大气波导效应与解决方案
1 前言
对于时分双工模式（TDD）系统，要求基站保持严格的时间同步。不同基站之间的时间同步包括帧头同步和上下行转换同步。传统的同频干扰可以通过优化频点配置、干扰白噪化、功率控制、干扰协调、波束赋型等方式来对抗。同时，由于TDD系统的上行和下行传输共享同样的频率，TDD系统中除存在传统的小区间的干扰外，还存在远端基站的下行信号干扰目标小区上行信号的情形。
TDD系统的远距离同频干扰发生在相距很远的基站间。随着传播距离的增加，远端发射源的信号经过传播延迟到达近端同频的目标基站后，可能会进入目标基站的其他传输时隙，从而影响近端目标系统的正常工作，如图1所示。由于基站的发射功率远大于终端的发射功率，因此远距离同频干扰主要表现为远端小区下行信号干扰近端目标基站的上行接收。
2 成因分析
产生远距离同频干扰，必然是发生了超过保护间隔以上的超远距离传输。商用的TDD系统，如SCDMA（大灵通）和TD-SCDMA均已证实远距离同频干扰的存在性。远距离同频干扰的发生与信号传输环境和基站高度等有关。
2.1 主要因素
在 “低空大气波导”效应下，电磁波好像在波导中传播一样，传播损耗很小（近似于自由空间传播），可以绕过地平面，实现超视距传输。当远处基站达到一定的基站高度级别时，在存在“低空大气波导”现象的情况下，远处基站的大功率下行信号可以产生远距离传输到达近处基站。由于远距离传输时间超过TDD系统的上下行保护间隔，远处基站的下行信号在近处基站的接收时隙被近处基站收到，从而干扰了近处基站的上行接收，产生TDD系统的远距离同频干扰。
大气波导是一种特殊天气下形成的大气对电磁波折射效应，各地分布不同：南海地区春秋冬季出现较多；东部沿海夏秋季出现较多；西北地区春秋冬季出现较多。我国东南部波导出现傍晚多于早上，西北地区则是早上多于晚上。
2.2 辅助因素
基站的发射天线与接收天线高度要求高于周围的建筑物，否则信号很容易被建筑物阻挡。当天线高度足够高时，远端基站下行信号在“抵抗大气波导”效应下可能会发生超远传输，干扰近端的上行信号。
第４７卷 第１２期 ２０１７年１２月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４７．Ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１７
文章编号：１００１．５０７８（２０１７）１２－１５２５－０６ ・光纤及光通讯技术・
大气衰减效应对光通信影响及仿真分析
刁红翔 ，张义浦 ，唐雁峰 ，常丽敏 （１．空军航空大学，吉林长春１３００２２；２．长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春１３００２２）
摘要：为了准确把握近地光通信时大气因素的作用机制和影响效果，有效提升通信质量，考 虑针对首要影响因子——大气衰减效应进行建模、分析和仿真。首先细化了衰减效应分类，然 后结合大气参数和类别特点建立了相关描述模型；在此基础上，利用大气窗口下的光通信常用 波段进行了模型仿真和分析。主要结果表明，长波长激光和高海拔通信有利于光通信的进行， 而大高差斜距通信模式则需要规避。这些结论的得出为大气光通信信道模型的建立以及光通 信的开展提供了参考和依据，具有一定的指导意义。 关键词：光通信；大气衰减；大气吸收；大气散射；大气折射 中图分类号：ＴＮ９２９．１２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—５０７８．２０１７．１２．０１３
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ
ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ＤＩＡＯ Ｈｏｎｇ—ｘｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉ—ｐｕ ，ＴＡＮＧ Ｙａｎ．ｆｅｎｇ ，ＣＨＡＮＧ Ｌｉ—ｍｉｎ （１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）
1地气系统辐射平衡图第7章大气气溶胶的气候效应
有，没有
多，少能量-温度
全球气候变化人为原因温室气体气溶胶土地利用城市化
辐射强迫：因大气成分发生变化，使得太阳短波净
辐射通量或长波净辐射通量发生变化。一、辐射强迫定义F
1F
4
TOA
Surface
F
2F
3净辐射(TOA)=F
1-F
4
ΔF(TOA)= (F
1-F
4)
aero –(F
1-F
4)
non_aero
ΔF (Surf.)=(F
2-F
3)
aero –(F
2-F
3)
non_aero
coolingFFgwarFF
aerononaerosolaerononaerosol
0min0
__
净辐射(surf.)=F
2-F
3
2
单位= W/m2
694
547104139694
39181164
SurfaceTOA
no aerosols in the atmosphereaerosols in the atmosphere
(flux down –flux up)
aerosol–(flux down –flux up)
no aerosol
694 -
547 -104139694 -
391 -81164
= 310= 443= 530= 555
SurfaceTOA
no aerosols in the atmosphereaerosols in the atmosphere
ΔF
surface= 310 –443 = -133; ΔF
TOA= 530 –555 = -25
9二、气溶胶辐射强迫分类
1、直接辐射强迫
2、间接辐射强迫
第一间接辐射强迫
第二间接辐射强迫
3、半直接辐射强迫（半间接）
11
3
13
Solar radiation absorbed(Warming)Solar radiation scattered to space (Cooling)Absorbing aerosolsScattering aerosols
e.g. Black carbon, mineral duste.g. Sulphates, nitrates, organicsMost aerosols both absorb and scatter!
3.1 大气湍流机理的研究
湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。湍流运动的动力学性质是由雷诺数 (Re)来衡量的，它是一个无量纲数，其定义为：
Re=ρvLμ=vL∨ （3.1）
式中L为流动的特征长度；v为流动的特征速度；ρ为流体的密度；μ为流体的粘性系数：∨=μv为运动粘性系数。
当由雷诺数表征的粘性流体的流动超过某一临界值时，它就从层流状态转变成一种更不规则的状态，即部分流体的速度在平均流动速度附近波动，而这些波动具有连续功率谱。通常以涡流或涡旋形式将这些波动概念化，这些涡旋造成了流体的移动或其它特性的混合。就大气来说，风速的湍流波动引起大气参量的混合，如温度、气溶胶或水汽。这里成为焦点的参数是折射率，即光学湍流。折射率的变化表现为两种形式：
由于地面温度的影响，大气中温度随高度会有梯度出现，于是折射率也出现一个梯度；随位置和时间作迅速的变化，变化的频谱可达数百赫兹，变化的空间尺度可能小到毫米量级，变化的强度与天气状况和地面状况有一定的相关关系。柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)理论即湍流的局部均匀各向同性理论(也称2/3定律)。它是建立在下面三个假设的基础上：
1) 湍流涡旋运动的随机特征是各向同性的；
2) 在局部均匀各向同性区域中，流体运动仅仅由内摩擦力和惯性力决定；
3) 在大雷诺数(Re)时，存在称为惯性范围的尺度区间，在此范围内，内摩擦力的影响是不重要的，因而可以略去，运动图像由惯性力决定。
其表达式为：
Dr（r）=Cv2r23⁄ l0
式中，纵向速度分量是平行于连接两个观察点的矢量r。常数Cv2被称作速度结构常数，它是Kolmogorov定义的，Cv2表达式如下：
Cv2=αε23⁄=2ε23⁄ （3.3）
