文│ 91550 部隊(duì) 邵 凌 方 勇 李 燕

1 引言

艦艇對(duì)岸或潛艇（通過(guò)潛艇拖帶浮筏）對(duì)岸的微波通信是屬于海面移動(dòng)站與陸地固定站之間的海面移動(dòng)無(wú)線通信，是一種隨機(jī)性較強(qiáng)的變參信道，具有不同延時(shí)的多徑信號(hào)相疊加，會(huì)產(chǎn)生破壞性干擾，使鏈路性能不穩(wěn)定。

2 海面上電波傳播的反射系數(shù)

在艦/潛對(duì)岸的通信中，微波信號(hào)從空氣傳播到海水的分界面時(shí)，由于分界面兩側(cè)媒質(zhì)的本征阻抗不同，將發(fā)生電磁波的反射與折射。

空氣是一種理想介質(zhì)，海水是一種非理想導(dǎo)體介質(zhì)（相對(duì)介電常數(shù)εr=80，電導(dǎo)率σ=4Ω/m，磁導(dǎo)率μ0）。反射系數(shù)與入射角、電波極化方式、電波頻率和反射介質(zhì)的特性有關(guān)。根據(jù)反射定律和施耐爾定律，有：

水平極化波的反射系數(shù)：

垂直極化波的反射系數(shù)：

其中，Erm、Eim分別為水平或垂直極化波入射波和反射波電場(chǎng)的復(fù)振幅，θ為入射角，為海水相對(duì)復(fù)數(shù)介電常數(shù)，

3 海面移動(dòng)通信的衰落分析

由于海面移動(dòng)無(wú)線信道的復(fù)雜性，使得在該環(huán)境下傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)存在不同類(lèi)型、不同程度的衰落，除了自由空間損耗外，還有小尺度的快速波動(dòng)和大尺度的慢速波動(dòng)。小尺度的波動(dòng)是由于附近物體和海面的反射、漫反射所產(chǎn)生的多個(gè)路徑引起的，是快衰落或多徑衰落。信號(hào)的振幅除了快衰落以外，還存在一種緩慢的變化，即快衰落是疊加在慢衰落這種緩慢的變化之上的，這種緩慢的變化主要是由于海面站至岸站之間物體遮擋和大氣折射系數(shù)變化造成的。

3.1 海面移動(dòng)通信環(huán)境對(duì)微波信號(hào)的影響

在海面移動(dòng)信道中，信號(hào)會(huì)受到如下幾個(gè)方面的衰減損失。

（1）彌散損耗

當(dāng)海面波浪較大，不能視為光滑水平面時(shí)，微波信號(hào)會(huì)受到波浪引起的散射。由于散射的存在，在電波傳播過(guò)程中信號(hào)功率必然會(huì)受到損失，產(chǎn)生彌散損耗。

（2）多普勒效應(yīng)

◆海面信道機(jī)與岸站信道機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使接收信號(hào)的頻率發(fā)生偏移，產(chǎn)生隨機(jī)頻率調(diào)制；

◆環(huán)境物體（如海面波浪或附近船只）的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起時(shí)變的多普勒頻移。如果環(huán)境物體的速度大于海面移動(dòng)站的速度，將對(duì)小尺度衰落起決定作用，否則，僅可考慮海面移動(dòng)站的運(yùn)動(dòng)影響，忽略環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)影響。

（3）多徑效應(yīng)

由于海面、鄰近物體、艦船本體和大氣等的反射、散射、繞射作用，形成了不同路徑，使合成信號(hào)在幅度、相位發(fā)生隨機(jī)變化，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，它可能引起碼間干擾，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

（4）深衰落

根據(jù)中斷率計(jì)算公式：

其中，A為氣候因子；Q為地形條件因子；b為頻率因子，取值b=1.3；c為距離因子，取值c=3.1；h2-h1為收發(fā)天線高度差。中斷率ρ與Q成正比，而Q與地面粗糙度S-1.3成正比（美國(guó)算法），海面越光滑，ρ越大。

海水的電導(dǎo)率較大，對(duì)電波傳播的衰減較小，其反射系數(shù)接近于1，反射損耗非常小。所以，入射能量差不多全部轉(zhuǎn)換成為反射能量對(duì)直接波進(jìn)行干擾，這種干擾現(xiàn)象極易引起電平深度衰落，甚至導(dǎo)致中斷。

3.2 海面多徑衰落分析

3.2.1 鏡面反射和漫反射

海面多徑衰落是由于直接波和海面反射波之間的干涉引起的。反射波包括兩種分量：鏡面反射分量和不規(guī)則海浪子面的漫反射分量。在平靜海面狀況下，主要是鏡面反射分量；在粗糙海面狀況下，主要是漫反射分量。一般情況下，以Rayleigh準(zhǔn)則區(qū)分平靜海面和粗糙海面：

△h為有效浪高，λ為電磁波波長(zhǎng)，θ為入射余角。

當(dāng)海面的Fresnel反射區(qū)內(nèi)粗糙程度滿足Rayleigh準(zhǔn)則時(shí)，所有海面來(lái)的反射可以認(rèn)為是鏡面反射，否則為漫反射。對(duì)于漫反射而言，天線接收的電磁波來(lái)自于包括鏡面反射點(diǎn)在內(nèi)的反射源與接收點(diǎn)之間的廣闊海面，而不是Fresnel反射區(qū)。

3.2.2 衰落與分布類(lèi)型的定界

（1）時(shí)延擴(kuò)展

無(wú)線移動(dòng)信道中多徑特性的時(shí)延擴(kuò)展，導(dǎo)致時(shí)域擴(kuò)散，會(huì)使發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落和平坦衰落。

無(wú)線信號(hào)碼元寬度為T(mén)s，多徑信號(hào)時(shí)延擴(kuò)散的寬度為τ，當(dāng)Ts≥τ（τ/Ts→0）時(shí)，是平坦衰落；當(dāng)Ts<τ即τ/Ts不可忽略時(shí)，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。

工程上，可按下式計(jì)算τ和Ts，τ=△d /c，Ts=1/Bs。其中，△d為多徑路程差，c為電波傳輸速率，B為信號(hào)帶寬。按兩徑模型考慮時(shí)，△d =2h1h2/d（h1、h2為收發(fā)天線高度，d為站距）。實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為在τ/Ts≤0.1的條件下，當(dāng)平坦衰落處理；在τ/Ts＞0.1時(shí)要考慮頻率選擇性衰落的影響。必須指出，不能單以τ值判斷是平坦衰落還是頻率選擇性衰落。即使τ值很大，但是當(dāng)Ts→∞（即發(fā)射信號(hào)為單頻時(shí)）也是平坦衰落；如果τ值很小，當(dāng)高速傳輸時(shí)，需要較寬的信號(hào)帶寬，使τ/Ts值不可忽略，也產(chǎn)生頻率選擇性衰落。

（2）多普勒擴(kuò)展

無(wú)線移動(dòng)信道中多普勒擴(kuò)展，導(dǎo)致頻域擴(kuò)散，會(huì)使發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生快衰落和慢衰落。

當(dāng)Ts>Tc（Tc為相干時(shí)間）時(shí)，是快衰落；否則，為慢衰落。工程上，可將Tc按照如下公式計(jì)算：Tc=0.423/fm。fm為最大多普勒頻移，fm=V/λ（V為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，λ為信號(hào)波長(zhǎng)）。實(shí)際上，快衰落信道是一個(gè)低速率信道，發(fā)生在數(shù)據(jù)率很低的情況下，而慢衰落信道是一個(gè)慢速度和高數(shù)據(jù)速率的信道。為了避免快衰落失真和多普勒影響引起的誤碼，信號(hào)速率（1/Ts）必須超過(guò)衰落速率（1/ Tc）的100～200倍，確切的倍數(shù)取決于調(diào)制方式、接收機(jī)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)誤碼率要求。

（3）分布類(lèi)型

雖然在艦/潛—岸通信中普遍存在一條視距路徑，但是由于海水的強(qiáng)反射作用，使得這條直視路徑并沒(méi)有起到支配地位，所以其快衰落并不服從標(biāo)準(zhǔn)的Rician分布。

直接波和鏡面反射波是相對(duì)平穩(wěn)的相干分量，漫反射波是隨機(jī)性非相干分量。漫反射波由海面前向散射分量形成，幅度服從Rayleigh分布，相位在[0，2π]區(qū)間均勻分布。如果把直接波和鏡面反射波的和作為常矢量，那么常矢量與Rayleigh矢量作合成，接收功率將服從Nakagami—Rician分布。同時(shí)，由于陰影效應(yīng)產(chǎn)生慢衰落，接收功率還服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。因此，總的接收信號(hào)可以認(rèn)為是一種Suzuki過(guò)程。

3.3 多普勒頻移

3.3.1 由于海面信道機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移

由于海面信道機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移與物體的移動(dòng)速度、信號(hào)頻率及移動(dòng)的方向與來(lái)波方向的夾角有關(guān)。

其中，V1為海面信道機(jī)移動(dòng)速度，λ為入射波長(zhǎng)，α為信道機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與電波入射方向的夾角。

3.3.2 由于海面波浪運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，波浪運(yùn)動(dòng)速度V2為：V2=（gL/2π）1/2。其中，g為重力加速度，g=9.8m/s2，L為波浪重復(fù)間隔（m）。當(dāng)滿足布雷格諧振條件時(shí)，L=λ/（2sinθ），λ為入射波長(zhǎng)，θ為入射角。

反射信號(hào)頻率與發(fā)射載頻之間的多普勒頻移為:

其中，β為 海浪運(yùn)動(dòng)方向與電波入射方向的夾角。

4 海面移動(dòng)通信抗多徑干擾的工程措施

文獻(xiàn)中經(jīng)常提到的分集技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)、編碼技術(shù)、OFDM等技術(shù)，本文不再描述。

4.1 極化方式的選擇

圓極化波經(jīng)反射后，會(huì)發(fā)生極化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如右旋圓極化波經(jīng)海面反射后變?yōu)樽笮?，這樣，接收端右旋圓極化天線對(duì)左旋來(lái)的反射波具有一定的抑制作用。從而，圓極化天線可以有效地減少反射徑信號(hào)的影響，但是它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積和重量較大。所以，如果搭載平臺(tái)沒(méi)有對(duì)天線體積和重量的要求，一般采用圓極化天線。

一方面，由（1）、（2）式可知，垂直極化波的海面反射系數(shù)小于水平極化波的海面反射系數(shù)。同時(shí)，對(duì)于水平極化波來(lái)說(shuō)，存在布儒斯特角（令（1）式=0可求得），會(huì)發(fā)生全折射現(xiàn)象。這樣，滿足條件的電磁波能量會(huì)全部折射到海水中，而無(wú)反射波。對(duì)于垂直極化波，則沒(méi)有全折射現(xiàn)象。另一方面，電波的特性決定了水平極化波在貼近海面時(shí)會(huì)在表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受海水阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。所以，如果搭載平臺(tái)空間有限或?qū)μ炀€有較嚴(yán)格的體積和重量限制（如潛艇拖帶浮筏），天線采用線極化方式時(shí)，一般采用垂直極化方式。

由（1）、（2）、（3）、（4）和（5）式可知，頻率越高，反射系數(shù)越高，中斷率越高，多普勒頻移越大。同時(shí)，自由空間的傳輸損耗也是隨著頻率的提高而增大。所以，在進(jìn)行頻率設(shè)計(jì)時(shí)，在可選的頻率范圍內(nèi)，應(yīng)選較低頻率。

另外，隨著新技術(shù)的發(fā)展，一種±45°雙極化天線開(kāi)始使用。這種天線由于+45°和-45°正交極化，有效保證了分集接收的良好效果（其極化分集增益比單極化天線提高約2dB）。

4.2 增大天線高度差和調(diào)整天線仰角

根據(jù)兩徑傳播模型，增大天線高度差，可以使反射點(diǎn)靠近路徑端點(diǎn)，增加路徑余隙，使產(chǎn)生的電波阻擋和吸收作用較小，從而有效地減少反射衰落。另外，從中斷率的角度考慮，根據(jù)（3）式可知，增大收發(fā)天線高度差，可以降低中斷率。

理論和工程實(shí)踐表明，通過(guò)調(diào)整天線的仰角來(lái)減輕反射波的影響是有效的，但是這需要長(zhǎng)時(shí)間的觀察和反復(fù)調(diào)整。在天線的安裝調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)頻譜儀監(jiān)測(cè)收信電平，可看出收信電平受海面反射等多徑傳輸?shù)挠绊懚舷虏▌?dòng)。對(duì)天線的俯仰角做反復(fù)調(diào)整，兼顧接收電平和波動(dòng)影響（因受接收電平的限制，調(diào)整范圍不宜過(guò)大），選定最佳天線俯仰角，將海面反射波的影響進(jìn)一步減小。

4.3 頻域均衡單載波技術(shù)

時(shí)域均衡的單載波系統(tǒng)是一種很成熟的傳輸系統(tǒng)，但是不管是線性還是非線性均衡，傳統(tǒng)的時(shí)域均衡器復(fù)雜度都與信道的最大時(shí)延擴(kuò)展成正比，而且無(wú)法有效的抵抗多徑干擾。多載波OFDM系統(tǒng)雖然采用較為理想的調(diào)制技術(shù)，但是也存在一些缺點(diǎn)，如：對(duì)頻率偏移和相位噪聲比較敏感；峰值與均值功率比相對(duì)較大，降低了射頻放大器的功率效率；負(fù)載算法和自適應(yīng)跳頻技術(shù)會(huì)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度。

一種新穎的頻域均衡單載波技術(shù)可以克服時(shí)域均衡單載波系統(tǒng)和多載波OFDM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)。在多載波OFDM系統(tǒng)中，IFFT模塊在發(fā)射端把頻域映射后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)，而在頻域均衡單載波系統(tǒng)中，IFFT模塊在接收端把頻域上均衡完的信號(hào)變回時(shí)域。頻域均衡的單載波系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）與多載波OFDM系統(tǒng)相比，降低了峰值平均功率比，也就降低了功率放大器、A/D、D/A變換器的線性動(dòng)態(tài)范圍的要求，可以利用單載波成熟的射頻技術(shù)，減少了模擬器件成本。

（2）與多載波OFDM系統(tǒng)相比，不需要保證子載波之間的嚴(yán)格同步與正交特性，降低了對(duì)載波頻偏和相位噪聲的敏感性。

（3）與傳統(tǒng)單載波系統(tǒng)相比，具有與多載波性能相當(dāng)?shù)目苟鄰侥芰?，而均衡器?fù)雜度大大降低，其復(fù)雜度與信道最大時(shí)延擴(kuò)展的對(duì)數(shù)成正比。

（4）可以與OFDM系統(tǒng)共存，只需通過(guò)IFFT模塊位置的軟切換，實(shí)現(xiàn)單載波信號(hào)與OFDM信號(hào)的發(fā)射和接收。

5 結(jié)束語(yǔ)

艦/潛對(duì)岸海面移動(dòng)無(wú)線通信由于發(fā)射機(jī)的移動(dòng)性和海水的反射性，加大了電波傳播特性的復(fù)雜性，其衰落與分布類(lèi)型需要從理論和實(shí)際工程的角度統(tǒng)一分析。對(duì)于抗衰落而采取的措施，也需要結(jié)合先進(jìn)技術(shù)和工程特點(diǎn)，互相補(bǔ)充，確定最佳方案。

1 莊銘杰，郭東輝.移動(dòng)通信中無(wú)線信道特性的研究[J].電訊技術(shù)，2004，05

2 許雪梅.克服海面多徑衰落的有效措施[J].無(wú)線電工程，2005，02

3 肖善鵬，張蕾譯.現(xiàn)代電子通信（第8版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006，03