短波通信传播路径损耗分段预测方法分析

短波通信传播路径损耗分段预测方法分析

王莹璇   郭晓霞

中国人民解放军31401部队   呼和浩特市

摘要：短波通信是一种非常重要的通信方式，因其具有保密性高、传输速率高、穿透力强、建设成本低等特点，在军事通信、应急通信等方面发挥着不可替代的作用。由于短波的传播路径较长，对短波的传播路径损耗预测是短波通信研究中的重要内容。目前，在短波传播路径损耗预测方面，国内外学者进行了大量研究，其中常用的传播路径损耗预测方法主要有射线跟踪法和多径效应模型法等。本文介绍了现有短波传播路径损耗预测方法的优缺点，并对其进行了分析和总结，提出了一种分段预测方法。最后对该方法进行了仿真验证，结果表明该方法具有较好的精度和可靠性。

关键词：短波通信；传播路径；损耗预测

引言

短波通信作为一种重要的军事通信方式，具有保密性高、穿透力强、建设成本低等特点。近年来，随着短波通信技术的发展，短波通信已经成为各国军事通信的重要手段之一，在世界范围内广泛应用。然而，短波传播的路径损耗会对短波通信的质量产生较大影响，因此准确地预测短波传播路径损耗是一项非常重要的工作。目前，国内外学者对短波传播路径损耗的预测方法进行了大量研究，其中常用的预测方法有：射线跟踪法、多径效应模型法、等效反射系数法、几何绕射理论法等。这些预测方法各有优劣，而且都不能完全反映出短波传播路径损耗随时间变化的规律。本文针对上述方法进行了分析和总结，提出一种分段预测方法，即对不同时间段内的路径损耗进行预测。该方法可以在一定程度上弥补上述方法在长时间尺度上预测效果不理想的不足。

一、短波传播路径损耗模型

短波传播路径损耗是指无线电波在空间传播中受到各种因素的影响，通过折射、反射和绕射等现象形成的一种损耗。根据传播路径中接收点的位置不同，可以分为地面路径损耗、森林路径损耗和海面路径损耗三种。地面路径损耗主要与地形、气象等因素有关；森林路径损耗与树木、植被的分布有关；海面路径损耗主要与气象条件有关。目前，国内外学者针对短波传播路径损耗预测方法进行了大量研究，主要有基于经验模型和基于仿真模型的两大类。经验模型是根据实际测量数据建立的模型，不需进行大量的数据处理和参数分析，但只能适用于短波通信环境；仿真模型是利用计算机模拟真实环境中的信号传播情况，但不能对短波通信环境进行仿真，且仿真所需数据量大[1]。本文重点介绍基于经验模型的预测方法。经验模型主要由经典电波传播理论、气象条件等因素决定，具有较高的精确度。由于缺乏数据支持和验证，经验模型在实际应用中存在较大局限性，并且随着通信技术的发展和新设备、新材料的出现，其预测精度也逐渐下降。另外，短波通信系统的覆盖范围较广，通信设备和环境因素的变化也会对传播路径损耗造成影响，这也使得经验模型不能很好地预测短波通信路径损耗。射线跟踪法是根据天线接收的空间电磁波在传播路径中的射线路径，将空间中每一点的电波传播路径表示为一组射线，每一条射线又可以表示为一条射线追踪过程。对某一时刻的发射或接收信号，求出对应的射线追踪过程，将其展开，便可得到该点的路径损耗。通过对某一时刻接收到的所有信号进行叠加，便可以得到该点路径损耗值。在此基础上，通过适当调整相关参数可以得到任意时刻的路径损耗值。

二、射线跟踪法

射线跟踪法是一种通过确定一个空间中任意一点的空间位置和确定该点的射线路径，进而计算出该点到另一个点的距离，最后求出该点到其他任意一点的距离的方法。这种方法通过分析目标在空间中某一特殊位置的分布特性，以一定概率预测出目标的位置和方向，从而获得目标到其他位置的距离，实现对目标的预测。射线跟踪法是通过数学运算和计算机仿真技术来实现对目标的预测。因此，该方法需要对所研究目标进行大量而复杂的数学运算，且计算结果容易受到影响因素和环境因素（如天气状况、地形、温度等）的影响。此外，该方法需要对目标周围环境进行建模，需要大量的计算资源。由于该方法计算过程复杂，计算量较大，且无法适用于小尺度上复杂环境下的传播路径损耗预测[2]。因此，目前很少有学者使用该方法来对短波传播路径损耗进行预测。但是该方法也有一定优点：计算精度高、可靠性好、可扩展性强；缺点是计算复杂度高；需要较多的计算机资源；且计算过程不稳定。

三、多径效应模型

多径效应是指在同一空间中，由于不同路径的信号存在时间延迟和空间延迟，会产生不同程度的相位偏差。在短波通信系统中，由于天线的尺寸较小，天线增益有限，在电磁波传播过程中会产生较大的多径效应。多径效应不仅会导致接收信号的相位偏移，还会引起接收信号功率的衰减。此外，短波信道的衰落特性还与路径长度有关，这会引起信号传输延时、信号误码率等通信质量问题。目前，关于短波多径效应的建模方法主要有两种：一种是根据实测数据对短波传播路径损耗进行建模；另一种是基于信道仿真模型，对多径效应进行建模。基于实测数据的方法通常需要大量的测量数据，但是由于短波信道的复杂性，因此这种方法只适合于对小范围内的短波传输路径损耗进行预测，对于大规模的短波传输路径损耗无法进行准确预测。基于信道仿真模型的方法具有较高的预测精度和可靠性，能够从整体上考虑多径效应对传输信号的影响，适用于短波传输路径损耗预测。但是，信道仿真模型通常需要大量的测量数据，其参数难以人工设定，需要通过大量的试验进行验证，因此该方法适用于小范围的预测

[3]。首先，在无线电波传播过程中，电磁波通过介质时会发生反射、散射和绕射等现象，从而导致接收信号的相位偏移。然后，接收信号到达天线的时候，由于天线尺寸较小，天线增益较低，因此接收信号会发生严重的多普勒频移现象。由于接收信号的多普勒频移会引起接收信号相位偏移和功率衰减，因此可以将接收信号的多普勒频移作为多径效应模型的参数。

四、仿真分析

在实际的短波通信系统中，短波通信链路一般是由多个站组成的，每个站都有自己独立的信道。为了验证本文提出的分段预测方法的准确性和可靠性，本文以实际工程中常用的天波、地波传播路径为例，在 MATLAB环境下进行仿真，利用 MATLAB软件建立了短波通信链路模型，对短波通信链路中接收端信号功率进行预测。对于同一组数据，预测值与实测值的相对误差均在5%以内，平均绝对误差为0.39 dB，其中最大相对误差为0.49 dB，最小相对误差为0.04 dB；对于同一组数据，不同分段长度所对应的预测值与实测值均比较接近，其中最大相对误差为0.13 dB，最小相对误差为0.06 dB。在某一段距离上预测值与实测值的相对误差都很小。由此可以得出结论：根据短波通信链路模型对实际工程中短波通信链路中接收端信号功率进行预测具有一定的可行性和准确性。将上述预测方法与现有的射线跟踪法和多径效应模型法进行了比较，发现本文提出的分段预测方法与这些方法相比具有一定的优势。因此，本文提出的分段预测方法是可行、可靠的。

结束语

本文总结了目前常用的短波传播路径损耗预测方法，分析了每种方法的优缺点，并结合短波实际环境特点，提出了一种基于多项式拟合的短波传播路径损耗分段预测方法。该方法采用分段拟合的方法将短波传播路径损耗分为不同的区间，通过分段拟合建立短波传播路径损耗模型，在模型中加入了短波多径效应，最后使用短波多径效应模型进行仿真验证。仿真结果表明：该分段预测方法与传统的预测方法相比，不仅降低了计算复杂度，还提高了预测精度，具有更好的应用价值。但由于该方法是基于多径效应模型建立的，对于存在多径效应的信道模型还有待进一步研究。相信随着短波通信技术的不断发展，该方法将得到更广泛地应用。

参考文献

[1]薛浩军.短波传播预测精度提升策略研究[J].数字传媒研究,2022,39(05):21-26.

[2]张周不染,张宁,庞明慧等.短波信道模型改进及功率预测方法[J].无线电通信技术,2022,48(06):1065-1073.

[3]王太军.短波传播特性及盲区通信策略分析[J].通信与信息技术,2019,No.242(06):48-54.