（通信与信息系统专业论文）高速率对流层散射通信的合并技术研究.pdf

ab s t 介 址 1硕士论文 ab s t r a c l 升 叩。 s c a tt e r com j l l 助i c atio n withfar s i m p l e 一 opc o n ” 刀 画口 石 o n di s 加 叮 “， hi ghre l i abi l i ty， goed co心d enti alityands tt o n ganti 一 nuc l ear e x p l os i on is侧d el yus ed inm ili l 翻 ryand d vili anc o n ” n . 田 c ation field s . 刀 五 s p 叩er创 刀 d i e s di versl tycom b i n in g ofhi ghr 也 sc at te r c o m m unicati o no nb asi s o f n 刽 rr o 认 七 ands y s t e mandp r e s e n tssom e i m p r o v ed al g o ri th 功5 whi c h im p r o v e s y s t e mp e ri 七 n 刀 a n ceand sati s 斤re q ui re m e n tso f d i价r e ntt r a ffic b us二s s e s . inn 理 rr o w b an d tr o p 0 sc a tt e r c o n ” 刀 理 ru c at i onsy 引 丈 风inax i m a l r at i o c o m b l 血g i s re se ar ched. acon c l usi o ni s educed th ate achdi v e rs i typ at h ，s wei ght ed coe ffic i e n t o f n 超 区 irr 阎r at i o co m b i n ing i s co nj u g at i o n o f co m p l exc h a n n e 1 脚n ， w h j chi s co ns i stentwithp ri n c i pl e o f 功 川 c h l n g fil t e r ， soitc an 0 b ta i n the l arge sts n rinall com b 涌n g ai g o ri t h m s . c o m p ar ed 雨thtr a d it i o nal app r o ach ， this m etho d h asl o wer com p l e 心 ty.mean w hi l e ， ino r d e r tom 喇 th e代 料 u l r e r n e nts ofdi fl 七 r e n t troposc a tt e rc o n u 力 画。 吐 l od b us泳ssandred姗 sys l e m compu 以1 叽 an加p r o v edm 几 石 m 目r at i o com b l 苗 n g al g o ri th mb ased ons n rthre s b o l d is p re s e nted . t hi s meth o d b o thconsi d ers p ro b abi 1 i tydensi tyfij 1 1 ctio n o f s n ro f th e r e c e i v ed 51 9 份 l and di ffer e n t 斑 犯 r sr eq v i re ments， 呐us tsthe 廿 甘 e s holdacco rd in gl y，and com b in es th es i gna 】 swho se snrare hi ghert h an th e公 ir e sh o ld . t h i sal g o ri t h mc 即 c 价c i e nt l y d e creas e com p u ta t 1 o n whi l e keepi n g s y s t e mpe雨rman ce hio r d erto诩 cel t h e e 月 淞 c t o f i s l and c h a n n e l d e e p 介 以 in g th atm edi 帅 仃 田 巧 而s s i o n r at e tr o p o s c a tt e r comm uni c at i o ns y s t e me n cou n 企e r s ， a t 而e 一 d o n 迢 i ndi v e r s i tycom b i ni ng and equali za t i o n al g orit h mb as edon的 面m um m e a n s q u aj 陷e n o r c ri t e ri o n i s p r e s e n 让 月 ， w hj c h jo in tl y eq画1 邓5 此 com b i n edsi 卑 侣 l fo ll 。 ， 八 n g p as s i n g th r o u ghc 如 双 叮 e l 双 la tc 场 血 g fi l t er s . t ll 5 目 g o ri t 知 叮can cels s y s t e m，s l s l td g e th e r 倾thm a x l功 止 i ng o u tp uts i g u l ， s s n r曲d m aken a rr o w b andsystem upgr adetom e g a b its c o n u n u ni c atio ns y stem诚ths ta b l eand r e l i abl e perform的ce wjd eband tropos c a tt ercon ” 力 u n l “ 对 l onll asm o res e ri o usis l and c b a n n eld eep fadin g.t b i s p a pe r m t r o d uce s s c 一 f d etechno l o gy inlo初d e b andtrop o s c a tt e r c 0 n u n u l 1 1 c atio nanda 台 明 uen cy. d o m 咖 阅朋1 i zati on an ddi v er s i tyc 0 m b in in gal g o ti th misp r o pos ed， w 场 比 j o i n t l y e q uali z esthe m axi n l a 】 ratio c o m b in eds i 即 a 】 infr e q u e ncy d o m ai 几曲d th e o utput s i gi l a l 侧th o uti s l h asth e l ar g e s t s n r . 1 、 i s ai gori t h mdeal s 诚ths i gna l com b i nm g and c h an n e l e q ual i zati onin加q u e n c3d 0 m aj 氏soit h a s 1 0 w e r c o m p u ta t i onfor 衍d eband s i gnal 助d i n c r e 出 犯 s t n 双 比 m i s s i o n r al 比 uptoi o m 】 于 刁 s a 加ve. k e y 卿 o r d ， : ，r r o p o s c a ti erc otnm uni。 对 1 0 氏 d iv ersi ty c o mbl 血9 ， 石 m e 一 dor n 田 n 助uali za t i o 氏f r e q ue n cy d o m a ln 翔uali za t l on. l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 而产7 月 2 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 7 月 之日 硕士论文 高速率对流层散射通信的合并技术研究 1 .绪论 1 . 1选题背景及意义 对流层散射通信是利用对流层中大气的不均匀性， 对超短波和微波产生散射或反 射作用进行通信的一种超视距无线通信方式【 1 ， 幻，如图1 . 1 . 1 所示。对流层为大气 层的最低层， 平均高度为1012k n l ， 其中分布着大量的不均匀体或称散射体， 表现 为大量的大大小小、 形状各异并且或快或慢地运动变幻的空气旋涡、 云层边际和某种 渐变层等， 它们在温度、 湿度和压强上与周围空气不同， 从而在折射指数上与周围空 气也有差异。因而， 超短波和微波通过这种不均匀体时，除沿途遭受折射外， 还被不 均匀体再次辐射，传到远远超出视距的范围。 视平线视平线 图11 . 1对流层散射通信示意图 1 . 1 . 1对流层散射通信发展概况 自 对流层散射传播在上世纪三十年代末被发现以 来， 己有六十多年的历史了。 通 信科研工作者对于散射通信的研究主要经历了 三个阶段【 3 。 第一阶段是传输机理和实验通信阶段， 约从上世纪三十年代末到五十年代初期。 在1 9 3 7 年以 前， 人们主要认为超视距传输是遵照经典的绕射理论。 但是1 9 3 7 年马可 尼的 试验驳斥了 这一 观点， 其证明了 在对流层散射范围内， 信号随路径长度增加所遭 受的 相对损失的 增加速率， 要比 绕射范围内 小的多。 四 十年代中期， 随着雷达、 大功 率广播和电 视技术的 发展， 超短波和微波被发现具有超视距传播现象。 不少国 家建 立 了一些试验线路， 进行了大量试验， 获得了 很多第一手的试验数据， 对这些数据进行 研究和分析， 提出了多个对流层散射传输机制理论模型， 其中最著名的三个是: 揣流 绪论硕士论文 非 相干散射理论、 不规则层相干反 射理论和稳定层相干散 射理论， 我国 科学家张明高 院士综合这三种理论， 提出了广义散射理论截面理论模型， 并在此理论基础上， 对各 种传播特性做了系统的模型研究， 提出了 一整套比较完整的适于我国条件的传输损耗 统计预测模型。 第二阶段是模拟通信阶段， 从上世纪五十年代中期到六十年代初。 美国建设了世 界上第一条线路， 标志散射通信进入了实用阶段。 此后， 美英法日苏等国研制了大量 的散射通信设备， 并迅速实现了标准化、 系列化。 对流层散射通信已发展成为一种可 靠的、 具有当时其他通信方式所不具备的一些突出优点的通信方式。 世界各地已建成 100 多条线路， 模拟对流层散射通信已告成熟。 第三阶段是数字通信研究和发展阶段， 上世纪六十年代崛 起的数字通信， 具有模 拟通信无法比 拟的突出优点， 并逐 渐取代模拟通信， 成为对流层散射通信的主流方式。 许多国家投入了 大量人力和物力， 生产了 不少数字式散射通信设备， 散射通信开始大 规模的应用到军事和民用通信网中。 当 前， 数字散射通信技术发展已比 较成熟， 美英法德俄等国 研制了 大量数字散射 通信设备，在世界散射通信技术竞争中处于领先地位 4j。美国瑞声公司生产的 an汀 r c 一 1 70车 载移 动散 射 通 信 设 备 可 分 为从、从和从三 种 机 型， 采 用 失 真自 适 应 接收技术，传输速率为 128 /2 5 6/ 515/ 1 024/13 5 的o 48k b /s;俄罗斯以散射通信为干线 建立区 域通信网或组成多跳转接线路， 有的中 继接力线路长达2 0 0 0 多公里， 其生产 的p423， 1 车载移动散射通信设备， 采用线性调频作为宽带载波， 匹配滤波器分离多 径 自 适应相干解调技术，抗白噪声性能好，而且具有多重隐分集增益，传输速率为 64乃 7 6/ 1 15 2 瓜 3 04k b l s ，天线架高技术、抗窄带干扰技术、多条转接技术、多重隐分 集接收技术等是俄罗斯在散射通信应用方面的独特之处: 此外， 英法德等国也研制了 大量先进的散射通信设备。 “ 75” 和 “ 85” 期间， 我国数字对流层散射通信有了 较大的应用和发展， 先后研 制生产了各种类型的车载式和固定 式散射通信设备. 从80年代末开始，我国开始向 第三世界国家出口 散射通信设备， 用于建设区 域通信网， 使我国的散射通信技术走向 了世界竟争性的行列中去。 多年的实践表明， 我国在散射通信的理论研究和应用方面 已 有相当的技术水平， 但是同世界先进国家相比， 我国的散射通信发展水平还有很大 的差距， 还需要不断努力， 才能赶上散射通信发展的先进水平. 1 . 1 . 2对流层散射通信的优点 对流层散射通信之所以成为一种重要的通信方式， 在军事和民用领域得到广泛的 应用，是由于它具有以下一些突出的优点: 可靠性高， 尽管对流层散射传播过程中存在快衰落现象， 但由于采用分集接 硕士论文高速率对流层散射通信的合并技术研究 收等抗衰落措施， 这一障碍可以 被克服。 同时由于通信距离远， 中间站数少， 线路发生故障及设备受到破坏的可能性大大降低， 因而散射通信的传输可靠 性高达 99%99. 99%。 2) 单跳跨距大， 一般微波视距接力通信单跳距离仅为 50 公路左右，而对流层 散射通信却可高达6 00多公里。 要在更远的距离上通信时， 也可以 采用接力 方式。和视距微波接力通信相比，它特别适用于跨越沙漠、山地、湖泊、海 湾、 沼泽等有自 然障碍地带的通信及用于自 动化防空体系中各雷达站之间的 信息传输。 3) 保 密 性能 好， 这 是由 于 单 跳 距 离 跨距 大， 定向 特 性 好 且 波束宽 度 很窄， 因 而 不易被窃听。再则，散射通信的天线尺度虽大，但不像接力通信那样要求架 设的那么高，基本上是架设在地面上，因而天线也易于伪装隐蔽。 4) 对流层散射传播基本上不受雷电、 极光、 磁暴、电离层扰动、 太阳黑子， 尤 其是不受核爆炸的影响，这些特点在军事通信上是很有意义的。 1 . 1 . 3选题的意义 信号在散射信道中 传输时， 受到信道的影响， 接收信号会出现如下现象:电 平微 弱、快衰落效应和多径干扰。 1) 电 平微弱:由 于对流层散射单跳距离远， 传播损耗很大， 使得到达接收端的 绳 信 号 电 平 非 常 的 微 弱 。 2) 快衰落效应: 发射信号经过对流层散射，以不同的传播路径到达接收端， 这 些不同幅度、 相位和入射角度的信号， 合成为一个包络随机分布的信号，这 一信号的包络在短时间和短距离内 会有很大的起伏， 这就是信号的快衰落效 应。 3) 多 径干 扰:由 于 对流层空间 不 是 理想的自 由 空间， 存在不 均匀介 质， 散 射主 要由于大气不均匀体对电波的部分能量产生紊乱的反射和折射， 于是形成了 多径传输，产生频率选择性信道，引起信号的符号间干扰。 为了 提高系统的性能， 必须对上述现象采取适当的措施。 对于散射的高传播损耗， 国内 外一般采用大功率发射机、 大天线和高灵敏度接收机来补偿传播损耗， 信号的电 平微弱问题可以 得到很好的解决; 对于信号的快衰落效应， 可以 用分集合并技术来解 决， 其中以最大比合并的性能最好，但是传统的最大比合并具有很高的计算复杂度， 影响了 散射通信向 简便化、 移动化方向 发展; 对于多径干扰问 题， 国内 外学者提出 在 散射通信中引入均衡技术， 但这还处于研究阶段， 而且散射信号受到传播路径损耗和 快衰落的影响， 信噪比 很差， 仅仅采用均衡技术，系统的性能提高很小。 对于以多径衰落为特征的对流层散射信道， 通信质量的保证主要来自 于分集合并 3 绪 论硕士论文 技术. 因此， 本文选择研究高速率散射通信的合并技术，目的在于取得一些有意义的 研究结果。 国内 外现有的散射通信系统都是窄带的， 只能用于语音和低速率数据通信。 散射通信目 前主要用于军事通信领域， 欲扩大它的应用领域， 必须要能实时传输图 像、 视频、 音频和数据等多媒体信号， 因此， 它必须是一个宽带通信系统。 本文研究高 速 率散 射通信意义在于， 它能够实现这些多媒体通信业务， 使散射通信的应用领域更加 广泛。 1 . 2宽带移动通信的关键技术 在有限的带宽条件下， 传输尽可能高速率的信息是散射通信的发展方向， 无论是 军用领域还是民用领域， 对流层散射通信都在从最初的语音通信向图像、 视频、 音频 和数据等多媒体通信方向发展， 而这些应用需要更高的传输速率， 这样必然会带来严 重的符号间干扰; 同时， 从各先进国 家 研制散射通信设备来看， 散射通信需要满足移 动化的要求， 这样就会引起信道的时变性。目 前， 主要有四种数字技术能使宽带移动 通信系统获 得稳定可靠的 传输性能: 正交 频分复 用(o n 五 0 9 。 耐 f 代 叼 u e n c ydi vi si on m ul tinl ex in g : o f d m ) ; 直接 序列 扩 频 口加 戈 t s preads pe c tr u ms eq uen ce : d s s s) ; 多 载 波扩频汉ul ti caln ers p r ds 户 沈 tr 切 ro : m ss) 和单载波频域均衡(s in gl ec arrier- f r equ e n c y d o m ain equali za t i o n : s c 一 f d e ) 1 7 ， 2 0 。 1) 正交频分复用( o f d 均 5 是一种特殊的多载波调制技术( m c 峋， 基本原理 是将总的信道带宽分成 n个带宽相等的子信道海个子信道上单独通过各自 的子载波调制各自 的信息符号， 并且各符号具有相同的符号间隔， 相邻子信 道载波间隔等于有用符号间隔的倒数， 从而保证各个子信道间频谱相互重叠 正交。它是频带利用率最高的m c m形式， 可通过if f t和f f t实现快速调 制和解调。 如果再插入周期头， o f d m将会把所有多径信号由干扰变为有用 信号，这也就是o f d m的时间分集性。而当o f d m和信道编码从频域方向 结合， 就会产生频率分集。 但是， o fdm对载波频率偏移和相位噪声比较敏 感，而且峰均功率比 ( 刊 j 田 ) 较大， 因 而实 现比 较复杂. 2 )直 接 扩 频 序列 是一 种 码 分 多 址 ( c ed e d i vi s ionm u l ti p l ex inga cc e s s : c d m a ) 6 接入方式，每个分集分配一个pn 码，这些p n码之间有很好的自 相关和互 相关 特性。 d s 一 c d m a的最大优点是抗窄带干扰能力较强， 能抑制多径干扰， 而且能够和 r 止 e 接收技术相结合，提供更高的分集增益，而最大缺点则是 频带利用率较低， 而且需要设计全新的散射通信系统， 难以保证现有系统向 新一代对流层散射通信系统的平滑过渡。 3) 多 载 波 扩 频 7 ， 1 3 将o f d m和c d m a 技 术相 结 合， 降 低了 射频 带宽， 提高 了 信息 速率， 有效抑制信息 码间 的 干 扰a s d 和信道间 干 扰a c d ， 对于散射通 4 硕 士论文 离速率对流层敬射通信的合并技术研究 信较强的频率选择性衰落有较好的改善作用。 但是，多载波扩频需要进行多 路正交频率调制， 故对收发设备频率合成器提出了 较高要求， 发信时各支路 均需扩频， 收信时各支路要进行相关解扩， 使收发设备的结构复杂度明显增 加，体积增大。 4) 单载波频域均衡8 ， 9是宽带无线通信中 消除1 51的一种有效技术。 它基于单 载波调制技术，因而不存在 o f d m 的载波频率频移敏感和峰均功率比偏高 等问题。同时， 它把信息以 块为单位进行传输， 在每个数据块前插入循环前 缀( c p)， 能够有效消除 块间 干扰。 它利用 f 曰 技术，快速地把时 域信号变换 到频域上，利用单加权系数频域均衡器，实现了低复杂度的均衡，同时和判 决反馈( df) 技术相结合，能够最佳的消除多径干扰【 1 0。 从以上分析可知， 单载波频域均衡技术是实现稳定可靠的宽带对流层散射通信的 有效技术，把它和现有的窄带通信的分集技术相结合， 能够有效的克服1 51和多径效 应引起的深衰落等问题， 且计算复杂度小， 能够从现有系统平滑地过渡到高速率散射 通信系统。同时， 把自 适应技术加入进来， 可以解决由于车载设备的移动引起的信道 时变性， 实现高速稳定的对流层散射通信， 因而基于这三种技术的自 适应频域分集合 并与均衡技术， 在宽带移动散射通信具有很好的应用前景， 本文将在后面的章节中对 它进行详细的研究。 1 . 3本文主要内容和结构安排 本论文主要围绕“ 如何稳定可靠地提高对流层散射通信的传输速率” 而展开研究， 分别对窄带散射通信系统、 中等传输速率散射通信系统和宽带散射通信系统提出了一 些新的改进算法，能够有效提高系统的性能，满足不同散射通信业务的要求. 本论文的主要研究内容和章节安排如下: 全文共分为六章。 第一章介绍了对流层散射通信的发展概括， 综述了高速率对流 层散射通信的一些备选的关键技术，指出了 本文的主要研究对象和选题意义。 第二章是本论文的一个工作基础， 全面研究了对流层散射信道的统计特征。 首先 简要介绍了散射通信的传播机制， 分析了散射通信的传播路径损耗， 给出了年度损耗 计算公式， 然后讨论了 信道慢衰落的特点。 重点 研究了由多径效应引 起的信道的 频率 选择衰落和相对移动引起的时间选择性衰落， 对于频率选择性衰落， 给出了相干带宽 和多径延迟扩展的关系， 同样的， 对于时间选择性衰落， 给出了相干时间和多普勒扩 展之间的关系， 这些对后面章节的分析具有重要的指导意义。 最后， 给出了散射信道 的离散时间 模型，为散射通信系统的 构建建立了 信道基础。 第三章 研究了窄带散射通信系统的 最大比 合并算法， 推导出最大比 合并的加权系 数为各支路的复信道增益的共扼， 这符合匹配滤波器理论， 因此能取得最大的输出信 绪论硕士论文 噪比， 与传统的依据各支路信噪比 进行合并相比， 算法更加简单。 为了满足不同散射 通信业务的要求和降低最大比合并的计算量， 提出了一种基于信嗓比门限的最大比合 并算法， 这种算法根据接收信号信嗓比的概率密度函数和用户的不同要求， 相应地调 整门限值，选择信噪比高于门限的支路进行最大比合并，能在保持系统性能的同时， 有效降低系统的计算量。 第四章针对中等传输速率对流层散 射通信系统面临的1 51和信道深衰落等问 题， 根据最小均方误差准则， 推导了一种时域分集合并与均衡联合算法， 这种算法把各支 路信号经过信道匹配滤波后合并， 对合并后的信号进行联合均衡， 在使得输出 信噪比 最大化的同时， 有效地消除系统的符号间 干扰， 这样可以 把现有的窄带系统升级到兆 比特通信系统，且具有稳定可靠的性能。 第五章结合用户对多媒体通信的需求， 把单载波频域均衡技术引入宽带对流层散 射通信系统中来， 提出了 一种频域分集合并与均衡联合算法， 这种算法把信号在频域 最大比合并后进行联合均衡， 在最大化输出 信噪比的同时， 有效地消除了系统的符号 间干扰。 由于合并和均衡都在频域进行处理， 所以 对于宽带信号， 这种算法计算量小， 实现简单，能够把散射通信的传输速率提高到十兆比特每秒以上. 第六章是本论文的结论部分， 总结了论文的全部工作和主要贡献， 并指出了进一 步研究方向。 硕士论文 高速率对流层散射通信的合并技术研究 对流层散射信道 各类信号从发射端送出之后， 在到达接收端之前经过的所有路径， 我们统称为信 信道对传输信号产生的影响， 是各类通信系统接收机设计时必须考虑的一个关键 2.道 因素。 其中， 如果传送的是无线电信号，电磁波传送所经过的路径， 我们特别称为无 线 信道。 无线信 道可能是很简单的 直线( 目 视) 传播( line ofsi gh los)， 也可能 会 被不同的因素所干扰， 例如信号经过大气层、 建筑物、山丘或者树叶反射而产生多径 效 应( m ul ti p ath e 伤 比 t ) ， 多 径效应会造 成信号电 平的 起伏， 最大 和最小可以 相差 30到 40 db: 此外， 发 射端和接收端的 相对 移 动， 会使信 道产生多普勒 效应( doppl ere 任 即 t ) ， 从而使得信道的特性随时间而改变， 增加了 信号的 不确定性。 对于无线通信系统而言， 因为传播路径的多径性和时变性， 无线信道的特性便在接收机设计中， 扮演着非常重 要的角色。在无线通信系统中，无线信道通常用它的统计特性来进行研究和分析。 在本章节中， 首先介绍了对流层散射的 传播理论， 然后重点分析了 散射信道的传 播特性，最后给出了散射信道的离散模型。 2 . 1对流层散射传播理论 人们很早就知道， 超短波、 微波不可能像短波那样， 借助于电离层反射做超视距 传播，因为电离层对它来说几乎是透明的. 凭借沿地球表面的绕射， 超短波、 微波也 不可能超出视距太多， 因为其球面绕射衰减随距离加长而加剧的非常之快。 正因为如 此，人们曾 误认为超短波、微波只不过是一种 “ 近距离作用波” 。 但后来人们在大气 波导传播的 试验研究中， 发现了超短波、 微波超视距传播的现象。 大气波导虽然能导 致超短波、 微波的远距离传播， 但它是不稳定的也不是经常出 现的。 然而， 实测表明， 所接收的场强比 较稳定，尽管在视距之外接受信号电平微弱， 但在任何时间均存在。 虽然测得的场强伴随着不间断的和无规则的变动， 即存在衰落现象， 但场强的平均值 很稳定。 进一步的试验研究证实， 这就是对流层的超视距远距离的散射传播现象， 利 用它来实现远距离的超短波、微波通信具有十分重要的意义。 对于对流层散射传播的具体机制， 多年来众说纷纭. 到目 前为止， 已经提出的机 理大体是三种， 即湍流非相干散射理论、 不规则层非相千反射理论和稳定 层相干反射 理论 习。 1 、湍流非相千散射 湍流非相千散射理论是布克等人提出的。 这种理论认为， 对流层传播缘于对流层 中的 湍流运动。 由于空气粘滞性小， 对流层经常存在着湍流运动， 从而， 其中充满着 漩涡。 每一 个漩涡都是一个介电常数局部不 均匀体， 在电 波照射下， 它变成一个偶极 对流层敞 射信道硕士论文 子， 将入射电 磁能量向四面八方辐射。 于是，电 波到达该偶极子所能“ 看见” 但电 波 发射点 所不能“ 看见” 的超视距范围。 电 磁能量的这种向四面八方的再 辐射， 即谓“ 散 射”， 相应的偶极子 ( 即局部不均匀体) 称 “ 散射体”。对任一固定的接收点来说， 其接收场就是其与发射点双方都能“ 看见” 的那部分空间， 即所谓“ 公共体积”中的 所有散射体的总贡献。 由于湍流运动的特点， 散射体是随着运动变幻的， 它们之间在 电气性能上应是相互独立的， 或者说是互不相干的，因而， 所有散射体的贡献按功率 相加.当散射体位于离地面10公里的高度时，其传播距离可达7 00公里以上，当考虑 对流层折射作用时，则超过8 00公里.这就解释了对流层远距离散射传播的现象。 ( a)( b )( c ) 图 2 . 1 . 1 三种散 射过程示惫图 ( a )湍流非相干散射;( b) 不规则非相干反射;(c) 稳定层相干反射 2 、 不规则层非相干反射 在对流层中经常出现不同 程度的云层， 有时， 冷暖空气团在某处交汇。 在云层的 边际和冷暖空气团的交接面上，由于温度、 湿度和压力的变化急剧， 折射指数的变化 比较剧烈， 从而形成一种锐变层。 这类锐变层强度不等， 形状不一， 位置、 取向极不 规则， 不断变幻， 并随气流不断移动. 非相干反射理论认为: 这类不规则层对电波的 非相干性部分反射， 就是电波超视距对流层传播的原因。 这里所谓“ 非相干” 是指这 些锐变层间在电 气上可以认为是彼此独立的，它们对接收场的贡献按功率相加。 3 、 稳定层相千反射 这种理论认为， 电 波超视距对流层传播起因于介电常数随高度变化而较稳定的非 线型分布. 在此分布情况下， 公共体积中的介质可以按高度连续分成一系列薄层: 一 层相对于一层的 介电 常数都有所变化， 因而， 每层都能对电 波进行部分反射; 各反射 分量间 有确定的相位关系，他们在接收点的相干叠加即为接收场。 实际上， 在对流层介质结构中， 既有相对稳定的 成分， 也有随机变动的成分; 既 有渐变层结构， 也有锐变层结构， 还经常存在着湍流结构. 如此， 上述三种机制实际 上应该都是存在的， 对流层散射传播一般应是三者共同作用的结果。 我国科学家张明 高院士 对国内 外对流层散射传播的理论研究和试验结果进行了全面的分析和总结， 提 硕士论文高速率对流层散射通信的合并技术研究 出了 广义散射截面理论模型， 这种模型与试验数据比 较吻合， 一直被国内 对流层散射 通信系统设计所采用。 2 . 2对流层散射传播特性 无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约。 发射机和接收机之间的传播路径 非常复杂， 从简单的视距传播，到遭遇各种复杂地物，如云层、建筑物、树木等。因 此无线信道不像有线信道那样固定并可预见， 而是具有极度的随机性， 特别难以分析。 在无线通信系统中， 无线信道通常是利用信道的统计特性来分析和建模的。 一般而言， 无线信道的统计特性包括: 传播路径损耗、 慢衰落特性和快衰落特性， 它们在一个无 线信道中是同时存在的。 2 . 2 . 1传播路径损耗 一般而言， 接收信号的功率或者传播路径的 损耗， 是与许多因素有关的一个随 机 变量， 任一接收点的信号电 平或相应的传播损耗均随时间而改变。 关于对流层散射信 道的传播损耗， 国内外都进行了 不少的工作， 积累了大量的数据和统计资料， 得出了 一些具有普遍意义的结论【 1 1 。 1 、散射传播损耗与距离的关系 散射传播损耗是距离、 频率、 地区和季节等许多因素有关的函数。 而其中散射传 播损耗随距离的 变化最为明显。 根据统计规律来看。 在距离为1 004 00公里范围内， 每增加一公里散射传播损耗就增加0 . 08分贝，其中值可用下式来估算: 与 = 5 2 + 0 o 8( d 一 1 (x) 分贝( 2 . 2 . 1 ) 而当距离大于5 00公里时，散射传播损耗随距离增大而增加的速率减慢了，且距离愈 长时，散射损耗的增加速率愈慢。 2 、散射传播损耗与频率的关系 一般地说， 散射损耗是随频率的增加而加大的， 这是因为在前向散射情况下， 接 收点通常都位于散射方向图的半功率角之外， 频率愈高， 则散射体的辐射方向图愈尖 锐，因而能到达接收点的散射能量就愈小， 也就是散射损耗愈大。 观测数据表明， 传 播损耗随频率的变化不甚显著， 例如当 频率由 一千兆赫增至四 千兆赫时， 散射损耗只 增加约5 分贝，在某些情况下，甚至与频率无关。 3 、散射传播损耗与时间的关系 散射传播损耗与季节的变化有关， 从观测数据得到的结论是: 一年内散射传播损 耗的 季变化幅度约为1520分贝。 对北半球而言， 冬季的传播损耗大于夏季。 对流层散射传播损耗同 样也存在日 变化。 这种日 变化随季节而变， 一般在夏季的 9 对 流 层 散 射 信 道、.一 _硕 士 论 文 变化大， 冬季的变化小， 但总的说来其变化幅度随短波传播时要小， 故无需要昼夜改 变工作频率，只要在设计线路时留出一定的衰落余额即可。 4 、天线介质祸合损耗 由 于发射信号的各个分量在传播过程中的路径不同， 到达接收天线时的相位也就 不同， 使得在接收天线口 径面上的波前不再是平面波， 导致天线的口径面积利用系数 降低.同时，由于天线口径加大， 方向性增强， 天线波束变窄， 从而使有效散射体积 变小， 因而接收点的场强减小。 此外， 在散射传播情况下，电波是从各个方向到达接 收天线的， 显然不像在自由空间传播时电波仅从最佳方向到达有利。 因此， 总的说来 上述各种因素就要使天线的实际增益降低，而且理论增益愈大则下降愈多。 5 、大气吸收损耗 实际的对流层大气不能认为是理想的介质， 尤其当电波的频率提高时， 大气的吸 收损耗变得明显起来。 大气中的各种气体和雨雾等对电 波的吸收作用， 主要有两个原 因引起的:一是谐振吸收:二是微粒散射。 多年来，我国电波传播研究部门关于对流层散射传播进行了理论研究和试验观 测， 积累了大量的数据， 从一般的对流层散射传播理论出发， 提出了比较适合我国地 理条件和实用的年度传播损耗【 1 幻，其表达式为 l ( 叮 ) = m+ 3 0 l g f + 1 0 lg d + 3 0 19 夕 + n ( h ， h ) + 几一 c ( q ) y ( 9 0 )( 2 . 2 . 2 ) 式 中:l( 的 q %时间内 的 传播损耗( q 50) ， db; f 频 率， 川: : d 路径长度，iha; 夕 最小散射角，即收发无线电地平线间的夹角，毫弧度; n ( h ， h ) = 2 0 1 9 ( 5 + 少 万 ) + 4 .3 4 3 劝( db)( 2 . 2 . 3 ) h= 1 0 一 3 d 6 / 4( 际)( 2 . 2 . 4 ) h = 1 0 币 夕 一 气 / 5 ( 枷)( 2 . 2 . 5 ) 气 等 效 地 球 半 径， 恤; lc 天线介 质祸合损耗， db; 人= 0 0 7 e x p 0 0 5 5 ( q+ gt) 1 g.，q 分别为 收 发天 线增益， dbi ;( 2 . 2 . 6) m气象参数因子，db: 1 0 硕 士论文 高速率对流层胜射通信的合并技术研究 r 大 气 结构 参数，km一 ， ; c (q ) 表征正态分 布斜率， 为q 的函 数; y (9 0)一5 0 %和90%的传播时间损耗差。 db。 2 . 2 . 2慢衰落特性 传输信号随时间的起伏叫做衰落， 这种变化具有随机的性质。 接收点信号电平的 随机变化起伏， 有几分之一秒到几分钟内的很短期的变化， 也有以昼夜、 月、 季和年 为周期的长期变化，前者我们称为快衰落，后者就是我们这一节所要介绍的慢衰落。 慢衰落特性是传播可靠度设计的依据【 1 ， 14， 巧， 1 6 。 慢衰落的表现形式为短期信号电平中值的逐时、 逐日、 逐月和逐年变化。 在一天 中， 信号电平最强的时间一般在午夜和早晨， 最弱的时间一般在1218时之间， 且昼 夜变化幅度与距离有关， 距离远的幅度较小。 一个月中， 日 到日的电平变化一般在3 4db 以内，但最大的高达2 1db ，逐日 变化幅度达2 6d氏 慢衰落产生于气象气候条件的变化.信号电平中值取决于折射率n 及其梯度 dn/dh 的变化， 取决于湍流起伏强度( n ) ， 和大气分层状况等。 而这一切均取决于气 象气候条件。由 n 、d n / db等与温度、湿度和压力的关系及某些气象变化规律看，有 两种趋势对信号电平是有利的， 即温度呈上部升高或者下部降低趋势， 湿度呈上部降 低或者下部升高趋势。 在北半球，由 于水汽蒸发情况不一样， 夏季地面比 较潮湿， 冬 季地面比较干燥， 而高空湿度冬夏变化较小， 因此， 夏季湿度的下高上低程度比冬季 强烈， 从而， 信号电平一般冬强夏弱。 在一天中，白 天在太阳照射下， 地面先于大气 受热， 对流层温度下高上低的程度较强烈， 下午两三点钟尤其如此。 而在晚上， 情况 正好相反。因此，信号电平一般晚上和早晨强， 下午两三点钟弱。此外， 慢衰落也和 气候区有关， 与大气运动状况、 地理位置和地形影响等情况密切相关， 热带、 温带和 寒带情况各不一样， 海洋性气候区和大陆性气候区大不一样， 海上与陆上、 平原与山 地也不一样。 慢衰落一般通过其统计分布描述。 经过对大量的实测数据进行分析表明， 慢衰落 的信号电平符合对数正态分布，即信号电平的对数服从正杰分布，形式为: p(x ，一 “ x x)= 斋加- ( x 一 ) ， ， _2 2 口 ( 2 . 2 . 7 ) 其中 ， x 为 接收 信号电 平的 对 数， x.为 信 号电 平中 值的 对 数， 口 为 标准 方 差。 相 应的 分布密度为: 对流层散射信道硕士论文 p ( x ) 万荔 _ ( 二 一 x- ) ， 1 c x p万 一- - : 尸 飞 一一犷 t 叮一 j ( 2 . 2 . 8 ) 2 . 2 . 3快衰落特性 快衰落是指对流层散射信号在短时间或短距离内 其幅度快速起伏， 以 至慢衰落的 影响可以 忽略不计。 这种衰落是由 于同一传输信号沿着两个或者多个路径传播， 以 微 小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的， 这些波称为多径波。 接收机将它们合 成一个幅度和相位都急剧变化的信号， 其变化程度取决于多径波的强度、 相对传播时 间，以及传播信号的带宽。 散射信道的多径性， 导致快衰落的产生， 主要表现在三个方面: 多径传播时延引 起的 扩展; 在不同多径信号上. 存在着时变的多普勒频移 ( d 叩p l ers h ift s) 引起的 随机频率调制; 信号强度在短时间 或短距离内的急剧变化【 1 7 ， 1 8 ， 1 9 。 本节将对这些 快衰落效应进行分析和研究。 2 . 2 . 3 . 1由多径传播引起的时延扩张 1 .多径传播效应 当无线信号由发射端送出，被对流层散射后，经过不同的路径到达接收端 20， 21 。由于各个传播路径的环境不同，信号将会遭受不同程度的衰落和时延，我 们以图 2. 2 . 1 来表示脉冲信号在经过多重路径之后，幅度和延迟所产生的变化。 叹 力 卜 份一 尸 工厂 乙r，几 土一 上 一: 肠屯寿一 1 图2 念1 接收信号受多径效应影响的示意图 在 图 2. 2. 1 中 ， 我 们 用t : 、 几 、 ， 介 、 _ : 来 表 示 脉 冲 信 号 经 过 不 同 路 径 到 达 接 收 端 时 所产生的延迟， 由 于传播路径的长短不一， 因此到达接收端的时间也不一样， 如此 便造成了 多径效应。 多径效应主要是 造成接收信号在时间 上的 扩散效应， 所以 接收到 的 信号时间长度， 会比 发射信号的时间长度来得大， 这便是所谓的时散效应. 图2. 2 . 1 硕士论文高速率对流层散射通信的合并技术研究 中不同路径延迟的差距足够大， 接收机便可以清楚的分辨出来， 这些路径称为可分辨 的。 但是， 有时会有两个甚至多个以上路径的信号几乎是同时到达接收端， 对接收机 来说， 看起来就像是同一个路径的信号， 这些路径就是无法分辨的。 而这些无法分辨 的信号所叠加而成的接收信号， 其振幅是一个瑞利分布的随机变t， 这一点我们将在 后面详细的阐述。 2 . 延迟扩展及延迟功率谱 延迟扩展是用来描述在时域上， 由多径所造成的信号波形扩散效应， 简单来说就 是， 由 发 射端送出的 一 个脉冲信 号， 如果信 道的 多 径效 应造成几 个可分辨的路 径， 所 以在接收端会收到来自 不同路径却包含相同信息的信号， 每个可分辨路径的信号都有 特定的延迟，这就是延迟扩展. 通常，基带信号的信道脉冲响应可以表示为: h (t ， : ) = 艺 马 (t ， r ) e 五 ， ，j. rl “ 以 “ )l 占 ( r 一 朴 ( ， ) ) ( 2 . 2 ， 9 ) 式中 ，1 表示的 是 第1 个 可分 辨的 多 径 信号，马 (t ， 约 表示 在时 间 为t 、 延迟为: 时 的 振 幅 ，叽 (t)则是 相 对延 迟，2 二 fc 袱0 + 碑 (t)则 是 代 表 相 位偏 移， 这 里 所谓的 相 对延 迟是 指每一个路径实际的延迟减去第一个路径的延迟。 通 常， 我 们 把相 位偏 移 2 二 关 气 (t)+ 碑 (t)用乓 (t ， 约来表 示， 材 (t ， 幼代 表的是 第1 个 可分辨路径信号所有的相位偏移量。 如果信道的脉冲响应是非时变的， 或是在一小段 时间 ( 距离)之内，信道的统计特性是广义平稳的，则式 ( 2 . 2 . 9) 可以简化为: h(r卜艺ate 勺( 卜动 ( 2 . 2 . 1 0 ) 对于某一给定的信道模型，信道的延迟功率谱，便是在一个时间间隔内计算 !h(t ， 邮对 时 间 的 平 均 值 。 因 此 信 道 的 延 迟 功 率 谱 p( 灼 便 可 以 定 义 如 下 : p ( r ) = 小(t ， r )，( 2 . 2 . 1 1 ) 式 中 ， 横 杠 代 表 h (t ， 咧 ， 在 一 个 时 间 间 隔 内 的 平 均 值 ， 而 增 益 k 和 发 射 及 接 收 信 号 的 功