VHF无线优化方案.doc
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1、 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
2、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-SL0 系统增益SG=Pt+Gt+Gr-Pmin 系统衰耗SL=Lp+Ln+Lt+LrSG: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
3、: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
4、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
5、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,
6、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
7、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NS,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
8、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-SL0 (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=S3 上
9、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
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