【网安学术】短波通信中地表反射损耗的分析和建模

原标题:【网安学术】短波通信中地表反射损耗的分析和建模

散射通信是指利用对流层及电离层中的不均匀性对电磁波产生的散射作用,进行的超视距通信。分电离层散射通信,对流层散射通信和流星余迹通信。经过散射的电波能量向多个方向发送,在超视距远方接收点的信号能量将很微弱并有衰落现象,因此在散射通信系统中需要大功率发射机、高增益天线和高灵敏度接收机,并采用分集接收方式。

有线通信与无线通信
  1. 传输介质
    按传输连接方式:

有线通信系统,需使用物理介质进行信号传输
使用的传输介质有金属导体和光导纤维
金属导体(双绞线、同轴电缆),利用电流传输信息
光导纤维(简称光纤),通过光波传输信息
无线通信,在自由空间进行信号传输,使用电磁波传
输信息。如微波、卫星、移动等。

摘要:在短波通信过程中,地表的物质组成不同和地形起伏会导致电磁波在地表反射时产生损耗,同时反射角度发生巨大变化。针对地形变化的不同情况,建立基本的平面与起伏面模型,并衍生出海浪模型和山地模型,结合基本模型计算得到平地、山地、平静海面与汹涌海面等不同反射表面情况下信号频率、仰角和反射损耗之间的相互关系,进而分析不同地表特性对短波通信的影响。

中文名:散射通信

双绞线和同轴电缆
  • 原理:利用电流(电压)传输信息

双绞线分类
3类线(10 Mb/s);5类线(100Mb/s); 6类线(200Mb/s)  无屏蔽双绞线
(UTP);屏蔽双绞线 (STP)

  • 常见应用:电话系统(模拟信号),局域网(数字信 号)

0 引 言

外文名:scatter communications

光导纤维(光线的入射角足够大时,就会出现全反射,重复 此过程,光就沿着光纤传播下去)。
  • 光纤的优点
  • 优点: 1. 传输频带非常宽,通信容量大
    抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强,适应能力强
  1. 传输损耗小,中继距离长
  2. 无串音干扰,保密性强,不易被窃听或截取数据
  3. 体积小、重量轻、便于施工维护
  • 缺点: 精确连接两根光纤比较困难

短波是指频率范围在3~30
MHz的电磁波。由于电离层对该频段的电磁波吸收较小,有利于电离层的反射,因此通常采用天波形式进行传播。短波通信过程中,电磁波由发射塔发出,经电离层和地表的多次反射进行传播,覆盖范围非常大。因此,短波通信是目前最精准可靠、广泛覆盖的通信方式之一。然而,在短波信号传播过程中,由于地表特性的差异,造成电磁波不同程度的传输损耗,导致传输距离和传输效果出现较大差异。地表反射对传播的影响一直是短波通信中的研究热点,在中远距离军事通信、抗震防灾等通信中发挥了重要作用[1-4]。本文从不同地表的物质组成和几何特性两方面来表征其反射特性,量化得出不同地表的反射损耗典型值,建立海面和地面两种不同地表的反射模型,进一步分析起伏面与平面对电磁波传播造成的影响,深入探讨了不同地表特性对电磁波传输损耗以及最大通信距离的影响。

应用学科:通信

无线通信
  • 原理:模拟信号或数字信号使用电磁波调制 后进行传输
    中波:沿地面传播,绕射能力强,适用于广播和海上通信;
    402com永利1站,短波:具有较强的电离层发射能力,适用于环球通信;
    超短波、微波,沿地面传播能力差,容易被洗掉,
    容易透过电离层,进入宇宙空间,不宜在电离层发
    射传播,但频率极高,波长很短,可直线传播,也可从物体上反射。适用于地面微波接力通信、卫星通信及对流层散射通信。
  • 微波通信
    微波: 频率(300MHz~300GHz) 波长为1米至1毫米
    微波具有类似光波的特性,主要是直线传播
    地面会很快吸收微波,微波会穿透电离层

特点

  • 直线传播,不能沿地球表面传播(无绕射性),需要每隔几十公里设立一个中继站
  • 容量大、可靠性高
  • 建设费用低
  • 抗灾能力强
    应用:长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视(HDTV )等
    微波通信方式
    (1)地面微波接力通信
  • 利用人造地球卫星作为中继站 转发无线电信号,实现两或多个
    地球站之间的通信。 是微波接力通信技术与空间技 术相结合的产物。

(2)卫星通信

  • 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的一 种微波通信
    优点:通信距离远、频带宽、容量大、 抗干扰强、通信稳定
    缺点:造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗
  • 卫星通信的重要应用——GPS

1 天波传输中的损耗

历史

20世纪50年代初,美国提出了建立对流层散射通信系统的设想,并于50年代中建立了对流层散射通信电路。中国于50年代中期开始研究对流层散射传播问题,60年代初研制模拟对流层散射设备,70年代开始研制数字对流层散射设备,并陆续建站投入使用。20世纪60年代初,美国建立了电离层散射通信电路。但由于电离层散射通信的容量很小,发射功率却要求很大,因而限制了它的发展和应用。

传输介质的类型与特点

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当以天波形式进行短波通信时,电磁波通过多跳的方式从发射点传输到接收点,在传输过程会产生能量损耗。这些损耗由多个部分组成,包括电磁波自由空间传输损耗、电离层吸收损耗、地表反射损耗和极区损耗等。传输路径损耗计算表达式为[1]:

定义

散射通信是一种超视距的通信手段,它利用空中介质对电磁波的散射作用,在两地间进行通信。对流层、电离层、流星余迹、人造散射物体等都具有散射电磁波的性质。如果发射机发出的电磁波辐射到这些地方,就会向各个方向散乱地辐射出去,其中朝斜前方向射去的电磁波能达很远的地方。远处的接收机,如果有足够高的灵敏度,就能将散射来的微弱电磁波接收下来,从而实现通信。


移动通信
  • 个人移动通信
    处于移动状态的对象相互间的通信,如手机、无绳电话、寻呼系统等。
    优点:克服通信终端位置对用户的限制,快速和及时地传递信息。
    蜂窝移动通信系统一般由移动台、基站和移动电话交换中心三部分组成。
  • 蜂窝移动通信原理
    每10km~20km的区域称为单元(形似
    蜂窝),单元的中央建有一个基站,该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号
    所有单元既相互分割,又彼此有所交叠 ,连成整个移动通信服务网
    所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信
    手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下,通话时使用两个频率(一个上行频率,一个下行频率),同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信,相互不影响
    每个蜂窝单元中有200 多个信道(GSM)。

相邻单元不允许使用相同的频率,不相邻单元的频率允许重用

其中,Lb 是电磁波自由空间传输损耗,Li
是电离层吸收损耗,Lm 是高于基本最大可用频率损耗,Lg 是地表反射损耗,Lh
是极区损耗,Lz 是其他损耗,Gt
是天线增益。本文主要研究自由空间传输损耗和地表反射损耗。

特点

由于散射通信中电磁波传输损耗很大,到达接收端的信号很微弱,为了实现可靠的通信,一般要采用大功率发射机,高灵敏度接收机和高增益、窄波束的天线。

利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用进行的超视距通信。根据散射媒质的不同,散射通信一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。通常所说的散射通信大多是指对流层散射通信。

在对流层中由于大气的湍流运动产生了具有各不相同的介电常数的湍流团,当无线电波照射到这些不均匀的湍流团时,就在每一个不均匀体上感应电流,成为二次辐射体,从而向各个方向发出该频率的二次辐射波,这就是散射现象。对流层散射通信就是利用这种现象而实现的超视距无线电通信。由于对流层散射现象在200~8000兆赫频段比较显著,所以对流层散射通信主要工作在这个频段内。

并且散射通信可以进行超视距通信,距离100~300km,容量为十数路至数十路;不受核爆炸、太阳黑子、磁暴和极光等影响。可跨越海湾、无人烟地区;保密性强,稳定可靠,具有一定抗毁性;便于机动应急架设。在军事通信中广泛应用。


个人移动通信(手机)的发展
  • 第一代:模拟技术,使用频段800/900MHz,称为蜂窝模 拟移动通信系统
  • 第二代:采用GSM、CDMA技术传输数字信号,使用频段900MHz/1800MHz
  1. GSM
    (全球移动通讯系统)技术指标:每个移动站点使用一个全双工信道,每个蜂窝有200多个全双工信道,有124
    个下行频率信道和124个上行频率信道,每个信道采用时分复用技术支持8个独立连接。GSM采用时分多址技术。
    GSM系统有几项重要特点:防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。
  2. CDMA (码分多址技术) CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送
    的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信
    号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,
    把带宽信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实 现信息通信。
  • CDMA特点:抗干扰能力强、系统容量大、具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、
    电磁辐射小、覆盖广等特点,可以大量减少投资和降低运营成本。
  • GPRS
    GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称
    。它是GSM移动电话用户 可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延
    续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。
  • 第三代移动通信系统(3G)
    第2代移动通信的不足:
    (1)数据传输速率过低(9.6kb/s或57kb/s),仅可传输语音和文字
    (2)容量有限,不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。
    (3)不能实现覆盖全球的无缝连接
    3G的目标: (1)提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信
    (2)提供足够的系统容量,具有高保密性和优质的服务
    (3)地面移动通信与卫星移动通信相结合,实现全球漫游
    使用的频谱:1885 MHz 2025MHz,2110MHz2200MHz
    传输速率:室内:2Mb/s,步行:384kb/s,快速移动:114kb/s
  • 第三代(3G):使用频段2GHz
    3G技术标准: TD-SCDMA(中国移动采用) (时分-同步码分多址接入)
    ,自主知识产权
    ** CDMA2000(中国电信采用)**
    **WCDMA(中国联通采用) **
  • 3G目标:
    全球漫游: 适应多种环境:与卫星移动通信系统结合
    提供高质量的多媒体业务:语音、数据、图像等
    提供足够的系统容量,具有高保密性和优质的服务。
  • 4G
    第四代移动电话行动通信标准,指的是第四代移动通信技术,外语缩写:4G。该技术包括TD-LTE和
    FDD-LTE两种制式
    4G能够以100Mbps以上的速度下载。可以在DSL
    和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。很明显,4G有着不可比拟的优越性。
    优点: 通信速度快、网络频谱宽、通信灵活

1.1 自由空间传输损耗

电离层散射通信

电离层散射通信是利用85~100km高度的电离层作作散射通信,其特点是不受电离层扰动的影响,尤其适合高纬度和跨极光区的通信。可用频率为40~50MHz。通信容量类似短波通信,只能通一个话路。其设备十分庞大,费用昂贵,很少使用。

自由空间传输损耗是指电磁波经天线发出后,在自由空间中传输因几何扩散引起的能量损失。设P
为发射功率,在有效传播路径r 处,功率通量密度为,接收总面积为,接收到的总功率为,则自由空间传输损耗可表示为[5]:

对流层散射通信

地球大气层一般分为电离层、平流层和对流层。对流层是大气层的最低层,其下界与地面相接,上界即对流层顶(与平流层的交界处),一般定义为温度不再随高度增加而下降之处,中纬度地区平均高度为10~12km,低(高)纬度地区较高(低)些,且一般夏季高于冬季。对整个大气圈而言,对流层只是很薄的一层,但它集中了90%的大气质量,主要天气现象如风雨、雷电、云雾等都发生在这一层。

对流层散射通信是以存在于离地面数公里到20km对流层中的不均匀气团为散射介质的散射通信。最远通信距离可达800~1000km,可用频率为100MHz~10GHz。我国在20世纪50年代中期就进行了散射传搞试验,60年代初进行了多条对流层散射电路试用,70年代建立了全部采用数字话路的对流层散射通信系统。

对流层散射的传输损耗和衰落起伏都很大;与视距通信不同的是,传输损耗同频率的三次方成正比,且随散射角(发射与接收天线波束的夹角)的增加而增大,通常每增加1度,损耗约增加10dB,传输损耗又随大气折射系数的增加而减少。

由图1中天波单跳传输示意图中的几何关系,可得电磁波传播的有效路径r

优势

对流层散射通信的优点是,通信距离远,单跳距离一般约300公里,多跳转接可达数千公里;不受核爆炸和太阳耀斑的影响,传输可靠度高,一般可达99~99.9%;通频带较宽,可达10兆赫以上,能实现多路通信,可以传送电话、电报和数据等。

其缺点是,传输损耗大,且随着通信距离的增加而剧增,因而要用大功率的发射机、高灵敏的接收机及庞大的天线,故耗资大。散射信号有较深的快衰落,其电平还受散射体内温度、湿度和气压等的影响,且有明显的季节和昼夜的变化。其衰落程度通常夏季比冬季强,早晚比中午强。为了克服或减小快衰落的影响,常采用分集接收等技术。对流层散射通信主要用于建立战略、战役通信干线。

在地球上空75~90公里的电离层中电离密度的不均匀体,对入射的超短波电波能产生散射作用,利用这种散射信号进行的超视距无线电通信,称为电离层散射通信。电离层散射通信最适用的频段是35~60兆赫,基本上不受核爆炸和太阳耀斑的影响。它的通信距离较远,单跳距离可达1000~2000公里。但它的通频带很窄,通常为2~3千赫,因而通信容量很小,一般只用于电传报通信。信号也存在快衰落现象,信号电平也有季节和昼夜的变化。


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发展趋势

(1)由于散射信道存在衰落与时延,其通信容量受到限制,但分集技术与信号处理技术的发展,使数字通信的速率得以提高,20世纪80年代国际上达12Mbit/s,我国为4Mbit/s,可靠性达99%以上。

(2)为适应时变信道的特点、充分利用多径传输的能量,研究新的调制解调技术和编码技术,以获得最佳的分集效果和克服信息码间的干扰。

(3)研究各种自适应技术,以适应信道的变化,并用于机动式散射设备中。

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通过MATLAB计算可得出图2。可见,随着仰角的增大,电磁波传播的有效路径长度逐渐减小。

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由式(3)可以推导,沿地球表面实际传输的距离D
为:

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1.2 平坦地表反射损耗

经由电离层反射的电磁波再次反射到地球表面时,由于地表的物质组成不同,会导致传输过程中反射和损耗的极大差异。

由菲涅尔公式可得,当电磁波射到介质平面时,会发生反射和折射现象。短波通信中,入射到地表的电磁波大部分被反射,小部分发生折射。假定电磁波能量在水平极化和垂直极化均匀分布,则电磁波传输过程中的地表反射损耗为[3]:

其中,RV 为垂直极化反射系数,RH
为水平极化反射系数。

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式中:

可以看出,不同的相对介电常数和电导率
所造成电磁波传输过程中的地表反射损耗程度不同。例如,海水的盐分会对电导率有较大影响,泥土的含水量不同会导致相对介电常数和电导率的较大差异。表1为几种常见的地表介质的介电常数与电导率。

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根据表1中的参数,假定平静海水,,平地,,利用式(5)~式(8),借助MATLAB可计算得出天线不同仰角情况下的平静海面和平坦地面的反射损耗,如图3、图4所示。可以看出,当发射塔发射天线的仰角增大时,平静海面的衰减减少,而平坦地面的衰减增大,平静海面的衰减远小于平坦地面衰减。可见,物质组成特性对短波通信的影响显著。

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1.3 起伏地表反射损耗

很多情况下,电磁波经由电离层反射到地表并不是理想的平静海面或平坦地面,往往是一种起伏面结构,而不同的起伏面呈现出更多不同的反射特性。当地表为起伏面时,短波从电离层反射到起伏地表,如图5所示。

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