短波电离层反射信道调研报告

关于短波电离层反射信道的调研报告

摘要

电离层反射传播是短波通信的主要传播方式。短波电离层反射信道既属于无线信道，也属于随参信道。本篇调研报告在调研短波通信优缺点以及短波通信研究现状的基础上，着重对短波电离层反射信道的特性、影响和现状做了详细的阐述。

关键词：短波通信随参信道短波电离层反射信道

一、引言

信道（Channel），通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。

通常，我们将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道。目前采用的传输媒介有架空明线、电缆、光导纤维（光缆）、中长波地表波传播、超短波及微波视距传播（含卫星中继）、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、对流层散射、电离层散射、超短波超视距绕射、波导传播、光波视距传播等。接下来就针对短波电离层反射信道做详细的阐述。

二、短波通信

1、短波通信概论

短波按照国际无线电咨询委员会（CCIR）的划分，使用CCIR划分的九个无线电频段中的第七个频段一高频频段（波长为100m～10m，频率为3MHz－30MHz）。利用短波进行的无线通信称为短波通信，又称为高频（HF）通信。在实际应用中，人们为了能够充分地利用短波近距离通信的优点，也把中波的高频段（1.5MHz－3MHz）划归到短波波段中，因此短波通信实际使用的频率范围扩展为1.5MHz－30MHz。短波通信可以利用地波传播，但主要是利用天波传播。短波的地波传播方式受地面吸收而衰减的程度比长波及中波要大。地波的传播损耗随频率的升高而递增，即使在频率较低的短波波段，发射功率不是特别大的的情况下，传输距离也只有几十千米。因此短波地波仅适用于近距离传播。天波是依靠电离层的一次或多次反射而实现远距离传输的。通常，倾斜投射到电离层的电磁波经电离层反射后可以传到几千公里外[1]。因而电离层反射传播是短波通信的主要传播方式。天波传播因为受到电离层不稳定性影响，信道参数不断变化。因此短波天波信道为变参信道。正因为如此，电离层的结构、特性、变化规律对短波通信系统的构成、信号形式、调制方式及应用范围产生重大影响。

2、短波通信的主要优缺点[1][2]

与其它通信手段相比较，短波通信有着许多显著的优点，其主要优点包括：（1）短波通信系统利用天然中继电离层反射实现远距离通信，因而系统建设费用低，建设周期短。（2）短波通信设备比较简单，可以根据需求安装在某一固定地点进行定点通信；也可以装入移动平台进行移动通信。使用灵活，组网方便。（3）短波是进行远距离及区域性广播的良好手段。通信卫星虽然可以提供新闻通信业务作为远距离广播使用，但是接收设备复杂并且使用成本较高。在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波。（4）短波是唯一不受有源中继体制约的远程通信手段，一但发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。因此，短波系统的抗毁性较强。特别在战争时期，短波通信的抗毁性优势相当明显。这些相对于其它通信系统的优点是短波通信被长期保留，至今仍然被广泛使用的主要原因。与此同时，短波通信也存在着一些明显的缺点：（1）可供短波通信频率带宽比较窄，通信容量小。短波电台很多，特别是10MHz以下的频率十分拥挤。邻近电台之间干扰严重，这一问题大大限制了短波通信的发展。(2)短波天波信道是变参信道，信道特性不稳定。电离层变化使信号产生衰落。另外，天波信道还存在着严重的多径效应，多径延时使接收信号在时间上扩散，严重的限制了短波高速数据传输。

(3)大气无线电噪声和人为噪声干扰严重。在无线电频谱的低端这类干扰强度很高。在短波频段，这类噪声虽然比长波与中波波段低得多，但仍然十分严重。

3、短波信道研究现状

在通信系统中，信道是一个重要的组成部分，短波信道也不例外。如前所述，短波信号主要依靠电离层反射进行传播。因此，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的确立进行了大量研究工作。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较大的进步。在电离层实测数据及理论分析的基础上，该领域的学者们提出了一系列适用于不同条件下的短波信道模型。上世纪七十年代，Watterson在IEEE学报上发表了一篇关于短波信道建模的文章[3]。提出了一种短波窄带信道模型，并被国际电信联盟（ITU）推荐使用[4]。到目前为止，大量的窄带信道仿真器均以该模型为基础研制而成。Watterson

信道模型以一条1300公里的中纬度信道的采样数据进行了有效性的验证。实测信道的带宽分别为2.5KHz，8KHz，和12KHz，电离层处于平静期。该模型使用的前提是信道每一传播模式（路径）内时延扩展足够小，与码元宽度相比可以忽略不计。因此，Watterson模型采用的是一种抽头延迟线仿真结构，每一时延抽头代表短波信道中一个传播模式。

在Watterson发表其论文之后的20多年间，该模型被认为是短波信道仿真的基本参考模型。时至今日仍然有大量的短波信道仿真器是基于该模型开发的。之所以该模型能够得到广泛的应用并且被国际电联推荐，主要是由于该模型结构简单，易于实现。同时，在满足限制条件的窄带短波信道中，该模型也能够比较准确的反映窄带短波信道传播特性。随着宽带短波通信系统的应用，特别是短波扩频技术的不断发展，Watterson窄带短波信道模型逐渐暴露出它在短波通信系统仿真中的限制与不足。在20世纪80年代以前，由于技术条件的限制，没有宽带短波信道实测数据来支持宽带短波信道特性及信道模型的研

究。从80年代中期开始，美国海军研究实验室（NRL）研制出宽带短波信道测量设备，并进行了大量宽带短波信道（250KHz和1MHz）的测试实验，并以这些数据为基础建立了新的宽带短波信道模型，一般称之为电离层参数模型（IPM模型）。IPM模型是以信道散射函数为基础进行建模的。该模型与Watterson模型的最大区别是考虑了每一传播模式内的时延扩展，除了采用高斯型多普勒功率形状以外，该模型又提出了一种新的指数相关的洛伦兹型功率谱。从定性的角度看，洛伦兹型谱多数情况下与实测数据更接近。但是到目前为止，两种多普勒功率谱的使用条件还没有权威表述。该模型的适用带宽达到了1MHz，能仿真更广泛的短波信道条件。该模型同样适用于窄带短波信道的仿真。

在1997年，美国电信科学协会（ITS）的Mastrangelo等人以IPM模型为基础，研制出宽带短波信道仿真器，并将该仿真器的实现方法发表于IEEE学报上，该仿真器除了采用IPM信道模型作为传播模型以外，还考虑了宽带短波信道的各种加性干扰。能够更有效的模拟宽带短波信道特性。但是，由于该模型仍有很多问题没能得到有效的解决，比如存在着参数设置复杂，难于获取等问题，虽然该模型正在被国际电信联盟考虑，但是到目前为止还没有得到推荐。

根据不同的使用条件，人们也陆续提出了一些其它的宽带短波信道仿真模型。1997年L.Vander Perre等人用多路DSP处理方式实现了一款宽带短波信道仿真器。除此之外，还存在着一类在Watterson模型基础之上改进得到的宽带短波信道模型。Lacaze提出了一种在Watterson模型加高斯随机延迟的短波信道模型之后，Milsom同样地以Watterson模型为基础，在Watterson模型后接抛物线相位响应群延迟滤波器的仿真模型。这些模型在其各自不同的条件限制下，同样能够有效的仿真宽带短波信道特性。

以上提到的模型均属于经验型信道模型。这类信道是通过对实际测量数据统计分析，加以数学抽象得到的。经验模型的优点是结构比较简单，但是仿真参数不能与具体信道条件准确对应。为了克服上述经验型模型的这一缺点，V.E.Gherm提出了一种基于电离层物理模型的短波宽带信道模型，并以该模型为理论依据设计了软件信道模拟器。因为该模型纯粹基于信道的物理模型而得到的，因此能够更准确的仿真各种信道条件，能够模拟具体链路的信道条件。但是其仿真原理相对复杂。短波在航空通信中也具有十分重要的作用。

三、短波电离层反射信道

1、短波电离层反射信道概述

距地面60km以上的空间有一个由电子、离子等组成的电离层。电离层中的电子浓度、高度和厚度等受太阳的电磁辐射、季节的变化等会发生随机变化。当电磁波照射到电离层时，电离层中的带电粒子受激振动，向外辐射电磁波，宏观上看形成了电磁波的折射，其中有一部分会返回地面，就好像电离层对电磁波进行了反射，故将这种信道称为电离层反射信道。

短波电离层信道属于无线信道，同时也是一种随参信道。随参信道的特点是衰耗时变(快衰落、慢衰落)，时延时变，多径传播。其中，多径传播对信号的影响是，会使信号产生瑞利衰落、频率弥散、频率选择性衰落。研究表明, 短波电离层反射信道是一种时变的