一种微波通信链路自动规划的实现思路

沛1,庞兴豪1,周晓兰2,米新朝1,杨忠海1,王亚辉1,陈召村1 (1.66138部队,北京 100144;2.原军委训练管理部指挥自动化工作站,北京 100851)

Digital Communication World - - 目 次 - 彭 沛,庞兴豪,周晓兰等

摘要:微波通信是军事通信领域的重要传输手段,本文旨在研究设计一种针对微波通信的链路自动规划系统,解决以

往站址选取和链路规划困难、效率不高的问题,旨在提高微波通信链路开通效率。

关键词:微波;链路;自动规划d o I:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.05.008

中图分类号:TN925 文献标示码:A 文章编码:1672-7274(2018)05-0027-03

微波通信具有抗干扰能力强,线路噪声不积累,天线波束定向性好,线路保密性好等特点,是军事通信领域一种重要的信息传输手段,但由于微波通信的波长较短,波束在空间传播时多为视距传输,开设地域特点明显,在实际使用过程中,链路开通常受地形、天气等诸多因素影响,台站开设之初,要科学、快速完成站址选取和链路规划十分困难,往往需要在纸质地图上进行作业,主要依赖人工,整个分析过程工作量大,效率非常低,无法快速提供直观、可靠的分析结果,严重制约了微波通信链路的开设效率。

为解决上述问题,拟设计一种微波通信链路自动规划系统,该系统基于包括地形、地貌、地物等对无线电波传播有影响的地理信息和必要的无线传输模型,能够对工作在山区、平原、丘陵、海岛等不同环境中的微波通信设备的站址选择、链路质量、覆盖范围等方面进行分析,向部队提供台站配置、用频选择等相关领域的辅助决策,提升通信建立速度与质量,提高装备使用效能。

1 系统组成

系统由三个主模块组成,分别为:基础模块、

应用平台、输出模块,如图1所示。基础模块与应用

平台之间通过定义服务的方式进行交互。各模块功能如下:

1.1 基础模块

基础模块为软件提供基础的应用支撑,包括电波传播模型库、地理信息系统和数据库等。电波传播模型库提供系统需要的微波通信传播计算模型,是系统的核心。本系统所涉及到的电波传播模型根据我国实际工程链路和实地试验数据进行过

修订;GIS系统,即地理信息系统,包含丰富地形、

地貌、地物数据,为系统提供计算所需的实际地理信息数据;数据库负责系统输入输出,以及过程数据的管理。由于本系统基于开发难度和成本两方面

考虑,对比关系数据库,采用XML形式的数据管理结构,利用XML对数据进行管理。

1.2 应用平台

应用平台为系统提供三个层面的应用级服务,分别为:地理级,提供图上作业所必需的图上量算、查询、地图浏览等;链路级,为用户提供系统无线通信的相关功能,包括预测链路传输质量、选择通信站址、计算站址覆盖能力等;网络级,提供通信组网相关的服务,包括链路规划,效能评估,网络连通分析,网络拓扑生成等。

1.3 输出模块

输出模块为软件和用户提供UI层的输出和结

果展示,包括链路计算结果的界面直观显示、链路规划报告的输出、链路高程剖面曲线的生成等。

2 系统功能

微波通信链路自动规划系统集GIS系统和微波

通信传播模型于一体,可以为用户提供电子地图浏览、图上量算操作、链路传播质量预测、微波通信阵地选择、微波链路开通参数选择等功能。

如图2所示,本系统主要具备三方面功能,分别

为GIS操作、链路传播计算、数据管理。各功能的

具体介绍如下:

2.1 GIS操作

GIS操作即系统利用较为精确的电子地图将链

路计算所需的具体地形地貌数据进行直观展示,使系统使用更为便捷简便,主要用途:一是电子地图为用户提供地图浏览功能,可通过鼠标实现地图漫游、地图缩放等操作;二是借助具体的地理信息数据,可在地图上完成所需的图上量算功能,包括测量距离、角度等;三是为通信站点、通信链路、联接关系等通信元素的显示提供支撑。

2.2 链路传播计算

链路传播计算即系统提供微波链路传播可靠度计算,并以计算结果为依托,向用户提供以下产品:一是任意地面两点间,按照指定工作参数,达成通信链路的可行性,并计算出设备的相关工作参数;二是任意地面两点间,考虑地球曲率的地理高程的剖面分析,并计算出传播遮挡发生的位置;三是对某一地面区域进行分析,为开通微波链路并寻找合适站址;四是链路规划报告的输出和链路计算结果的保存。

2.3 数据管理

数据管理即系统向用户提供设备的工作参数管理和链路计算参数的保存功能:一是设备工作参数的管理,具体包括设备工作参数的新建、添加、修改、删除、保存等;二是计算出的链路参数的管理,具体包括相关计算结果的添加、修改、删除、保存等。

3 微波链路自动规划流程

微波通信链路规划的核心在于根据链路所在地域的地形条件、链路沿途遮挡和降雨等因素,预估计微波的传播损耗,主要分以下步骤完成:

3.1 链路几何特性计算

对于微波波束而言,其运行轨迹主要在大气对流层中,由于受大气折射的影响,电磁波在沿地球

上空传播时,可将其等效为一个半径为KR的无折射地球上空的传播。其中R为真实地球半径,K为等效地球半径因子,一般来说,K值是随着时间变化

而随机变化的。

逐一计算各点的等效高度he:

4d1d2 he = + H

51K

式中,d1,d 2为该点距离发射点和接受点的距离

( km );H为该点的海拔高度(m);h e为该点的等

效高度(m)。

在对链路路径所有点进行完等效高度变化后,

寻找等效高度变化后的最高点Pnmax

Pnmax(hemax, index)

式中,h emax为最高点等效高度(m);index为最高

点的序列号。

3.2 链路损耗计算

微波链路的传输损耗主要由地面遮挡附加损耗、自由空间传输损耗、降雨衰落损耗几部分组成。3.2.1 地面遮挡附加损耗计算

地面遮挡的附加损耗主要来自地面障碍物,如树木、山峰等物体对于电波波束的遮挡。一般情况下计算遮挡附加损耗时,主要考虑波束的第一菲涅尔区内是否存在遮挡。

因此,第一步是计算第一菲涅尔半径F1: λd d d d

F1 = 1 2 = 17.32 1 2 d0 d0 f

式中,F1为该点菲涅尔半径(m);λ为波长(m); d1,d 2为该点距离发射点和接受点的距离(km);d0为链路通信距离(km);f为工作频率(ghz)。第二步是计算链路剖面最高点的等效余隙h ( m ) ce (h + H1)d2 + (h + H 2)d1 hce = 1 2 − hen d 0

式中, H1,H2为发射端和接收端的海拔高度

(m);h1,h2为发射端和接收端的天线架高(m); d1,d 2为反射点距离发射点和接收点的距离(km); hen为采样点等效高度(m)。第三步是根据相对余隙计算附加损耗LDB定义:相对余隙:v=hce/f1利用修正的绕射公式计算附加损耗LDB。

3.2.2 计算自由空间传输损耗计算自由空间传输损耗Ls: Ls=92.4+201g(d)+201g(f)式中,Ls为自由空间传输损耗( db );d为传输距离(km);f为工作频率(ghz)。

3.2.3 计算降雨衰落造成的影响首先计算雨衰的衰减系数:小雨:rs=1.62e-2.0456 λ

中雨:rs=2.8363e-1.1825λ

大雨:rs=9.4993e-0.9748 λ式中,rs为单位距离衰减量(db/km);λ为信号波长(cm)。

然后,计算降雨环境下链路的有效路径长度: leff=l*r

式中, leff为链路的等效长度(km );l为链路的实际路径长度(km);r为路径减弱因子。

故降雨衰落可表示为:

Lrain=rs*leff.

3.3 传播可靠度计算

第一步根据设备参数计算设备的能力。所谓设备的能力是指设备能接受并准确解调时的信号强度。该参数被称为接收门限电平。计算接收门限电平Pr0:

Pro=60+eb'/no+nf+10log(f b)+10logk+10logto式中,PR0为接收门限电平(DBM);NF为噪声系数,固定值;f b为数字信息比特率(kb/s); Eb'/no为

解调门限/误码率,调制方式有关。

第二步计算接收端设备接收到的信号强度,该参数被称为接收电平。其计算方法如下:

0 不考虑雨衰P = P + Gt + Gr − Ls − L − L − LDB − r t ft fr L 考虑雨衰rain

式中,Pr为接收电平(db);pt为发送功率(dbm); Gt,gr为发送,接收天线的增益(db);lft,lfr为收发馈线损耗(db);ldb为余隙附加损耗;lrain为雨衰。

一般来说,接收电平大于接收门限电平则意味着设备接收到的信号强度足够进行解析,也就意味着可以达成开通条件。为了能定量评估,定义电平储备Fd,表示为:

Fd= Pr-pr0

显然,电平储备越大,通信效果越好。由此可以计算传播可靠度: 式中, Pfr为链路中断概率;fd为电平储备,也被称为衰落深度( db );d为站距(km) ;f为工作频率(GHZ);KQ为影响因子,其内容选取如表1所示。表1 KQ取值对照表

4 需要解决的关键技术

要运用现代科技手段实现微波通信链路的自动规划并保证结果的准确性、可用性,需要解决以下技术问题:

(1)基于大量工程实践和实测数据,对ITU-R P.526提供的单刃峰绕射损耗计算模型进行修正,构建新的微波通信链路传播评估模型;通过大量

仿真试验筛选出合适的KQ影响因子,解决基于

ITU-R P.526提供的模型和通用KQ值所得传播损耗不准确导致站址选择和链路规划可信度差的问题,使利用计算机自动完成高可信度的微波站址选择与链路规划成为可能。

(2)通过对雨衰、雾衰、地理磁偏角等走势曲线进行分解、量算、录入、拟合和栅格化处理,完成地理环境信息的数字化、数据化,并将地理信息系统与链路模型库进行有效捆绑,为微波信链路自动规划提供数据支撑。■

图2系统功能模块组成示意图

图1微波通信链路自动规划系统结构图

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