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VHF无线覆盖优化设计与应用
□珠海海事局 陈江彦
摘要：针对长期以来VHF设计和应用中存在的普遍问题，从优化的角度出发，分析经典理论的局限，提出上下行平衡、天线合理运用的必要性和方法、建议，对VHF无线覆盖的设计与应用具有实用价值。
关键词：VHF 无线覆盖 系统余量 上下行平衡 天线

1 引言
VHF系统是海事语音和数据通信的主要通信工具，其在VTS、AIS、GMDSS等系统得到广泛应用。长期以来，VHF系统的设计及运用主要存在的问题有：
(1)依赖经典理论进行传输损耗和系统余量测算，存在较大误差；
(2)侧重无线下行覆盖预测，忽略对上下行平衡的分析，盲目采用提高发射功率来保证覆盖范围；
(3)习惯采用低增益天线s行全向覆盖，缺乏天线的合理应用。
为此，本文分别就上述三方面进行深入分析，提出相应的改进建议与方法。
2 经典链路测算的局限
海上VHF通信的经典余量公式：
系统余量SM= SG-SL>0
系统增益SG=Pt+Gt+Gr-Pmin
系统衰耗SL=Lp+Ln+Lt+Lr
SG：系统总增益（dB）
SL：系统总损耗（dB）
Pt：发射功率（dBm）
Gt：发射天线增益（dBd）
Gr：接收天线增益（dBd）
Pmin：接收机灵敏度（dBm）
Lp：传播路径损耗（dB）
Ln：噪声环境损耗（dB）；Ln典型港口取 5.5dB
Lt：发射端附加损耗（dB），包括馈线损耗、公用器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等
Lr：接收端附加损耗（dB），包括馈线损耗、公用器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等
其中，Lp=Ls+Ld+Lob,
Ls：自由空间传输损耗（dB）；
Ld：地面绕射损耗（dB）
Lob：障碍物损耗（dB）

2.1 电波传播损耗
经典文献将海面无线信号的传播可以看作自由空间传播视距电波传播，采用如下自由空间传播模型测算损耗：
Lp=Ls=32.4+20lgf(MHz)+20lgd(km) （1）
根据海上VHF通信实践及相关测试证明，将自由空间传播模型应用于海面视距传播预测，其预测结果与实测结果将会存在较大误差。因此，选用合适的传输模型是传播损耗准确预测的前提。
P.1546-3建议书，是国际电信联盟-无线电管理局（ITU-R），于2007年11月发布的点至面（point-to-area predictions）的无线电传播的预测模型，该建议书提供了24张，基于大量的实测数据基础上拟合出的场强曲线图，适用于发射频率在30-3000MHz、天线高度在3000m以下、传播距离在1000km以内的场强值预测。该建议书提供无需向CCIR（ITU-R的前身）建议书或其他预测模型那样，将视距与超视距的场强分段预测，而是在统一的平滑电波传播曲线上直接取值或测算场强值，因此，P.1546-3实现连续路径的预测。
而且，该建议还给出了在不同发射频率、天线高度、传输距离的内插/外推法的校正公式，利用校正公式，可以获得规定范围内任意频点的海上传播场强预测结果。相关调查研究显示，P.1546-3在广播业务上的预测具备更高的精确度。
某已建海岛VTS VHF岸台，天线高度h1=230 m；船台天线高度h2=10 m；工作频率f=156 MHz。在视距范围（r0=75.0 km）内，基于自由空间传播模型测算损耗Ls与基于P.1546-3模型测算损耗Lb的对比如图1所示。

图1：基于自由空间模型与P.1546-3模型测算传播损耗的对比

在同等条件下，基于自由空间传播模型测算的系统余量SM1与基于P.1546-3模型测算的系统余量SM2对比如图2所示。

图2：基于自由空间传播模型与基于P.1546-3模型测算的系统余量对比

图1中，直射波传播损耗只有在视距范围内的初始短距离内（本例7 km），两种模型测算损耗基本一致，随着距离的加大，基于P.1645-3模型测算的传播损耗明显大于基于自由空间模型测算的损耗；
图2中，当覆盖距离d=75 km时，P.1546-3模型测算的系统余量SM2=0.11,VHF系统处于余量临界状态，不能保证正常通信，与实际一致。而在同等覆盖距离下，基于自由空间传播模型测算的系统余量SM1=26.34 dB，存在很大富余，应可完全保证通信，却与实际不符。
上例说明：由P.1546-3模型预测结果符合海上无线传播特征，与实际结果一致；同时说明，视距传播损耗不能等同于自由空间传播损耗。
综上所述，我们认为，应采用P.1546-3模型作为海上VHF的传播损耗预测模型。
2.2 Pmin的定义及取值
上述经典文献将Pmin解释为接收机灵敏度S，而更多的文献将Pmin解释为接收机所要求输入的最低保护功率电平。
早期接收机灵敏度较低（S值较高，如S=0.5 uV=-110 dBm），环境噪声电平N较低（N=-117 dBm），多数情况下N<S，该取值是适用的。现今由于接收机期间及制造技术的发展，灵敏度S的显著提高（S值下降，如=0.25 uV=-119.0 dBm），而环境噪声电平N由于无线应用的发展而不断抬升（如某地实测值N=-110.0 dBm），造成N>S，即可用信号电平低于环境噪声电平，接收机无法解调。此时，若简单地将Pmin理解为接收机标称灵敏度，则由此计算系统余量将导致较大的正误差。
因此，Pmin正确的定义应为：接收机所要求输入的最低保护功率电平。Pmin的取值应为：当背景电磁噪声N≥接收机灵敏度S(12dB SINA测试灵敏度)时，Pmin=N，否则Pmin=S。
环境电磁噪声电平值N可通过频谱仪测得或直接引用电磁环境测试报告值。珠海VTS VHF156.025-160.975MHz水上业务频段的环境电磁噪声的实测电平值为-110 dBm。
2.3 系统余量公式修正
综上所述，系统余量公式修正为：
系统余量SM= SG-SL>0 （2）
系统增益SG=Pt+Gt+Gr-Pmin
系统衰耗SL=Lp+Ln+Lt+Lr
其中
Lp：传播路径损耗（dB），由P.1536-3建议书测算
Pmin：接收机所要求输入的最低保护功率电平。当背景电磁噪声N≥接收机灵敏度S(12dB SINA测试灵敏度)时， Pmin=N，否则Pmin=S
3 上下行链路平衡的必要性
由于天馈系统的互易性，上下行的连路损耗是相等的，但由于收发机发射功率、接收机灵敏度的不同，造成上下行的系统余量可能是不一致的。不一致的结果是造成通信双方的有效通信覆盖范围不等，形成单通，如果是系统下行余量大于上行余量，就会导致岸台能呼叫到船台，而接收不到船台的应答。
应当注意到，经典文献提及VHF的系统余量SM的计算时，大多考虑岸台至船台的下行链路的系统余量测算，鲜有船台至岸台的上行系统余量链路测算，缺乏上下行链路平衡分析和指导。
既然是双向通信（单工或双工），就应即考虑上、下行具有相同的系统余量SM，相同的覆盖范围——即上下行平衡。
3.1 上下行平衡测算方法

图中，
Pout_b：岸台发射机功率 （dBm）
Pmin_b：岸台接收机灵敏度（dBm）
Lb：岸台附加损耗（dB），包括馈线损耗、公用器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等；
Gb：岸台天线增益（dBd）
Lp：空间损耗，应参考ITU-R P.1546-3建议书计算。
Pout_m：船台发射机功率 （dBm），标准船台 Pout_m=25w（54dBm）
Pmin_m：船台接收机灵敏度（dBm）
G m：船台天线增益（dBd）
L m：船台附加损耗（dB），包括馈线损耗、公用器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等；

由系统余量公式（2）得出：
下行链路（岸至船）：
SM_b=Pout_ b +Gb +Gm-Lb -Lp-Lm–Ln- Pmin_m
下行链路（船至岸）：
SM_m=Pout_m +Gm +Gb -Lm -Lp-Lb –Ln- Pmin_b
上、下行平衡时，系统具有相同的上、下行余量SM（即相同的覆盖范围）：
SM_b=SM_m
即对于覆盖区内任一点 应满足 ：
Pout_b - Pout_m = Pmin_m - Pmin_b （3）
3.2 发射功率与上下行平衡
船台通常发射机标称功率Pout_m=25W（44 dBm）。船台与岸台的接收机所要求输入的最低保护功率电平趋于一致，即Pmin_m - Pmin_b（由前述2.2分析）。
此时，由（3）可知，岸台发射功率Pout_b= Pout_m =25W（44 dBm），系统具有相同的上、下行余量SM，可保证上下行平衡。
若岸台发射机功率调增为Pout_m=50W（47 dBm），将导致下行余量较上行余量多出3dB，造成下行覆盖范围大于上行覆盖范围，形成单通。可见而单方面增加岸台发射功率是无益的，势必增加无益的下行覆盖范围，造成上下行链路不平衡。
此外，由于发射功率的大幅增加，发射机MTBF指标将大幅下降，无益于设备的可靠运行。
4 VHF天线的正确应用
4.1 VHF天线的应用问题
VHF天线应用普遍存在的应用问题是：没有充分考虑目标覆盖区域特点，采用全向天线进行全向覆盖。
需要指出，海事VHF系统采用全向覆盖的弊端：
(1)全向辐射。目标覆盖区域（海上或江河水域）与非目标覆盖区域（陆地）获得同等射频辐射能量，造成射频资源浪费和干扰。
(2)全向接收。在同等天下增益下，接收目标覆盖区域信号的同时，不可避免地接收陆上无用信号，增加系统噪声及干扰。
(3)不利于增强目标覆盖范围。全向天线水平面内各角度增益均等，为了达到某些特定角度的远距覆盖要求，往往通过加大VHF 发射功率来实现覆盖范围的延伸，而发射功率的加大，不仅提高系统造价，还造成上下行链路不平衡，同时使系统可靠性降低。
4.2 VHF天线的正确选用
可见，盲目采用全向天线进行全向覆盖来满足海事VHF覆盖是不合适的。无线覆盖的原则是保证目标区域的有效覆盖同时避免或减少非目标区域的覆盖，对大多数沿岸建设的VHF岸台而言，覆盖目标区域均是水面而非陆上，这要求天线应具有方向性可调特性。
同时，根据前述分析可知，提高天线增益G有如下好处：
(1)能提高系统上下行余量SM，进而提高通信质量；
(2)或在保持原有系统上下行余量SM的条件下，增强覆盖范围；
(3)或在保持原有系统上下行余量SM及覆盖范围的条件下，降低发射功率，提高发射机可靠性。
因此高增益，方向性可调是海事VHF天线选择的基本要求。
与单个振子鞭状天线相比，对称振子阵列能够提高增益。四环阵天线（四半波折合阵子天线阵）不仅具有高增益，还具有灵活的方向性调整特性，能满足大多数海事VHF覆盖要求。
4.3 VHF天线的应用案例
图3为：某沿海VHF岸台采用不同天线及架设方式的覆盖效果比较。
仿真条件：h1=23 m,h2=10 m, Pout_b=Pmin-m=25 w, Gm=0 dB,SM=10 dB,
Pmin_b=Pmin_m= -108 dBm,
根据ITU-R P.1546-3建议书和本文建议余量公式的仿真结果：
(1)鞭状全向天线，独立安装，无塔反射：Gb=0 dBd, d=17.0 km
(2)全向四环阵子天线，独立安装，无塔反射：Gb=6 dBd,d=23 km
(3)全向四环阵天线，阵子背塔指向安装
180º方向：Gb= - 4 dBd，d=14.0 km
90°或270°方向：Gb=7 dBd, d=24.0 km
0º方向：Gb=9 dBd,d=26 km

图3

由图3的比较可看出，采用四半波折合阵子天线并适当调整其架设方式，较简单的全向覆盖方式，能获得更好的覆盖效果。
另外，对某些更注重前向覆盖的场合，可以应用八木天线或带有角型反射器的四环阵子天线进行覆盖。有研究表明，适当选择角型反射器的反射板边宽W和两板夹角α可以达到水平面半功率波瓣宽度超过60°的宽覆盖及10dBi（12.2 dBd）的高增益。而采用八木天线，将适合于某些狭长水域、湖泊等定向覆盖。
因此，实际应用中，并不是简单地应用全向天线实现所有地域/水域类型的覆盖，而应根据目标覆盖区域的特点，寻求满足覆盖区域特点的天线和架设方式。建议在需要定向覆盖的地方，采用高增益、方向性可调的天线，以获得良好的覆盖效果。
5 结语
(1)采用P.1546-3预测模型，能更准确的VHF链路测算结果；
(2)控制岸台发射功率，保证上下行链路平衡是必要的。同等岸台发射天线高度下，仅靠增加发射功率来提高覆盖距离是不恰当的，天线增益对覆盖距离的增加更加有效，且不影响上下行平衡。
(3)应避免不必要的全向覆盖，充分利用半波阵子天线阵方向性可调的特点或采用合适的定向天线，获得最佳的覆盖效果。
(4)本文的分析方法同样适用于VHF等其他频段的无线覆盖优化设计与应用。■

参考文献：
[1]刘人杰，刘晓明，索继东，等.船舶交通管理电子信息系统[M].大连：大连海事大学出版社,2006：31-33．
[2]何群,黄云鹏. 关于海面无线传播模型的探讨[J].华为技术，2002，153:6-11.
[3]ITU-R P.1546-3建议书-30MHz至3000MHz频率范围内地面业务点对面预方测法.[2007.11]. .
[4]Rainer Grosskopf, Goodbye Rec.370-Welcome Rec.1546.[2002.6].
.
[5]魏文元，宫德明，等. 天线原理[M]．北京：国防工业出版社.
[6]朱艳玲，张福顺，焦永昌．SCDMA 系统水平面宽波束覆盖定向天线的研究.
　．
[7]Andrew Corporation．DB601E-AC Omni Antenna．[2007．11]．　．
[8]Andrew Corporation．Exposed Dipole Quasi-Omni Antenna DB224．　．