短波通信网覆盖分析

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本文作者：攸阳 单位：海军司令部信息化部

1系统模型

短波通信网覆盖分析主要是基于覆盖区场强(或信噪比)的分析。考虑到覆盖区场强(或信噪比)主要受发射天线和传输信道的制约，应通过天线三维空间增益计算和空间电波传播理论分别构建发射天线和传输信道的数学模型，并根据短波传播环境特性对理论模型进行不断修正与改进。

1．1发射天线模型

构建发射天线模型的目的是得到发信天线的三维空间增益值。对于一些特定类型的天线，可采用常见的数值计算方法—矩量法直接编程计算，并将天线程序做成函数供软件调用，用户随机设置的天线参数可作为函数的输入参数。需要指出的是，计算即使再精确，得到的增益数据也是有限的，而给定区域的空间位置是无穷多的，即收信点与发信点之间由于位置不同，水平角度和仰角这些数据则是随机的，这就需要对有限的增益值数据进行插值。

MATLAB工具提供了4种可采用的计算机插值方法［4］，如表1所示。本文采取3次样条插值(spline)，既保证计算所需的精度，又保证方向图的平滑度。矩量法编程计算尽管形式比较简单，但对于编程的要求非常高，工作量巨大。对于复杂类型的天线，可采用电磁场分析的模拟软件NEC来仿真天线的场分布，可以高效、快捷地得到结果。通过NEC计算出不同类型的天线在不同参数下的所有增益数据，将其做成数据库。计算机读入用户设置的参数后，对此数据库中的参数数据进行三维插值，得到所需的增益值。发射天线数据库的实现只是本文中进行探索性的方法，目的是实现较强的通用性，既适用于发射天线的设计阶段即网络建设与优化设计，也适用于已经建成的通信台站进行通信组织与网络规划。对后一种情况，天线的数据库和计算机实现的算法将大大简化，因为对于已经建成的通信台站，天线类型及各种天线的各种参数已经固定，此时无需再进行发射天线各种参数的设置，只需对所有固定的台站天线进行建模和仿真，将得到的三维增益数据制作成数据库，供系统调用，这一点对于短波通信网络的精确有效管理和运维，有着较强的现实意义。

1．2传输信道模型

短波波段天波传播电离层反射信道属于时变色散信道，具有时间、频率和空间3种选择性的衰落，电波传播条件十分恶劣和复杂，要准确地计算信号场强是很困难的，通常采用理论分析和实验统计相结合的办法，建立基于实测与经验(或修正经验)的统计预测模型。常见的建立方法分为2类，一类是使用国际电信联盟无线电通信大会(ITU-R)开发的基于报告252、报告252补编和报告894的方法3个独立的估算短波天波场强的方法，对模型参数进行简化后直接编程实现［3，5］;另一类是使用已开发的场强预测程序，如IONCAP、ICEPAC和PropMan等。

本文使用基于电离层通信增强剖面分析和电路预测的ICEPAC程序来仿真电波传播模型。该程序适用地域宽泛，使用简便，目前被广泛应用在美军军事通信装备中，其中包括美军海军大型舰船上使用的Harris公司的高频宽带发射系统。具有50%概率的场强值称为场强中值，由于通信覆盖区域场强的变化趋势长时间相对稳定，可用其来表征信号强度［5］。信号场强中值由下式计算:E=107.2+Pt+Gt+20lgf－LbdB(μV/m)，式中，E为均方根场强(以相对于1μV/m的分贝值表示)，f为发射频率(MHz)，Pt为供给发射天线输入端的功率(以相对于1W的分贝值表示);Gt为发射天线在要求的方位角和仰角上相对于各向同性辐射天线的增益(dB)。实际上，由于电离层传播存在衰落变化和波动，接收信号是不稳定的，而且噪声和干扰也有随机变化，因此信噪比以及相应的接收质量也不是稳定不变的。在无扰动短波传播条件下，即没有磁暴或电离层暴乱所引起的干扰，接收点场强值的迅速变化主要受到干扰和极化衰落的影响。

在这种假设条件下，某一特定场强值出现的概率服从瑞利分布。因此，计算结果需要加一定的衰落保护裕量，这个衰落裕量不仅与电波传播和噪声有关，而且与要求的程度有关。在CCIR393报告中，对于短波电波传播建议采用14dB的衰落裕量，用这个衰落裕量可以得到90%时间上的利用率［7］。

2数字化参数获取

数字化的短波信道参数是对算法进行仿真的基础，主要为天线参数和信道传输的参数，尤其获取其变化的参数更为重要。比较重要的是发信天线参数数据库和信道传输参数数据库。其中，发信天线参数数据库数据来自所用发射天线的空间三维增益值。现用的短波天线经过上述算法仿真后，成为了可供系统调用三维增益数据库;信道传输参数数据库数据为地理信息与传播参数，如收发信地理位置、大圆路径中点、磁旋频率、太阳天顶角、太阳黑子数以及反射地面情况等。文献［8］介绍了对现成纸质图表资料数字化的一种常用方法，但更多的参数还是无从查找，需要进行处理计算获得。大圆路径中点的求解是一个比较典型的算例，基于迭代法解非线性方程组的原理，通过求解多元函数零点求解非线性方程。以北京(39.9°N，116．4°E)、广州(23．2°N，113．3°E)2点为例，计算大圆路径中点的经纬度，计算机迭代结果如表2所示。迭代结果如下:大圆距离1.8794×103km;目标点纬度31．5888°;目标点经度114．4882°。

3仿真实现

在实际通信工作中，对每个接收点的场强进行一一分析和整理都比较费时费力，且结果不够清晰和直观，因此用常规方法要完全分析和整理这些数据，寻找出相应的场强或信噪比变化规律是十分困难的。实现计算结果的可视化成为关键的因素。本文利用色彩等值图形模拟计算区域的数据场，对计算结果实现可视化，既能表达整个计算区域的完整信息，又能反映出对给定天线覆盖区域内场强值随空间的变化情况，从而给使用者一个完整的连续的观察过程。可以采用ICEPAC程序，对应NEC计算出来的天线三维增益数值，对信噪比结果进行可视化处理，得到给定天线覆盖区域每点信噪比大小的预测值，即每个天线三维增益数值对应一条短波通信链路，最后进行区域的可视化实现。设定发射点位于(115．5°E，40．2°N)，北京时间12点(日频)、0点(夜频)，太阳黑子活动数(SSN)为50;发射功率峰值1kW、均值250W(空中波形峰均比为6dB)。使用3副较为典型的发信天线，每副天线各配置2个频率(日频、夜频各1个)，具体配置如表3所示。

4结果分析

下面结合收信点的具体条件进行覆盖分析计算。

4．1信号功率的计算

接收点信号功率如下:PR=PT+GT+GR－L，(1)式中，PR为接收功率，PT为发射功率，GR为收信天线增益，GT为发信天线增益，L为路径损耗。为了确保收信机能够正确接收信号，接收功率应满足以下公式:PR≥(S/N)i+P(噪)，(2)式中，(S/N)i为接收机输入信噪比，即接收机解调门限;P(噪)为噪声功率。当PR=(S/N)i+P(噪)时，PR即为接收机灵敏度。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表示发射信号经路径传播后，到达接收地点的信号功率，记为P'R，即:不考虑收信条件情况下到达接收地的信号功率，即仿真得到的数据结果。

4．2噪声的计算

短波频带内噪声主要为大气噪声、宇宙噪声和人为噪声等。一般情况下，可能有几种噪声源同时存在，因此在估算总噪声功率时，若2种噪声(这里假设几种噪声不相关)的强度可比拟，则按E12+E2槡2进行合成，其中单位为μV/m。当噪声为3种时，首先合成2种噪声，再与第3种噪声合成。

4．3接收信号的要求

接收要求如下:①接收机灵敏度:一般为－107～－130dBm(现役短波电台一般要求信噪比达到10dB);②环境噪声(经验值):白天一般为10～30dBμV，夜晚一般为30～70dBμV;③传输速率:白噪声条件下，当信噪比为1dB时，能提供比较可靠的传输(300bps，误码率为1×10－4);2条多径衰落信道，当信噪比为7dB时，能提供比较可靠的传输(600/300bps，误码率为1×10－5)。计算得白天噪声功率为20dBμV，夜晚噪声功率为40dBμV，设定收天线为常用的三线宽带天线，增益为5dBi。由dBμV与dBm的换算关系，衰落信道白天可靠接收短波信号所需的信号功率为:P'R≥(S/N)i+P(噪)－GR=7+(－107+20)－5=－85dBm;对于夜晚有效覆盖，接收地点所需的信号功率为:P'R≥7+(－107+40)－5=－65dBm;在噪声很小的理想情况下:取白天噪声功率为1dBμV，收天线增益为5dBi，非衰落信道接收所需的信号功率为:P'R≥1+(－107+1)－5=－110dBm;取夜晚噪声功率为21dBμV，收天线增益为5dBi，非衰落信道接收所需的信号功率为:P'R≥1+(－107+21)－5=－90dBm;综上，收信号要求如下:白天:当P'R≥－85dBm时，可视为有效覆盖区域;当－110dBm≤P'R＜－85dBm时，可视为噪声小时能通信的区域。夜晚:当P'R≥－65dBm时，可视为有效覆盖区域;当－90dBm≤P'R＜－65dBm时，可视为噪声小时能通信的区域。

按照计算结果可以看出，这3副天线可覆盖我国领土、领海和周边海域，与实际情况相符。在实际工作中，由于电离层和气象等不可估计的影响，电波传播会出现各种变化，与预测和仿真值可能有一定的差距。同时，有效覆盖并不能代表在此区域内具有比较高的可通率，由场强中值定义可知，若场强中值恰好等于接收机的最低门限值，则通信的可通率仅为50%，这就是说还有50%的时间不能维持正常通信，为了提高可通率，必须使实际的场强中值远大于接收机的门限值，才能在绝大多数时间内保证正常通信。因此，系统应仍然留出留有较大的冗余量，一般接收点信号达到接收机灵敏度的10倍以上为宜。

5结束语

本文构建的仿真模型和得出的结论，可为通信组织与网络规划提供决策，也可适用于台站建设和最优化设计。对于短波通信网的覆盖分析，只是提供了一种基本模型和算法，在实际工作中，可根据通信条件和接收平台的活动范围，合理选择通信参数并进一步细化计算精度，达到理想效果。