關(guān)于短波電離層反射信道的調(diào)研報告摘要電離層反射傳播是短波通信的主要傳播方式。短波電離層反射信道既屬于無線信道，也屬于隨參信道。本篇調(diào)研報告在調(diào)研短波通信優(yōu)缺點以及短波通信研究現(xiàn)狀的基礎上，著重對短波電離層反射信道的特性、影響和現(xiàn)狀做了詳細的闡述。關(guān)鍵詞：短波通信隨參信道短波電離層反射信道一、 引言信道（Channel），通俗地說，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎的信號通路。具體地說，信道是指山有線或無線電線路提供的信號通路。信道的作用是傳輸信號，它提供一段頻帶讓信號通過，同時又給信號加以限制和損害。通常，我們將僅指信號傳輸媒介的信道稱為狹義信道。LI前采用的傳輸媒介有架空明線、電纜、光導纖維（光纜）、中長波地表波傳播、超短波及微波視距傳播（含衛(wèi)星中繼）、短波電離層反射、超短波流星余跡散射、對流層散射、電離層散射、超短波超視距繞射、波導傳播、光波視距傳播等。接下來就針對短波電離層反射信道做詳細的闡述。二、 短波通信1、 短波通信概論短波按照國際無線電咨詢委員會（CCIR）的劃分，使用CCIR劃分的九個無線電頻段中的第七個頻段一高頻頻段（波長為100m10m，頻率為3MHz-30MHz）。利用短波進行的無線通信稱為短波通信，乂稱為高頻（HF）通信。在實際應用中，人們?yōu)榱四軌虺浞值乩枚滩ń嚯x通信的優(yōu)點，也把中波的高頻段（1.5MHz—3MHz）劃歸到短波波段中，因此短波通信實際使用的頻率范圉擴展為1.5MHz—30MHz。短波通信可以利用地波傳播，但主要是利用天波傳播。短波的地波傳播方式受地面吸收而衰減的程度比長波及中波要大。地波的傳播損耗隨頻率的升高而遞增，即使在頻率較低的短波波段，發(fā)射功率不是特別大的的情況下，傳輸距離也只有兒十千米。因此短波地波僅適用于近距離傳播。天波是依靠電離層的一次或多次反射而實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)?。通常，傾斜投射到電離層的電磁波經(jīng)電離層反射后可以傳到兒千公里外⑴。因而電離層反射傳播是短波通信的主要傳播方式。天波傳播因為受到電離層不穩(wěn)定性影響，信道參數(shù)不斷變化。因此短波天波信道為變參信道。正因為如此，電離層的結(jié)構(gòu)、特性、變化規(guī)律對短波通信系統(tǒng)的構(gòu)成、信號形式、調(diào)制方式及應用范圍產(chǎn)生重大影響。2、 短波通信的主要優(yōu)缺點⑴⑵與其它通信手段相比較，短波通信有著許多顯著的優(yōu)點，其主要優(yōu)點包括：（1）短波通信系統(tǒng)利用天然中繼電離層反射實現(xiàn)遠距離通信，因而系統(tǒng)建設費用低，建設周期短。（2）短波通信設備比較簡單，可以根據(jù)需求安裝在某一固定地點進行定點通信；也可以裝入移動平臺進行移動通信。使用靈活，組網(wǎng)方便。（3）短波是進行遠距離及區(qū)域性廣播的良好手段。通信衛(wèi)星雖然可以提供新聞通信業(yè)務作為遠距離廣播使用，但是接收設備復雜并且使用成本較高。在山區(qū)、戈壁、海洋等地區(qū)，超短波覆蓋不到，主要依靠短波。（4）短波是唯一不受有源中繼體制約的遠程通信手段，一但發(fā)生戰(zhàn)爭或災害，各種通信網(wǎng)絡都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊。因此，短波系統(tǒng)的抗毀性較強。特別在戰(zhàn)爭時期，短波通信的抗毀性優(yōu)勢相肖明顯。這些相對于其它通信系統(tǒng)的優(yōu)點是短波通信被長期保留，至今仍然被廣泛使用的主要原因。與此同時，短波通信也存在著一些明顯的缺點：（1）可供短波通信頻率帶寬比較窄，通信容量小。短波電臺很多，特別是10MHz以下的頻率十分擁擠。鄰近電臺之間干擾嚴重，這一問題大大限制了短波通信的發(fā)展。（2）短波天波信道是變參信道，信道特性不穩(wěn)定。電離層變化使信號產(chǎn)生衰落。另外，天波信道還存在著嚴重的多徑效應，多徑延時使接收信號在時間上擴散，嚴重的限制了短波高速數(shù)據(jù)傳輸。（3）大氣無線電噪聲和人為噪聲干擾嚴重。在無線電頻譜的低端這類干擾強度很高。在短波頻段，這類噪聲雖然比長波與中波波段低得多，但仍然十分嚴重。3、短波信道研究現(xiàn)狀在通信系統(tǒng)中，信道是一個重要的組成部分，短波信道也不例外。如前所述，短波信號主要依靠電離層反射進行傳播。因此，長期以來，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對短波電離層反射信道的特性以及信道模型的確立進行了大量研究工作。二十世紀中后期，隨著電離層物理理論的逐步完善以及電離層探測技術(shù)的不斷發(fā)展，短波電離層反射信道模型的研究取得了較大的進步。在電離層實測數(shù)據(jù)及理論分析的基礎上，該領(lǐng)域的學者們提出了一系列適用于不同條件下的短波信道模型。上世紀七十年代，Watterson在IEEE學報上發(fā)表了一篇關(guān)于短波信道建模的文章⑸。提出了一種短波窄帶信道模型，并被國際電信聯(lián)盟（ITU）推薦使用⑷。到目前為止，大量的窄帶信道仿真器均以該模型為基礎研制而成。Watterson信道模型以一條1300公里的中緯度信道的采樣數(shù)據(jù)進行了有效性的驗證。實測信道的帶寬分別為2.5KHz,8KHz,和12KHz,電離層處于平靜期。該模型使用的前提是信道每一傳播模式（路徑）內(nèi)時延擴展足夠小，與碼元寬度相比可以忽略不計。因此，血tterson模型采用的是一種抽頭延遲線仿真結(jié)構(gòu)，每一時延抽頭代表短波信道中一個傳播模式。在Watterson發(fā)表其論文之后的20多年間，該模型被認為是短波信道仿真的基本參考模型。時至今日仍然有大量的短波信道仿真器是基于該模型開發(fā)的。之所以該模型能夠得到廣泛的應用并且被國際電聯(lián)推薦，主要是由于該模型結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。同時，在滿足限制條件的窄帶短波信道中，該模型也能夠比較準確的反映窄帶短波信道傳播特性。隨著寬帶短波通信系統(tǒng)的應用，特別是短波擴頻技術(shù)的不斷發(fā)展，險tterson窄帶短波信道模型逐漸暴露出它在短波通信系統(tǒng)仿真中的限制與不足。在20世紀80年代以前，山于技術(shù)條件的限制，沒有寬帶短波信道實測數(shù)據(jù)來支持寬帶短波信道特性及信道模型的研究。從80年代中期開始，美國海軍研究實驗室（NRL）研制出寬帶短波信道測量設備，并進行了大量寬帶短波信道（250KHZ和1MHz）的測試實驗，并以這些數(shù)據(jù)為基礎建立了新的寬帶短波信道模型，一般稱之為電離層參數(shù)模型（IPH模型）。IPM模型是以信道散射函數(shù)為基礎進行建模的。該模型與Watterson模型的最大區(qū)別是考慮了每一傳播模式內(nèi)的時延擴展，除了采用高斯型多普勒功率形狀以外，該模型乂提出了一種新的指數(shù)相關(guān)的洛倫茲型功率譜。從定性的角度看，洛倫茲型譜多數(shù)情況下與實測數(shù)據(jù)更接近。但是到口前為止，兩種多普勒功率譜的使用條件還沒有權(quán)威表述。該模型的適用帶寬達到了1MHz,能仿真更廣泛的短波信道條件。該模型同樣適用于窄帶短波信道的仿真。在1997年，美國電信科學協(xié)會（ITS）的Mastrangelo等人以IPM模型為基礎，研制出寬帶短波信道仿真器，并將該仿真器的實現(xiàn)方法發(fā)表于IEEE學報上，該仿真器除了采用IPM信道模型作為傳播模型以外，還考慮了寬帶短波信道的各種加性干擾。能夠更有效的模擬寬帶短波信道特性。但是，山于該模型仍有很多問題沒能得到有效的解決，比如存在著參數(shù)設置復雜，難于獲取等問題，雖然該模型正在被國際電信聯(lián)盟考慮，但是到U前為止還沒有得到推薦。根據(jù)不同的使用條件，人們也陸續(xù)提出了一些其它的寬帶短波信道仿真模型。1997年L.VanderPerre等人用多路DSP處理方式實現(xiàn)了一款寬帶短波信道仿真器。除此之外，還存在著一類在Watterson模型基礎之上改進得到的寬帶短波信道模型。Lacaze提出了一種在Watterson模型加高斯隨機延遲的短波信道模型之后,M訂som同樣地以Watterson模型為基礎，在Watterson模型后接拋物線相位響應群延遲濾波器的仿真模型。這些模型在其各自不同的條件限制下，同樣能夠有效的仿真寬帶短波信道特性。以上提到的模型均屬于經(jīng)驗型信道模型。這類信道是通過對實際測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，加以數(shù)學抽象得到的。經(jīng)驗模型的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，但是仿真參數(shù)不能與具體信道條件準確對應。為了克服上述經(jīng)驗型模型的這一缺點，V.E.Gherm提出了一種基于電離層物理模型的短波寬帶信道模型，并以該模型為理論依據(jù)設計了軟件信道模擬器。因為該模型純粹基于信道的物理模型而得到的，因此能夠更準確的仿真各種信道條件，能夠模擬具體鏈路的信道條件。但是其仿真原理相對復雜。短波在航空通信中也具有十分重要的作用。三、短波電離層反射信道1、短波電離層反射信道概述距地面60km以上的空間有一個由電子、離子等組成的電離層。電離層中的電子濃度、高度和厚度等受太陽的電磁輻射、季節(jié)的變化等會發(fā)生隨機變化。當電磁波照射到電離層時，電離層中的帶電粒子受激振動，向外輻射電磁波，宏觀上看形成了電磁波的折射，其中有一部分會返回地面，就好像電離層對電磁波進行了反射，故將這種信道稱為電離層反射信道。短波電離層信道屬于無線信道，同時也是一種隨參信道。隨參信道的特點是衰耗時變（快衰落、慢衰落），時延時變，多徑傳播。其中，多徑傳播對信號的影響是，會使信號產(chǎn)生瑞利衰落、頻率彌散、頻率選擇性衰落。研究表明，短波電離層反射信道是一種時變的信道，通信系統(tǒng)的接收信號在時域、頻域和空域上都有變化，但是可以將它視作線性時變網(wǎng)絡來加以描述⑸。電離層的多普勒效應引起的信道頻率色散，造成了時間選擇性衰落，短波電離層傳播的多徑效應引起的信道時間色散，造成了頻率選擇性衰落；不同入射角傳播引起的信道角度色散，造成了空間選擇性衰落。實用中，當空間分集的天線間距遠小于相關(guān)距離時，信道可以看作是空間慢變化信道，三維的衰落色散信道可以簡化成二維的時間一一頻率選擇性衰落信道或頻率一一時間色散信道來加以討論。電離層反射信道屬于時變色散信道，它具有時間、頻率和空間三種選擇性衰落，直接影響通信系統(tǒng)性能。短波電離層反射信道模型可以模擬出信道的主要特性，并可以人為地改變信道參數(shù)，對研究短波信道特性及測試短波通信設備的性能提供很大的方便。2、短波在電離層中的傳播特性（1） 、傳播模式電離層呈多層結(jié)構(gòu)，同時短波設備天線波束較寬，發(fā)射的電波射線發(fā)散性較大，導致一條通信鏈路可能有兒種傳播路徑，稱為多徑傳播或多模式傳播。每一種在時延上可區(qū)分的傳播路徑稱為一個傳播模式。短波地波屬于繞射傳播模式，而天波傳播模式情況比較復雜。通常以mXnY形式來表示某一種類的傳播模式，X、丫代表反射層，m、n分別表示不同層反射次數(shù)，例如經(jīng)電離層F層反射兩次的傳播模式可以表示成2F。當電波沿地球表面切線傳播時可以得到單跳距離最長的通信鏈路。不同的通信距離可能有不同的傳播模式，相同的通信距離也可能有多種不同的傳播模式存在，對于一條短波通信鏈路來說，通常是一條路徑損耗最小的傳播模式起主要傳輸作用。（2） 、可用頻率由電離層傳播理論可知，并非所有頻率的電磁波均能被電離層反射。對于一定電子密度電離層及一定的通信距離，能反射回地球表面的電波有一個頻率最大值，稱為最高可用頻率（MUF）,當工作頻率超過該頻率時，發(fā)射出去的電磁波將穿過電離層，不能被反射回地面。因此，短波通信中最高可用頻率是一個非常重要的參數(shù)。最高可用頻率取決于電離層電子密度的最大值及電磁波投射到電離層的入射角。（3） 多徑傳播由于電離層具有垂直分層結(jié)構(gòu)，并且在地磁場的作用下具有各向異性特性。加之地面能夠反射短波波段的電磁波使得短波天波信道存在著經(jīng)地面反射的多跳傳播模式。與此同時，短波鏈路收發(fā)雙方天線都具有一定的波束寬度，以上條件就導致了短波電離層信道中存在多徑效應。通常情況下，不同傳播路徑有不同的長度，其到達接收端的傳播延時，相位變化、幅度衰落及傳輸損耗均不相同。在短波電離層反射信道中，引起多徑傳播的主要原因有以下兒種惜況：電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射，在這種情況下的路程時延差最大，可達兒毫秒，所以它不僅引起快衰落，而且還會產(chǎn)生多徑時延失真；兒個反射層高度不同，主要影響是快衰落；電離層不均勻引起的漫射現(xiàn)象，主要影響是快衰落；地球磁場引起的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波，主要影響是快衰落；（4）、衰落與其它的無線通信方式類似，在短波通信中，信號經(jīng)過電離層傳播之后，接收端信號振幅隨機起伏變化，稱為“衰落”。信號場強的快速隨機變化稱為快衰落，持續(xù)時間僅兒分之一秒到數(shù)十秒。信號場強的緩慢隨機變化稱為慢衰落。持續(xù)時間比較長，可達兒分鐘甚至兒小時。造成信號衰落的主要原因有多徑干涉，極化變動，電離層吸收變化和電離層運動等。慢衰落主要是由于電離層D層吸收變化所引起的。它是山電離層電子密度及高度的變化有關(guān)。這種慢衰落的持續(xù)時間從數(shù)分鐘到兒小時不等。日變化、季節(jié)變化均屬于慢衰落。吸收衰落對整個短波頻段會產(chǎn)生相同的影響。在電離層沒有其它騷擾的情況下，衰落深度可達平均值以下lOdB?？焖ヂ渲饕荌II于極化衰落和多徑傳播所引起的?？焖ヂ湫盘柕姆扔械姆娜鹄植迹械姆膶?shù)正態(tài)分布。如前文所述，由于電離層呈現(xiàn)出垂直分層結(jié)構(gòu)特性，并且電離層的密度與高度隨機變化，導致經(jīng)過不同傳播路徑到達接收端的信號不能保持穩(wěn)定的相位差，不穩(wěn)定的相位差會造成信號幅度的快衰落。這種衰落主要是由于不同路徑信號的干涉所造成的，因此，一般也稱其為“干涉衰落”。干涉衰落具有明顯的頻率選擇性。并且山于短波信道的均方根時延擴展一般較大，因此相關(guān)帶寬較小。從較短的觀察周期來看，信號的幅度衰落服從瑞利分布。在進行短波信道仿真的時候，一般認為信道為瑞利衰落信道。信號衰落時，信號場強變化高達30dB,有時可達6080dB。衰落時，接收端信噪比惡化，系統(tǒng)誤碼率升高，給短波通信帶來很大的影響。短波信道還存在極化衰落。由于地磁場干擾，經(jīng)電離層傳播的平面極化波會分裂為兩個橢圓極化波。當電離層的電子密度隨機起伏時，每個橢圓極化波的橢圓主軸方向也隨改變，在接收天線上的感應電勢產(chǎn)生隨機起伏。極化衰落也屬于，快衰落。一般占全部衰落的10%15%左右。3、短波電離層反射信道的應用在應用方面，短波電離層信道是遠距離傳輸?shù)闹匾诺乐?。因為：要求的功率較小，終端設備的成本較低；傳播距離遠；受地形限制較?。挥羞m當?shù)膫鬏旑l帶寬度；不易受到人為破壞。這點在軍事通信上有重要意義；短波無線電利用電離層反射進行數(shù)千乃至上萬公里的遠距離通信，其電子戰(zhàn)設備簡單，造價低廉，使用靈活機動，堅固耐用，信道抗毀性強，是最基本的軍事