短波电离层反射信道

短波电离层反射信道摘要电离层反射传播也称为天波传播，是一种重要的电磁波传播方式，短波信号主要依靠电离层反射进行传播。从传输媒介的角度看，电离层反射信道属于无线信道，从信道传输特性来看，电离层反射信道又属于随参信道。本文在了解电离层的结构及特性的基础上，将对短波在电离层反射信道中的传播特性进行阐述，并介绍短波电离层反射信道的相关应用。关键字：短波电离层反射信道电离层特性无线信道一、引言由于电离层媒介抗毁性较好，对电波能量的吸收作用小，特别是短波通信电路建立迅速、机动灵活、设备简单及价格低廉等优点突出，人们加强了对短波电离层反射信道的研究，使其信道质量有明显提升。虽然目前已有性能优良的卫星通信、微波中继通信、光纤通信等多种通信方式，短波通信仍是一种十分重要的通信手段，广泛应用于政府、军事、船舶、商业等领域。从安全性来看，短波通信有着明显的优越性。由于其他无线网和有线网都依赖于中心枢纽，一旦中心枢纽在战争和自然灾害中遭到破坏，将会造成整个网络的瘫痪。短波依靠电离层反射实现无线通信，除高空原子弹爆炸和太阳耀斑外，其他任何方式不会对电离层产生破坏，并且短波通信通常没有中心枢纽，每个台站既可以作为主站也可以作为从站，其中一部分遭到破坏并不会影响其他部分的正常通信。从覆盖范围来看，超短波和微波通信属于直线传播，即使借助中继，覆盖范围仍存在盲区，而短波通信可以到达地球的任何角落。从经济性来看，短波网络不需要建造复杂的枢纽站和中继站，与卫星通信相比，造价较低。尽管短波通信有着诸多优点，该通信方式还是存在缺点的：由于短波电离层反射信道是随参信道，信道特性不稳定，电离层变化使信号产生衰落，另外电离层反射信道还存在着严重的多径效应，多径时延使接收信号在时间上扩散，严重限制了短波数据的传输。长期以来，国内外许多研究机构对短波电离层反射信道的特性以及信道模型进行了大量研究。二十世纪中后期，随着电离层物理理论的逐步完善以及电离层探测技术的不断发展，短波电离层反射信道模型的研究取得了很大发展。上世纪七十年代Watterson提出的高斯散射增益抽头延迟线信道模型较为广泛。其后Vogler提出的模型是目前较为完善的统计性短波宽带信道模型，从功率延迟分布、多普勒频移和多普勒扩展三个主要的方面完成了对信道的统计性建模。目前使用的自适应技术、跳扩频技术和数字技术的应用，极大地提高了短波通信的可靠性、稳定性，能够较好地传输语言、文本、数据和图像等信息。二、电离层的特点包裹着地球的是厚达两万多千米的大气层，地面上空的大气层概况如图2-1所示。距离地面约10~12km的空间内大气是相互对流的，称为对流层；离地面10~60km的空间内，气体的对流现象减弱，主要是沿水平方向流动，因而称为平流层；从平流层以上一直到1000km的区域称为电离层；从电离层至几万米的高空存在着由带点粒子组成的两个辐射带，称为磁层。图2-1地面上空大气层概况1.电离层的结构特点电离层距离地面60~1000km，是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体，因该层存在着大量的带电粒子所以对电磁波的传播有很大的影响。高空大气在太阳光中的紫外线、X射线等电离源的照射下电离出多种带点粒子。由于太阳光的照射是上强下弱的，因而被电离出的最大电子密度将出现在不同的高度，每一个最大值所在的范围称为一个层，分别称为D、E、F1和F2层。图2-2电离层的分层情况D层是最低层，空气密度较大，由于夜间没有光照，D层就消失了。D层在日出后出现，并在中午时达到最大电子密度，随着光照强度的减弱电子密度减小。由于该层气体密度较大，被电波加速的自由电子和大气分子之间的碰撞使电波在该区域消耗较多能量。E层是处于电离层中90~150km的区域，可以反射几兆赫兹的无线电波，在夜间其电子密度将降低一个量级。F层在夏季白天分为上下两层，170~200km高度为F1层，200km以上高度称为F2层，夜间将合并成一层。F2层的电子密度是各层之中最大的。2.电离层的变化电离层的变化包括有规则变化和无规则变化两类，有规则变化有三种：⑴昼夜变化：主要是由于一天内太阳光强度的周期性变化使电离层的电子密度随其产生周期性的变化。⑵季节变化：由于地球绕太阳公转引起的太阳光强的变化。⑶以约11年为周期的太阳黑子变化：太阳黑子是指太阳光球表面有较暗的斑点，黑子数目增加时，太阳的辐射能量增强，因而各层电子密度增大。太阳黑子的数目每年都在变化，其变化周期大约为11年。电离层的非规则变化主要有三种：⑴突发E层（或称为Es层）：在接近E层最大电离区高度上出现一个强烈的电离区，其电离程度远远超过E层，一般发生不超过几小时。突发E层对通信来说有利有弊：有利表现在使可用频率范围扩大，可应用于短波传输；不利表现在可能产生全反射现象，影响F层的利用。⑵电离层骚扰：当太阳耀斑爆发时，辐射出极强的紫外线和γ射线，使电离层的上层电离增强，大大增加了电波的吸收损耗，可以导致短波通信的中断，一般仅出现几分钟。⑶电离层暴乱：当太阳耀斑暴乱时，还会向电离层喷射大量带电粒子，是正常的电子分布产生变动。D层和E层受电离层暴乱的影响时，通过他们的短波损耗增大，使得接收电平严重减弱，甚至导致通信中断，电离层暴乱持续时间长、范围广，所以对短波通信的危害极大。三、短波在电离层中的传播特性短波利用电离层反射传播时，由于电离层的吸收随着频率的升高而减小，所以能以较小的功率借助电离层反射完成远距离传播，甚至可以实现环球传播。1．传播模式电波从发射点到接收点的传播路径就是传播模式。由于短波天线波束较宽，射线发散性较大，同时电离层是分层的，电波传播可能要经过多次反射，因此在一条通信电路中存在着多种路径，即存在着多种传播模式。图3-1传输模式当电波以与地球表面相切的方向即射线仰角为零度的方向发射时，可以得到电波经电离层的第一次反射（称为一跳）时最长的地面距离。平均情况，从E层反射的一跳最远距离大约为2000km，从F层反射的一跳最远距离大概是4000km。若电波经过E层反射一跳到达接收点，则称为1E传输模式，若经过两跳到达接收点，则为2E传输模式。如果经过F层反射的一跳到达接收点，则称为1F传输模式。可能存在的传输模式与通信距离、工作频率和电离层的状态有关，各种距离可能存在的传输模式如表3-1所示。表3-1传输模式2．短波电离层反射传播的工作频率选择由于电离层对发射的电波有反射和吸收作用，若工作频率太高，电离层的吸收小，但是电波容易传出电离层；若工作频率过低，虽然能被电离层反射，但是易被电离层吸收，造成接收点的电平降低。首先工作频率不能高于最高可用频率fMUF，fMUF是指传播距离一定的情况下电波能够被电离层反射回来的最大频率。最高可用频率和电离层的电子密度及电波的入射角有关，电子密度越大，其值越高，入射角越大其值越高。其次工作频率不能低于最低可用频率fLUF。由于工作频率越低，电离层吸收越大，导致接收点电平降低，同时短波波段的噪声电平却随着频率的降低而升高。当信噪比达到最低可用时，此时的工作频率即为最低可用频率。综合电离层的稳定性和电离层的吸收作用考虑，最佳工作频率一般选用85%fMUF。由于电离层的电子密度随着时间变化，所以一天之内的工作频率是变化的。3．短波电离层反射信道的传播特性由于电离层是分层、不均匀、色散的媒质，而且是随机的这就使得短波经过电离层后具有一些特殊的性质。⑴短波衰落信号幅度的随机起伏现象成为衰落，短波在电离层中传播，由于电离层电子密度及高度变化、多径效应等原因，使电波产生衰落现象。衰落通常分为快衰落和慢衰落。短波电离层反射信道的慢衰落主要是由于电离层电子密度及高度的变化造成电离层的吸收的不均而引起的，克服该种衰落的有效措施是在接收机中采用自动增益控制。快衰落主要是由多径效应引起的，即发射的电波沿多种路径到达接收点。由于电离层的电子密度及高度不断变化造成高角度波和低角度波、单跳传播和多跳传播之间的干涉，以及电离层的漫射使得多条路径传来的电波不能保持固定的相位关系，因此接收点的振幅总是不断变化，而且变化很快，相位差越大衰落就越严重。采用分集接收能够克服该种快衰落。⑵多径时延在短波电离层反射信道传播，随机多径传输现象很严重，它不仅引起信号幅度的快衰落，而且引起干涉效应，将使信号失真或使信道的传输带宽受到限制。多径时延是指多径传输中最大的传输时延与最小的传输时延之差。多径时延和通信距离、工作频率、时间都有明显的关系。通信距离不同，可能存在的传播模式就不同，可能存在的传输模式越复杂，则越可能引起干涉效应，故多径时延越长。当工作频率越接近fMUF时，越容易实现单跳因而多径时延越小；当工作频率越低时，传输的模式就会越多，进而多径时延就越大。电离层的电子密度是随时间变化的，因而多径时延随着时间变化。⑶静区在短波电离层反射信道传播的情况下有些地方电离层反射波和地波都接受不到，该地区称为静区。产生静区的原因主要有两个：短波的地面传播因为受到地面的吸收，能量在r1处衰减至零；对于电离层反射传播来说，发射仰角大，电波经过反射只能到达r2。r1和r2之间的区域没有电波到达，即为静区。频率越低地面波传播的距离越远，天波可以到达的距离更近，静区范围可以缩小。图3-3静区⑷环球回波电波可经电离层的多次反射或者在地面和电离层之间来回反射，可能环绕地球再度出现，称为环球回波。滞后时间较大的回波信号将使接收机出现不断地回响，影响正常通信。可以通过适当的降低辐射功率和选择合适的发射功率来防止回波发生。四、短波电离层反射信道的应用短波通信是一种十分重要的通信手段，特别是移动通信方面，短波占据着十分重要的地位，如船舶、飞机、雷达、野战部队广泛采用短波通信。随着计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展，促进了短波通信技术的发展，促进了短波新技术的更新。人们利用微处理器、数字信号处理、自适应技术、跳频技术不断提高短波通信的质量和数据传输速率，增强自动化、新业务功能，提高自适应与抗干扰能力。高速数字通信技术、差错控制技术、分集接收技术、实时信道评估技术等在短波通信系统中的应用，使短波通信不仅能传输语音、数据，还能够传输图像。五、结论由于短波电离层反射信道传输要求的功率较小，终端设备成本较低，受地形影响小，安全性高不易受破坏的特点，被广泛应用于远距离通信中。但是其自身也存在着衰落严重和多径效应严重，频率范围有限，干扰大的缺点。随着计算机技术的不断发展，人们能通过计算机不断地研究提出的短波电离层反射信道模型，分析信道参数，同时不断引入和开发新技术，相信不远的将来短波电离层反射信道的应用一定会更加广泛。参考文献⑴王坦、王立军，短波通信技术，电子工业出版社⑵宋铮、张建华、黄冶，天线与电波传播，西安电子科技大学出版社⑶王元坤，电波传播概论，国防工业出版社⑷闻映红，天线与电波传播理论，清华大学出版社