一般情況下,對于短波通信線路,天波傳播比地波傳播更有使用意義。這不僅僅因為天波傳播是通過電離層反射傳播進行遠距離傳播,還因為天波傳播可以在無法使用地波傳播的極短距離內建立無線電通信線路。通常,天波傳播通過一次反射可以傳輸的最大地面距離高達4000km,通過多次反射可傳輸遠達上萬千米,甚至作環球傳播。因而電離層反射傳播是短波通信的主要方式。
1993年,Vogler和Hoffmeyer根據Wagner和Basler等人的實驗數據,推導出信道的傳遞函數、脈沖響應以及散射函數,并得出寬帶信道的數學模型。1997年美國電信科學協會(ITS)在Vogler模型的基礎上推出了ITS信道模型,它適合于寬帶和窄帶兩種情況,其基本思想與Vogler模型的思想類似。ITS模型成為迄今為止理論最成熟的寬帶建模方法,當然這種模型也存在著未解決的問題(見圖1)。
ITU-REC533是根據國際電信聯盟(ITU)的ITU-RP.533建議書編寫的短波天波通信性能預測計算軟件的統稱,主要用于指導不同季節、不同太陽黑子活動、不同通信時段和地理位置的短波天波通信鏈路規劃與操作。ITU-D1/1數據是短波天波場強估計領域數十年來國際合作取得的成果,于1989年1月正式發布,主要包含1964年~1985年的21年中分布在全球的68個短波臺站之間的82條地理路徑在181條通信鏈路上,每小時的短波天波通信信號場強實測值的月中值。數據在時間跨度上包含了近兩個太陽黑子周期,頻率涵蓋2.5MHz~25.8MHz范圍,共38712個數據記錄。本文將D1/1中的數據進行處理,去除了無效的數據記錄,共得到16268條記錄。每一條記錄都包含了進行場強預測計算
REC533軟件在預測計算時需要輸入的參數主要包含發射機和接收機相關參數,以及時刻、通信系統、通信需求和計算的相關參數等。其中,發射機和接收機相關參數、時刻參數和頻率參數等數據可以從處理后的D1/1數據記錄中直接獲得。同時,根據D1/1數據歸一化的說明,設置發射功率為1kW,收發天線dBi的全向點源,收發天線°,天線D增益數據在所有的方位角和仰角上的增益均為1。
REC533的電離層系數數據需要通過指定數據文件的路徑來確定使用的數據來源。在ITU發布的軟件版本中,只提供了一套數據文件。REC533中的電離層系數數據與CCIR(Oslo)基本一致。REC533在計算鏈路性能時,當收發兩點之間的鏈路大圓距離小于7000km時,采用與VOACAP類似的射線跳躍模型計算接收場強。當鏈路大圓距離大于9000km時,通過計算最低可用頻率(LUF)和最高可工作頻率(operationalMUF),再利用經驗公式計算出接收場強。當鏈路大圓距離在7000km和9000km之間時,采用上述兩種方法計算接收場強后進行平滑處理。
REC533計算完成后輸出的計算結果包括接收信號場強中值(DBU)、最高可用頻率(MUF)和頻率反射概率(MUF_Day)等22個參數。除了從輸出文件中提取DBU值用于和實測統計數據進行對比外,本文以國家新聞出版廣電總局五九四臺(以下簡稱五九四臺)為例,選取幾個代表頻點,利用ITS軟件仿真計算五九四臺發射站到各覆蓋區的鏈路場強(單位:dBμV/m),如圖2至圖4所示,其中縱軸表示一天24小時(UTC時間),橫軸表示鏈路距離,彩圖表示場強大小。表1為初步估計所選擇頻點的可用時間和覆蓋區的距離范圍。
由表1可知,五九四臺在澳大利亞,印度和西亞三個鏈路方向,低頻段(5MHz~8MHz)發射時,在北京時間10時~24時之間,場強值最高,而且覆蓋范圍廣,可有效覆蓋鏈路方向區域范圍;高頻段(17MHz~20MHz)發射時,在北京時間0~10時之間,場強值最高,而且覆蓋范圍廣,可有效覆蓋鏈路方向區域范圍。
通過與實測統計數據的對比,可以看到REC533在一定程度上能較為準確地預測短波天波傳播的接收場強,可以用于開展短波頻率規劃和系統的效能預測。ITU-D1/1數據通過歸一化處理簡化了天線和發射功率的設置,但也為預測軟件在實際通信場景下的使用帶來困難。在實際環境中,需要正確設置有效發射功率、收發天線D增益圖、天線方位角、接收噪聲、接收門限信噪比、最小接收電平等眾多參數。在系統設置中引入的誤差將使預測準確性受到嚴重影響。為了有效使用預測軟件,還需要開展針對實際通信系統的專題實驗,收集數據,對預測軟件的性能進行全面檢驗。