電離層特性影響下提升短波通信質量方法探析

劉 冰 張福寶 武警士官學校 浙江省杭州市 310000

0 引言

1924年，隨著第一條短波通信線路的建立，短波通信技術得到了迅猛的發展。近年來，隨著新技術、新裝備的接連問世，短波通信技術作為保底通信手段，在軍事通信中起到至關重要的作用，是唯一利用電離層反射進行中遠距離傳輸的通信方式，在遂行通信保障任務中不可或缺。而電離層是大氣層中天然形成的，也是短波通信遠距離傳輸時的主要媒介，通過對電離層特性的深度分析，發現電離層特性與短波通信的特定規律，對提升短波通信信號質量至關重要。

1 短波通信與電離層的關系

1.1 短波通信傳輸特性

短波通信主要傳輸方式為天波傳輸和地波傳輸。由于地表對電磁波有一定吸收作用，加之地波繞射能力較差，有效的傳輸距離有限，因此地波一般只適用于近距離傳輸。而天波傳輸可靠電離層反射進行遠距離傳輸，信號損耗也相對較少，在傳輸過程中不需要人造中繼即可實現遠距離傳輸。

1.2 電離層特性

電離層存在于大氣層當中，距離地表約60 km 以上，溫度在180 K到3000 K之間，是地球大氣的一個重要層區。主要由于太陽輻射、紫外線照射、宇宙射線等作用于地球大氣層，使之分裂生成帶負電荷的電子和帶正電荷的離子以及中性粒子組成的電離層。

衡量電離層特性最重要的參數是電子密度，根據電子密度的分布，電離層劃分如圖1所示，各層電子密度D＜E＜F1＜F2。各層級的高度會隨著所處地區的緯度、季節、晝夜、太陽黑子活動等不同自然因素做出周期性或非周期性的變換。夜晚由于太陽電磁輻射降低，D層幾乎消失，E層和F層電子密度也有不同程度的降低。電子密度受太陽輻射影響一般規律為，夏季高于冬季，低緯度高于高緯度，白天高于夜晚。除此之外，電子密度還會受到高空核試驗、核輻射、大功率雷達輻射等人為因素影響，極易受到干擾。

1.3 電離層特性對短波通信的影響

電離層屬于一種具有隨機性、各向異性等特性的半導體介質，由于電離層的隨機性也就注定了短波天波傳輸的極不穩定性，通常表現在電離層對電磁波的折射、反射、吸收、衰落等方面。

1.3.1 電離層的折射、反射和吸收

短波使用天波傳播時，會出現折射和反射的情況，電離層電子密度愈高、短波工作頻率愈低，電離層對電磁波的折射率和反射率越高［1］。超短波與微波由于頻率較高，一般不會被電離層反射而直接擊穿。電磁波傳播經過電離層時，將導致電離層帶電粒子相互碰撞，消耗能量，發生能量吸收。電離層電子密度越高，電磁波頻率越低，吸收作用則越大，反之亦然。因此，當電子密度過大，信號頻率過低時，接收機所需最低解調門限信噪比不能被滿足，將導致短波通信失敗。

1.3.2 衰落

電離層每時每刻都在發生著變化，使得接收端的信號強度也在發生著時強時弱，時有時無的變化，產生衰落甚至是失真。即使處于電離層相對平穩的時期，也不會接收到穩定的信號。

（1）干涉性衰落

由于電離層不穩定的特性，當收信方接收到兩路或多個路徑經電離層反射傳來的信號時，相位很難確保一致，便形成衰落。如果各路信號相位保持一致，則收信方信號增強，反之則會削弱信號。

（2）選擇性衰落

短波通信會受頻率選擇的高低出現無規律的變化，在某個時間段內，經過電離層的某個頻率會出現明顯衰落［2］。

2 短波通信頻率選擇與電離層特性的匹配規律

天波靠電離層傳輸信號時，頻率選擇相對復雜，需結合電離層特性。工作頻率過低，短波會被電離層吸收，無法達到信號的反射要求；若所用頻率大于某一臨界值會造成穿透電離層的現象。這個臨界頻率就是最高可用頻率MUF（Maximum Usable Frequency）。一般情況下頻率選擇應符合以下規律：遠距離通信相比于近距離通信時所使用的頻率更高，白晝相比于黑夜所使用的頻率更高，酷暑季節相比于寒冬季節所使用的頻率更高，低緯度地區在選頻時一般高于高緯度地區，當進行較遠距離通信且通信方向為東西走向時，由于受地球自西向東自轉影響，一般采用不同的收發頻率以保證通信質量。如果當前頻率通聯效果不理想，可以根據電離層特性的一般規律進行改頻：臨近太陽初升，如果通信質量變差，可根據晝高夜低的規律適當將頻率調高；臨近日落時分，如果通信質量變差，可適當將頻率調低；傍晚時分，如果信號逐漸增強，之后又突然中斷，可將頻率適當調低；當太陽磁暴發生時，所使用的頻率一般要低于平時所用頻率。短波在進行天波傳輸時，所選用頻率要與電離層特性密切匹配，需結合實際經常變換頻率以保證通信質量。

3 改善短波天波傳輸時信號質量與穩定性的方法

3.1 短波天線選擇

短波通信質量的好壞與所選用天線及天線架設方式有很大關系［3］。選用天線的尺寸一般為所發射頻率波長的二分之一，短波所使用的頻段范圍較低，波長較長，因此所使用的天線尺寸較大。在進行天波傳輸時要選用相對應的天波天線。在進行遠距離通信時，不僅要考慮天線架設高度，天線架設的角度也尤為重要，通過改變天線的角度，調整天線仰角，以實現遠距離通信。在定向通信時，要考慮天線架設的方位，應與通信方向一致，確保發揮最大效能。除此之外，架設天線時還需要考慮周邊的地形以及有無較大物體遮擋，一般選在視野開闊場地進行架設。

3.2 短波頻率預測

短波頻率預測可分為長期預測與短期預測，主要是根據太陽黑子預報值、通信雙方所處地理位置（經緯度）以及通信設備功率等參數，結合電離層特性進行預測［4］。詳見表1，除通信距離外，在數據傳播時多徑效應帶來的干擾程度與通信線路選擇的頻率也密切相關。由于長期預測推算出的最高可用頻率，沒有將隨時間變化的參量計算進去，事實上也幾乎不可能將隨時間變化的乘性干擾進行精準預測，因此長期預測只能確定一個大概的頻率范圍，有助于在頻率選擇時排除低質量頻率。為提升頻率預測的精準度，在實際運用中一般采用長期預測與短期預測相結合的方式，首先使用長期預測推算出可用頻率范圍，之后結合短期預測在該頻率范圍內進行精準選頻。

表1 長期預測與短期預測對比分析

3.3 RTCE探測技術

RTCE（Real-Time Channel Evaluation）實時信道估值，又稱為鏈路質量分析LQA（Link Quality Analysis）［5］。RTCE的主要特點是實時地分析到達接收端的信號，而電離層的具體變化和結構特性對其影響較小，能夠反映信息質量的參數主要有：信號能量、信噪比、誤碼率、多普勒頻移、衰落特征等指標。因此，RTCE技術是在通信線路的各個信道上做出實時信道檢測，發出的探測信號和對信道的測量是在給各個信道進行打分排序，從而能夠選出最佳的工作頻率。綜上，RTCE是在各個通信線路上進行實時探測，比依靠大量歷史數據尋找規律的頻率預測法更加準確。

4 結束語

隨著當前新型通信技術的不斷進步，短波這一傳統的通信手段面臨著巨大的挑戰，短波通信的技術手段更新迭代，改善短波通信信號質量變得尤為重要。下一步改善短波天波傳輸時的信號質量與穩定性亟須解決，安全性和可靠性有待進一步提升。因此，分析電離層特性對短波通信的影響因素，總結和發現短波通信頻率選擇與電離層特性的匹配規律，為今后提升短波通信質量提供了重要依據。