崔宇明,韋 勇,唐光亮

(1.中國人民解放軍78605部隊,四川成都610031;2.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

短波無盲區(qū)通信技術及其應用*

崔宇明1,韋 勇1,唐光亮2

(1.中國人民解放軍78605部隊,四川成都610031;2.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

分析了短波通信盲區(qū)由于短波地波傳播距離有限,而短波天波一跳傳播距離較遠的形成機理,針對盲區(qū)形成機理分析了解決短波通信盲區(qū)的方法即擴大地波傳播距離與縮短天波一跳傳播距離。介紹了一種解決短波通信盲區(qū)的近垂直入射天波(NVIS)技術,并通過對NVIS通信的覆蓋距離、通信頻段、傳播損耗的計算分析,總結了NVIS通信距離覆蓋范圍有限、通信頻段低、信號覆蓋均勻的特點。在此基礎上,通過作者參與的實際項目試驗驗證了短波NVIS通信的可靠性及通信質量,最后分析了短波NVIS通信在“山中通”、“動中通”和“大區(qū)域組網”方面應用的可行性。

短波 無盲區(qū) 近垂直入射天波

0 引 言

短波通信無需基礎設施即可實現中、遠距離甚至全球通信,且由于其天波傳播信道具有不可摧毀性,因此短波通信在軍事應用中具有重要意義。但短波通信存在盲區(qū)、可靠性差、帶寬窄等缺點。

短波無盲區(qū)通信技術的發(fā)展解決了短波通信盲區(qū)問題,且由于短波無盲區(qū)通信覆蓋范圍內信號均勻,克服了短波通信可靠性差的缺點,具有較好的應用價值。

1 短波通信盲區(qū)形成原因及解決方法

(1)短波通信盲區(qū)產生機理

短波電波傳播,基本上可以分為地波和天波2種傳播模式。短波電波傳播方式如圖1所示。

圖1 短波電波傳播示意Fig.1 Schematic diagram of propagation wave

由圖1可知,天線輻射出來的電磁波,在地波和天波第1跳傳輸距離之間,存在一個通信盲區(qū)。根據不同地況,盲區(qū)距離也有所差異,大約在十幾公里至100公里之間,而這段距離是特定通信非常重要的區(qū)域,如抗震抗洪、森林防火、戰(zhàn)術通信等,也是超短波等通信手段難以覆蓋的距離,因此解決短波盲區(qū)通信是很多用戶的迫切需求。

地波傳播距離與地面電導率有直接關系,電導率越高,地波傳播越遠,但由于地波傳播損耗很大,很難達到數十公里以上。天波第1跳傳播距離則與短波天線的輻射仰角有關,仰角越高,則跳距越短,因此可以認為短波通信盲區(qū)主要是短波天線的“輻射仰角盲區(qū)”造成的。

(2)短波通信盲區(qū)的解決方法

既然短波通信盲區(qū)是由于短波地波傳播距離太近和天波第1跳傳播距離太遠造成的,那么解決短波盲區(qū)通信的方法要么是擴大地波傳播距離,要么是縮短天波第1跳傳播距離[1]。

擴大地波傳播距離的方法是增大電臺發(fā)射功率和提高天線增益,但由于地波傳播損耗很大,且受地形地貌影響,一方面是效果難以預測,另一方面成本太高。所以,解決短波通信盲區(qū)基本上都采用縮短天波第1跳傳播距離的方法,也就是盡量提高短波天線的輻射仰角。

近垂直入射天波(NVIS,Near Vertical Incidence SkyWave)技術就是一種短波高仰角天波傳播技術,用于解決短波通信盲區(qū)問題。具有NVIS傳播輻射特征的天線,稱為NVIS天線,其主瓣在90角方向上,在高仰角范圍比較均勻的向電離層輻射電磁波,其典型傳播模式如圖2所示。

如圖2所示,NVIS天波傳播通過高仰角輻射和電離層反射,能夠實現短波無盲區(qū)通信。

圖2 NVIS傳播示意Fig.2 Schematic diagram of NVIS communication

2 NVIS通信的主要特點分析

(1)NVIS通信覆蓋距離有限

短波天波傳播是通過電離層折射和反射進行傳播的,電離層從低到高依次分為D、E、F1、F2四層。D層距離地表60～90 km,E層距離地表90～150 km,白天時,F1層大約距離地表150～250 km, F2層距離地表250～500 km。夜間則F1層和F2層失去明顯界限,合并為距離地表250～350 km的F層。短波天波傳輸主要依靠F層(白天主要依靠F2層),因為F層的空氣密度非常小,電離分子的重組過程非常慢,白天電離程度很高,夜間衰減得很緩慢。因此,通常在計算短波NVIS通信覆蓋距離時,按照電離層反射高度250～450 km來計算。短波NVIS天線輻射仰角與通信覆蓋距離的關系如圖3所示。

圖3 NVIS電波傳播距離與輻射仰角關系Fig.3 Relationship of NVIS wave propagation distance and radiation angle

由圖3可見,60°仰角傳播距離在300～500 km之間,所以通常認為NVIS覆蓋距離在400 km以內。

(2)NVIS通信頻段低并且頻段比較固定

電離層臨界頻率是電波垂直入射電離層時(θ= 0),能從電離層反射的最高頻率:

其中,Nemax為電離層電子密度最大值。

電離層最高可用頻率是在實際通信中能被電離層反射回地面的電波的最高頻率:

其中,θ為電波斜射入電離層的角度(垂直入射時θ=0°)。

由于NVIS的入射仰角高,通常為60°～90°仰角(對應θ值為0°～30°),所以sec(θ)的值在1～1.15之間變化,也即NVIS最高可用頻率一般在fv～1.2fv之間。再考慮到NVIS通信的覆蓋范圍一般在400 km以內,電離層電子濃度差異不大,也即在NVIS覆蓋范圍內fMUF變化不大,因此則短波無盲區(qū)通信的可通頻段相對比較固定。

根據國際電信聯盟CCITT的統計數據,在太陽黑子最大年,F層臨界頻率最高10 MHz左右,在太陽黑子最小年最高5 MHz左右[2]。再考慮到最佳可用頻率及不同仰角關系,推薦使用頻率范圍在白天一般為4～10 MHz,夜晚一般為2～5 MHz。根據筆者試驗經驗,短波NVIS通信選頻遠比短波遠程通信選頻容易,在大多數時間內甚至只需要一個頻率即可實現可靠的無盲區(qū)通信。

(3)NVIS信號覆蓋均勻、通信可靠性高

電波在天波傳播過程中所引起的傳播損耗Lb包括自由空間傳輸損耗Lf,電離層吸收損耗La,地面反射損耗Lg和附加損耗Y等。

可以看出,傳播損耗是工作頻率、傳播模式、通信距離、通信地點和時間的函數。其中,自由空間傳輸損耗為:

其中,f為電波頻率(MHz);d為有效傳播距離(km)。

(2)改進變化環(huán)節(jié)的控制方式和控制力度；①細化管理流程，分別從礦、科、隊三級進行分類，對照變化環(huán)節(jié)性質覆蓋率達到100%；②細化了組織程序，分別從時間、到位人員、組織措施均作了具體要求；③細化了獎懲標準，分步制定獎懲標準，實現獎懲平衡，突出正向激勵；④建立變化環(huán)節(jié)目標化考核制度。

電離層吸收損耗La主要發(fā)生在D層,與電波傳播路徑中的電子濃度N、碰撞率v、地磁場強度以及電波頻率等因素有關,而上述參數難以準確估計,工程計算中常采用半經驗公式進行計算和預測。

其中,φ為在100 km高處的入射角;f為工作頻率(MHz);fH為在100 km高處的磁旋頻率(MHz);I為吸收指數;n為路徑的跳數。查圖計算,本例的吸收損耗取為La=15.2 dB[3]。

地面反射損耗Lg指電離層反射回到地面的電波,再由地面反射時發(fā)生的損耗,由于短波無盲區(qū)通信不考慮多跳反射情況,因此地面反射損耗可以不計。

附加損耗Y指上述以外的其它各項損耗,如電離層的散焦效應、Es層附加損耗、電波極化損耗等。附加損耗一般定量計算比較困難,通常采用大量電路實測綜合估計值,參考相關資料和工程實驗數據,一般附加損耗取值5 dB左右,本例取5 dB[4]。

如果以工作頻率為5 MHz,在電離層450 km高度反射,覆蓋400 km為最大傳輸距離,以電離層250 km高度反射,垂直反射覆蓋本地為最近距離,則短波無盲區(qū)通信的傳播損耗最大值和最小值分別為:

如圖4所示NVIS電波傳播最大和最小路徑示意。

圖4 NVIS電波傳播最大和最小路徑示意Fig.4 NVIS wave maximum and minimum path diagram

可見,NVIS通信在覆蓋范圍內傳播損耗相差很小,最大值和最小值相差在6 dB以內,基本可以認為實現了信號的均勻覆蓋。因此,在NVIS覆蓋范圍內,通信可靠性較高。

3 NVIS通信試驗

表1 試驗數據Table 1 experimental data

試驗結果表明,短波NVIS通信基本能夠實現全天24小時可通。

4 NVIS通信應用

(1)“山中通”和“動中通”應用

由短波NVIS通信的傳播特性可知,近垂直入射電離層反射克服了山體阻擋,能夠實現“山中通”,筆者在通信試驗中多次進行“山中通”試驗,通信效果良好。同時,大量試驗表明,在100 km/h移動速度條件下短波無盲區(qū)通信話音質量能夠達到3級以上。

(2)大區(qū)域短波通信組網應用

由于短波無盲區(qū)通信在覆蓋范圍內信號比較均勻,克服了短波天波傳播的不穩(wěn)定性,為短波大區(qū)域組網應用提供了條件,無需衛(wèi)星和升空平臺等基礎設施就可以在較大范圍(0～400 km)組成一個數百用戶規(guī)模的短波網絡,具有其他通信手段難以比擬的優(yōu)越性[5]。

5 結 語

本文通過計算分析了NVIS通信與傳統短波天波傳播通信相比具有無通信盲區(qū)、可靠性高和通信頻率低的特點,并在實際NVIS通信試驗中得到了印證。一方面,NVIS由于近垂直入射電離層反射克服了山體阻擋,能夠實現“山中通”和“動中通”,另一方面,NVIS通信克服了傳統短波天波傳播的不穩(wěn)定性,且其覆蓋范圍又超過了視距(LOS),具備了短波“大區(qū)域組網”的基礎,建議進一步研究短波NVIS組網的MAC層以及網絡層技術。

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CUI Yu-ming(1977-),male,B.Sci., senior engineer,mainly engaged in communication and information system.

韋 勇(1977—),男,學士,高級工程師,主要研究方向為通信與信息系統;

WEI Yong(1977-),male,B.Sci.,senior engineer,mainly engaged in communication and information system.

唐光亮(1969—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為無線通信。

TANG Guang-liang(1969-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in wireless network.

HF Non-Blind-Area Communication Technology and Its Application

CUI Yu-ming1,WEI Yong1,TANG Guang-liang2
(1.Unit 78605 of PLA,Chengdu Sichuan,610031,China;2.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

This paper analyzes the shortwave communication blind area caused by limited wave propagation distance,and the formation mechanism of HF hop-propagation distance.According to the formation mechanism of the blind area,a solution for HF communication blind area is proposed,namely,to extend the ground-wave propagation distance while shorten the sky-wave propagation distance of a jump.A solution for short-wave communication blind area called near vertical incidence sky wave(NVIS)technology is also described.Through calculation and analysis of NVIS communication coverage distance,communication frequency,and propagation loss,the characteristics of NVIS communication are summarized,including limited distance coverage,low communication frequency band,and balanced signal coverage.On this basis,the reliability and quality of short-wave NVIS communication is verified in the test of practical project,and finally the feasibility of short-wave NVIS communication in“communication in mountain area”,“communication in motion”and“l(fā)arge-area networking”is also analyzed in this paper.

HF;non-blind area;NVIS

TN011

A

1002-0802(2014)10-1135-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.006

崔宇明(1974—),男,學士,高級工程師,主要研究方向為通信與信息系統;

2014-08-14;

2014-09-14 Received date：2014-08-14;Revised date：2014-09-14