Моделирование цифровой пространственной обработки в условиях тропосферного распространения сантиметровых радиоволн для задач телекоммуникации

Цели. Прохождение радиолуча в слоях атмосферы зависит от показателя преломления и характера его вертикального изменения. В связи с этим могут возникнуть условия, когда радиолучи на малых высотах будут распространяться волноводным образом. При этом происходит затухание сигнала с отличающимися угловыми координатами по углу места. Целью работы является исследование на основе моделирования алгоритмов работы цифровых антенных решеток (ЦАР) для повышения дальности и надежности радиосвязи в условиях тропосферного волновода. Основными преимуществами ЦАР являются высокий коэффициент усиления и управляемость формы диаграммы направленности. При этом необходимо воспользоваться методами моделирования распространения луча в слоях тропосферы для оценки работы алгоритмов оценки угловых координат со сверхразрешением с последующим диаграммообразованием.

Методы. В работе используется аппарат параболических уравнений для оценки коэффициента затуханий радиоволн сантиметрового диапазона, а также алгоритм трассировки лучей через тропосферный волновод для оценки фаз в раскрыве антенн ЦАР. В этом случае будет достоверно сформирована пространственная корреляционная матрица, являющаяся основой для вычисления координат со сверхразрешением (метод MUSIC) и вектора весовых коэффициентов (алгоритм максимизации отношения сигнал/помеха + шум).

Результаты. Рассмотрены типичные случаи возникновения тропосферного волновода на основе модифицированного показателя преломления. Получены графики вероятности битовых ошибок после прохождения сигнала по тропосферному волноводу при разной геометрии антенных решеток. Рассмотрены кольцевые и сферические решетки из направленных антенных элементов.

Выводы. Проведенные численные исследования позволяют сделать вывод, что дальность связи в диапазоне сантиметровых волн увеличивается с помощью ЦАР. Кроме того, установлено, что кольцевая антенная решетка позволяет получить самые низкие значения вероятности битовой ошибки при приеме дискретных радиосигналов в тропосферном волноводе.

1. Schelleng J.C., Burrows C.R., Ferell E.B. Ultra-shortwave propagation. In: Proceedings of the Institute of Radio Engineers (Proc. I.R.E.). 1933;21(3):427–463. https://doi.org/10.1109/JRPROC.1933.227639

2. Anderson K. Radar measurements at 16.5 GHz in the oceanic evaporation duct. IEEE Trans. Antennas Propag. 1989;37(1): 100–106. https://doi.org/10.1109/8.192171

3. Иванов В.К., Шаляпин В.Н., Левадный Ю.В. Рассеяние ультракоротких радиоволн на тропосферных флуктуациях в приводном волноводе. Известия вузов. Радиофизика. 2009;52(4):307–317.

4. Dinc E., Akan O.B. Beyond-line-of-sight communications with ducting layer. IEEE Commun. Mag. 2014;52(10):37–43. https://doi.org/10.1109/MCOM.2014.6917399

5. Ma J., Wang J., Yang C. Long-Range Microwave Links Guided by Evaporation Ducts. IEEE Commun. Mag. 2022;60(5): 68–72. https://doi.org/10.1109/MCOM.002.00508

6. Woods G.S., Ruxton A., Huddlestone-Holmes C., Gigan G. High-Capacity, Long-Range, Over Ocean Microwave Link Using the Evaporation Duct. IEEE J. Oceanic Eng. 2009;34(3):323–330. https://doi.org/10.1109/JOE.2009.2020851

7. Mentes Ş., Kaymaz Z. Investigation of Surface Duct Conditions over Istanbul, Turkey. J. Appl. Meteor. Climatol. 2007;46(3):318–337. https://doi.org/10.1175/JAM2452.1

8. Пищин О.Н., Каламбацкая О.В. Особенности распространения радиоволн УВЧ диапазона в приземном и приводном тропосферном волноводе. Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. 2019;4:115–121. https://doi.org/10.24143/2072-9502-2019-4-115-121

9. Пищин О.Н. Анализ и экспериментальные исследования затухания радиосигнала систем сотовой подвижной радиосвязи над водной гладью. Известия ЮФУ. Серия: Технические науки. 2009;1:43–49.

10. Hartree D.R., Michel J.G.L., Nicolson P. Practical methods for the solution of the equations of tropospheric refraction. In: Meteorological Factors in Radio-Wave Propagation. Report of a Conference. The Physical Society and The Royal Meteorological Society. 1947. P. 127–168.

11. Дедов Н.М., Толстых В.Д., Серебряков М.А. Влияние тропосферных волноводов на работу радиолокатора над морской поверхностью. В сб.: Актуальные проблемы деятельности подразделений уголовно-исполнительной системы: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции в 2-х т. Воронеж; 2020. Т. 1. С. 128–132. https://www.elibrary.ru/nptlot

12. Leontovich M.A., Fok V.A. Solution of propagation of electromagnetic waves along the Earth’s surface by the method of parabolic equations. J. Phys. USSR. 1946;10(1):13–23.

13. Ахияров В.В. Вычисление множителя ослабления при обратном рассеянии от земной поверхности методом параболического уравнения. Журнал радиоэлектроники. 2019;11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.11.1

14. Zhang P., Lu Bai, Wu Z., Guo L. Applying the parabolic equation to tropospheric groundwave propagation: A review of recent achievements and significant milestones. IEEE Trans. Antennas Propag. Mag. 2016;58(3):31–44. https://doi.org/10.1109/MAP.2016.2541620

15. Levy M. Parabolic Equation Methods for Electromagnetic Wave Propagation. London: IET; 2000. 336 p.

16. Ozlem O., Gokhan A., Mustafa K., Levent S. PETOOL: MATLAB-based one-way and two-way split-step parabolic equation tool for radiowave propagation over variable terrain. Computer Phys. Commun. 2011;182(12):2638–2654. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2011.07.017

17. Sirkova I. Propagation Factor and Path Loss Simulation Results for Two Rough Surface Reflection Coefficients Applied to the Microwave Ducting Propagation Over the Sea. Progress In Electromagnetics Research M. (PIERM). 2011;17:151–166. http://doi.org/10.2528/PIERM11020602

18. Zeng Y., Blahak U., Neuper M., Jerger D. Radar Beam Tracing Methods Based on Atmospheric Refractive Index. J. Atmos. Oceanic Technol. 2014;31(12):2650–2670. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-13-00152.1

19. Нечаев Ю.Б., Пешков И.В. Исследование цифрового диаграммообразования для оптимального помехо- и шумоподавления в антенных решетках различной формы с направленными излучателями. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2022;25(2):73–82. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.2.73-82

20. Schmidt R.O Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation. IEEE Trans. Antennas Propag. 1986;AP-34(3): 276–280. https://doi.org/10.1109/TAP.1986.1143830

21. Balanis C., Ioannides P. Introduction to Smart Antennas. San Rafael: Morgan & Claypool Publishers; 2007. 174 p.

22. Dinc E., Akan O.B. Channel Model for the Surface Ducts: Large-Scale Path-Loss, Delay Spread, and AOA. IEEE Trans. Antennas and Propag. 2015;63(6):2728–2738. http://doi.org/10.1109/TAP.2015.2418788

23. Nechaev Y.B., Peshkov I.W. Simulation of Digital and Analog Spatial Filtering of VHF Signals in Channel with Losses due to Multipple Diffraction. In: 2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications. 2022. https://doi.org/10.1109/IEEECONF53456.2022.9744371