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地方通信关键技术解析

 论文栏目:通信技术论文     更新时间:2013-8-21 9:25:14   

1超短波传播特性

1.1视距传播

在距发射天线数公里以外,地面波就很弱了,数十公里以上,地面波已经可以忽略不计了;地面反射波,地面略有凹凸不平或传播途中遇到任何障碍,都会对传播产生影响,因而不能够加以适当的利用。所以,超短波通信主要靠空间直射波,在低空大气层作视距传播。象光线一样,传播距离不仅受视距的限制,还要受高山和高大建筑物的影响。因此,要求天线架高一些,以便增加视线距离。

1.2只有有限的绕射能力

无线电波有绕过它所碰到的障碍继续传播的能力,这种绕过障碍的现象就叫做绕射,如图2所示。电波的绕射能力与其波长有关,波长越长,绕过能力越强。对长波来说,绕过能力很强,很高的山峰也能绕过去;但对超短波来说,地面上不大的凸起部分也会成为严重的障碍,当遇到障碍物时,电波的能量一部分为障碍物所吸收,造成损失;一部分即行反射;只有剩下的一小部分能够以较小的曲率绕过障碍物。因此,超短波的绕射能力远较长波为差,只有有限的绕射能力。同时,在障碍物的后面造成很大的阴影区(就是电波不能到达的地方),所遭受的损失称为阴影损失。频率越高,绕射能力越差,所能绕过的障碍物也越。跤八鹗б苍酱。经验表明:当电波在150MHz以上时,绕射能力就非常弱了,几乎只能沿着直线传播。

2山区通信关键技术分析

2.1定向天线技术

目前战术超短波电台主要使用全向天线,定向天线由于体积比较大,架设相对困难,移动性较差,所以,很少使用。定向天线相对于全向天线,结构要复杂的多,但具有相当高的增益[3],这对于山区远距离通信是一突出的优势,作为山区重要中继节点使用是非:玫难≡。定向天线有面结构和振子阵结构,其中,对数周期天线是一个很好的选择,这里是指对数周期偶极子天线,它在一些离散的频率间隔点上其结构成比例,天线的特性随频率的对数做周期变化,对数周期天线电压驻波比小于3,天线增益平均可达8dBi以上。针对30~88MHz的超短波对数周期天线,假设天线增益选择为8.5dBi,查设计手册最佳设计对应的比例因子τ和相邻振子间的距离用间距因子σ值为,τ=0.822和σ=0.149,然后计算各参数得:顶角2α=33.3°;振子长度l1=5m、l2=4.11m、l3=3.38m、l4=2.77m、l5=2.28m、l6=1.87m、l7=1.54m;振子间隔d1=1.49m、d2=1.22m、d3=1m、d4=0.82m、d5=0.68m、d6=0.56m;d总=5.77m。可见30~88MHz频段的对数周期天线展开面积较大,长度为5.77m,高度为5m,但增益很高,达到8.5dBi以上,比常规使用的中馈天线(-2dBi)平均提高10dB以上。

2.2大功率技术

目前军用大功率技术主要应用于短波和微波频段,功率可以达到kW、10kW级以上,在战术超短波频段采用的发射功率都比较低,一般为50W,而民用的大功率设备通常以固定基站模式,设备体积庞大,维护要求较高,无法满足军用车载式、机动性要求。超短波大功率技术由于频率相对较高,输出功率大,对器件要求较高,随着大功率MOS器件的发展,采用晶体管技术的全固态kW级超短波频段发射机技术已经成熟[5],主要应用于广播电视、电子对抗和流星余迹通信等,在战术超短波通信方面还没有实际应用,因此,从技术、成本、体积和干扰等几方面综合考虑,选择设计500W功率放大器。主要采用宽带匹配、功率合成、功率回退、负反馈、自动功率控制等技术输出一种功率大、工作频带宽、带内增益波动小、线性度高的超短波射频功率放大器,最大输出功率不小于500W。由此,通过把超短波功率放大器由50W(47dBm)提升到500W(57dBm)后,发射功率增益提高了10dB。

2.3网络技术

对于战术通信应用场合,需要一种能够随机、快速自动组网的移动通信技术,Ad-Hoc网络技术就是可以满足这种特殊场合需求的新网络技术[6-8]。Ad-Hoc网络采用分布式、多跳、动态拓扑技术,实现网络的自动组织和运行,称为自组织网络(SON)。由于节点的移动、随时开机和关机、发射功率的变化、无线干扰和地形等综合因素的影响,节点间的网络拓扑结构是变化的,因此,通过采用动态路由技术,交换路由信息,监控网络拓扑结构变化,定位目的节点位置,产生、维护和选择路由,并根据选择的路由转发数据,提供网络的连通性。因此,通过采用Ad-Hoc网络技术,可以实现超短波电台自动中继转发和自动组网能力,将遍布区域的移动战术电台互联成一个整体,从而扩展和延伸通信距离,实现山区远距离通信的目标。

2.4空中平台技术

空中平台主要包括无人机、飞艇(或系留气球)等[9-10],提供超视距连接能力,通过不同类型的升空平台实现空中转发,与地面网络组成完整的天空地一体化的立体通信网络,覆盖整个战场空间,其覆盖范围主要取决于平台高度,随平台高度增加而扩大。无人机的军用价值已被各国公认,具有机动灵活、易于部署和控制的特点,用于战场通信覆盖和中继具有高效低成本(相对卫星)的优势。利用无人机可以进行低空、中空和高空中继通信。飞艇作为空中平台,比无人机成本更加低廉,使用也更加方便,随着技术的发展,在抗风性能、安全性、姿态稳定性、适应性都大大提高,基本上能达到全天候飞行,具有方便快捷、经济实用、稳定可靠、运行成本低等突出优势,适合用于空中区域中继。根据实际情况需求,以及成本、复杂性、隐蔽性等综合考虑,可以灵活选择无人机或飞艇,一般尽量选择低空中继平台为宜,仍然可以提供100km以上的通信覆盖范围。超短波通信最大的问题就是阻挡,而空中平台彻底克服了这一障碍,实现了超短波直射波传播的要求,是超短波电台实现超视距、山区通信最有效的方法。但空中平台技术也存在很多不确定性、欠缺性,受天气影响较大,容易暴露目标,相对地面设备来说,复杂性高,成本高,稳定性差,隐身性差,这些新问题也都需要不断完善,综合考虑,机智应用。

3性能评估和分析

超短波电台的传输能力与通信频段、发射功率、接收灵敏度、天线增益和地形等因素都有关系,在复杂地形条件下,超短波的传播损耗可以采用Egli模型计算,电波传输损耗由经验公式(4)确定。资料表明,地形校正因子,既与测试点周围地形平均起伏高度H(m)有关,又与使用频率有关,在公式中,当测试点周围地形平均起伏高度H(m)等于15m时,K取0,当测试点周围地形平均起伏高度H(m)大于或小于15m时,则应加地形校正因子。以下分析K值取0,收发天线两端高度为15m。

3.1发射功率

50W、中馈天线当发射功率为50W(47dBm),选择中馈天线增益为-2dBi时,天线收发两端合计增益为-4dB,发射总增益为43dB,由电波传播损耗公式(4)计算可知,其30km的中值路径损耗预测30~88MHz频段分别在130~139dB,到达接收点的信号强度为-87~-96dBm,均高于接收灵敏度(-109dBm),即通信距离可达到30km。

3.2发射功率

500W、定向天线当发射功率为500W(57dBm),定向天线选用对数周期天线,增益为8.5dBi时,天线收发两端合计增益为17dB,发射总增益为74dB,由电波传播损耗公式(4)计算可知,其100km的中值路径损耗预测30~88MHz频段分别在151dB至160dB之间,到达接收点的信号强度为-77dBm至-86dBm,均高于接收灵敏度(-109dBm),即通信距离可达到100km。从电波传播损耗公式(4)中可以看出:传播损耗与通信距离的关系是40•log(d),即通信距离增加1倍,传输损耗增加12dB;亦即在其它条件不变情况下,通过增加功率增益12dB,通信距离可提高1倍。基于以上数据分析,采用超短波500W大功率技术和高性能定向天线技术可以大幅提高发射增益,发射增益提高可达31dB,通信距离由30km提高到100km,通信距离提高3倍多,从而大幅提高了传输性能,是一种解决超短波电台山区通信的有效方案。

4结语

提出实现超短波远距离山区通信的四项关键技术和方案,通过高性能定向天线,发射增益平均可以提高17dB以上,通过500W大功率放大器,发射增益也提高10dB,这样,通过采用定向天线和大功率两项技术,发射总增益可达74dB,通信距离达到100km,通信距离提高3倍多,实现了单跳大跨度远距离通信;通过运用Ad-Hoc网络技术,可以构建战术电台互联网,通过单跳、多跳、迂回路由技术,实现自组织、分布式动态组网,从而达到有效间接延伸通信距离的目的;通过空中平台技术,可以实现更大的通信覆盖,更好实现山区超视距通信。总之,通过这些技术有机结合和综合应用,通信距离可成倍提高,覆盖范围可加倍延伸,使网络生存性大大提高,可以很好地解决超短波电台远距离山区通信问题。

作者:金红军 单位:中国电子科技集团公司第五十研究所


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