宜。

5結(jié)束語

本文構(gòu)建的仿真模型和得出的結(jié)論,可為通信組織與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供決策,也可適用于臺(tái)站建設(shè)和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于短波通信網(wǎng)的覆蓋分析,只是提供了一種基本模型和算法,在實(shí)際工作中,可根據(jù)通信條件和接收平臺(tái)的活動(dòng)范圍,合理選擇通信參數(shù)并進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算精度,達(dá)到理想效果。