散射通信系统工作频段的选择

赵玉超，孙泽楠

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081; 2．石家庄市第二医院，河北 石家庄 050081)

散射通信系统工作频段的选择

赵玉超1，孙泽楠2

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081; 2．石家庄市第二医院，河北 石家庄 050081)

散射通信中常用的频段有L、S、C、X和Ku频段，针对散射通信的频率选择问题，从链路损耗入手分别对5个频段进行了分析。根据不同应用场景，利用ITU－R617方法对不同频段、不同距离的散射通信的传输损耗进行了计算仿真，结果表明:在近距离、基本传输损耗较小的应用条件下，宜使用频率较高的C、X或者Ku频段，这样有利于设备的小型化;而在远距离、基本传输损耗很大的应用条件下，频率较低的L或者S频段才是更合适的选择，才能使得远距离散射通信更加实用。

散射通信；频率选择；传输损耗；ITU-R617

0 引言

对流层散射通信是利用对流层中不均匀体［1］对超短波以上的无线电波的前向散射来实现的一种超视距无线通信方式［2］，具有传播媒质永恒存在且无需付费等优点［3］，在国内、外超视距通信中占有重要地位［4］，其常用的频段有L、S、C、X、Ku频段。

散射通信传播机制的特点决定其传输损耗较大，绝大部分能量都以直射波的形式射向天空，只有不足百万分之一的能量通过弯管传输到达接收机［5，6］。为应对这种较大的传输损耗，对流层散射通信设备通常使用高功放、大口径天线［7］。此外，如何选取正确的工作频率，以使散射通信发挥出其最大潜能，成为散射通信工程设计中需要考虑的一个重要问题。

本文通过分析散射通信各种因素带来的损耗，得出了不同应用场景下的频段选取原则，为工程应用提供了参考。

1 散射通信传输损耗

根据ITU-R617建议，基本传输损耗年中值［8］:

式中，M为气象因子，其具体值如表1所示。f为频率(MHz)，θ为散射角(rad)，光滑球面条件下:

ae为地球等效半径(km)，d为大圆距离(km)，LN为与散射体高度和气候区参数γ有关的损耗［9，10］:

气候区参数γ的取值如表1所示。

表1 不同气候区的气象参数和大气结构参数

H为最低散射点到收发天线连线高度(km):

h为最低散射点离地高度(km):

考虑到天线带来的增益，链路损耗为:

Gant为去掉介质耦合损耗后的纯增益，Lc为介质耦合损耗［11］:

Gt、Gr为发收天线增益(dB)。

2 不同频段、距离下的链路损耗分析

根据式(6)可知，链路损耗包括基本传输损耗，天线介质耦合损耗以及天线带来的增益。基本传输损耗随着距离的增大而增大，当通信距离为100 km时，L、S、C、X和Ku频段的主基本传输损耗分别为184 dB、193 dB、205 dB、211 dB和220 dB，当通信距离达到600 km时，传输损耗可达到226 dB、235 dB、247 dB、253 dB和261 dB，如图1所示。

图1 散射传输损耗与通信距离的关系

由于传输损耗很大，远距离散射通信需要通过加大发射功率和增大天线增益来应对传输损耗。在实际应用中，通过增大发射功率的方法来克服传输损耗的成本是非常大的，一方面，功放的增益受器件水平的限制;另一方面，高功放的长期运行会导致很大的资源消耗，运行和维护成本很高。因此功放输出功率总是受限的［12］，通过加大功率来应对链路损耗并非最佳的解决方法。而通过增大天线增益来克服传输损耗是比较简单、可行的，对于固定站来说，只需要一次投资就可以一直得到很大的链路增益，基本上没有后期运行和维护成本，因此增大天线增益是应对远距离散射通信传输损耗的一种有效的手段。

通常情况下，当频率固定时，抛物面天线的增益与天线口径的平方成正比的，但在散射通信中，由于介质耦合损耗的存在，天线增益并不是随着口径增大而一直增大的。对于上述5个频段，使用不同口径的天线带来的增益如图2所示。

图2 散射通信天线口径与纯增益

由图2可知，在散射通信中，由于天线介质耦合损耗的存在，天线增益并不是随着口径的增大而一直增大，相反，当天线口径增大到一定程度时，天线带来的增益不但没有增大，反而会减小。因此在散射通信中，无法通过继续增大天线口径来获取链路增益。

图2为100 km和600 km的通信距离下，使用5个频段在不同天线口径下的链路损耗曲线。可以看出，对于5个频段，当天线口径小于1 m时，Ku频段链路损耗最小，当天线口径大于7 m时L频段链路损耗最小。对于600 km的链路，若使用Ku频段，其最小链路损耗为178 dB，而L频段在25 m的天线下链路损耗为145 dB，比Ku频段要小33 dB，其他频段损耗介于二者之间，可以看出，在大口径天线的支持下，低频段的散射通信链路损耗可以做得更低，而在天线口径受限的情况下，高频段的链路损耗相对较低。

3 不同通信距离下频段的选取

散射通信传输损耗随着距离的增大而增大。对于较近距离的散射通信链路，基本传输损耗较小，例如对于100 km的链路，5个频段的基本传输损耗分别为184 dB、193 dB、205 dB、211 dB和219 dB，都不是很大，这时设备以小型化为主要目标。由图3可知，当选取1 m的天线时，L、S、C、X和Ku的链路损耗分别为149 dB、146 dB、144 dB、143．5 dB和143 dB。以某型接收机为例，其解调门限为－92 dBm，若不考虑其他工程损失，则5个频段需要的最小发射功率为分别为57 dBm、54 dBm、52 dBm、51．5 dBm和51 dBm，实际工程中都很容易做到，考虑到小型化和实用性，可选择较高的Ku、X以及C频段。当链路长度增大至600 km时，如果继续使用高频段，由图2可知，对与Ku、X以及C频段，链路损耗最小值分别为179 dB、170 dB和164 dB，同样以上述接收机为例，所需的发射功率为87 dBm、78 dBm和72 dBm，显然是难以实现或者不实用的;而使用S或者L频段，采用20 m广告牌天线，链路损耗分别为152 dB和147 dB，需要的发射功率为60 dBm和55 dBm，相对比较容易达到，实用性也更强。

图3 散射通信链路损耗

通过以上2个例子的对比，可以得出，在散射通信中，在近距离、基本传输损耗较小时，宜使用高频段，如Ku、X或者C频段，有利于设备的小型化;当应用距离加长，基本传输损耗变得很大时，应考虑使用较低的频段，如S和L频段。

4 结束语

在我国的散射通信设备中，Ku和X频段是一个较新的频段，有利于设备小型化，也可兼容卫星通信设备，达到卫通—散射一体化的效果。C频段为最常用的一个频段，应用成熟，频谱干净，干扰较少，在近距离、非固定站应用中有着重要地位。当通信距离很远，损耗很大时，由于L和S频段基本传输损耗相对较低，并可通过增大天线口径来获取天线增益，这样就可以在一定程度上应对通信距离增加带来的损耗，达到远距离散射通信的目的。

［1］韩明钥，徐松毅，贾伟．用于变参信道的变速率传输技术[J]．无线电通信技术，2008，34(4):16－18．

［2］赵玉超，秦建存，刘丽哲．对流层散射通信传输损耗预计方法分析[J]．无线电工程，2013，43(3):62－64．

［3］徐松毅，陈常嘉，李文铎．高仰角对流层散射电波传输损耗的一种预计方法[J]．电波科学学报，2011，26 (3):528－532．

［4］中国人民解放军总参谋部通信部．对流层散射远距离通信[M]．北京:中国人民解放军战士出版社，1982．

［5］李文铎．用于变参信道的变速率传输技术[J]．无线电通信技术，2013，39(6):1－2，14．

［6］郝英川，甘启光，贾梦媛．散射通信在岛屿中的应用及传播特性分析[J]．无线电通信技术，2014，40(2):20－22，51．

［7］李志勇，李文铎．对流层散射通信时间分集技术研究[J]．无线电工程，2013，43(12):17－20．

［8］张明高．对流层散射传输[M]．北京:电子工业出版社，2004．

［9］Rec．ITU-R P．617－1 Propagation Prediction Techniques and Data Required For The Design of Trans-Horizon Radio-Relay Systems［S］，1992．

［10］Rec．ITU-R P．617－2 Propagation Prediction Techniques and Data Required For The Design of Trans-Horizon Radio-Relay Systems［S］，2012．

［11］RICE P L，Longley A G，Norton K A，et al．NBS Technical Note No．101．Transmission Loss Predictions For Tropospheric Communication Circuits［S］，1967．

［12］李斐，李文铎，魏淑君．窄带散射通信数据传输纠错技术设计研究[J]．无线电通信技术，2005，31(4):1－2，43．

Choice of Frequency Band for Troposcatter Communication System

ZHAO Yu－chao1，SUN Ze-nan2
(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．The 2nd Hospital of Shijiazhuang，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

The commonly used frequency bands in troposcatter communications include L，S，C，X and Ku band．In view of the choice of frequency band in troposcatter communications，analysis is made on transmission loss for 5 frequency ranges．According to different application scenes，the calculation method described in ITU-617 is used to make troposcatter loss simulation at different frequencies and different communication distances．The result indicates that in the situation of short-distance where the transmission loss is small，the C or X or Ku band is good for device miniaturization，while in the situation of long-distance where the transmission loss is high，the L or S band is appropriate choice which can make troposcatter communications at long distance more practical．

troposcatter communication;frequency choice;transmission Loss;ITU-R617

TP391

A

1003－3114(2015)05－90－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.24

赵玉超，孙泽楠．散射通信系统工作频段的选择［J］．无线电通信技术，2015，41(5):90－92．

2015－05－12

国家部委基金资助项目

赵玉超(1987—)，男，助理工程师，主要研究方向:散射通信。孙泽楠(1987—)，男，助理工程师，主要研究方向:医疗设备故障检测、系统辨识。