鄭劍彪

【摘 要】隨著大型船舶的發(fā)展和陸上集群調(diào)度通信的成熟，未來(lái)以民用集群調(diào)度通信系統(tǒng)為代表的無(wú)線通信手段在大型船舶上的應(yīng)用將成為一種可能。以船舶平臺(tái)作為試驗(yàn)載體，通過(guò)對(duì)模擬環(huán)境的實(shí)地測(cè)試，對(duì)無(wú)線通信在船上的傳播特性進(jìn)行分析，提供了一種適合于船舶平臺(tái)的無(wú)線傳輸特性的分析方法，并建立無(wú)線傳輸模型。

【關(guān)鍵詞】船舶平臺(tái) 集群調(diào)度通信 無(wú)線傳輸

1 引言

目前，集群調(diào)度通信在機(jī)場(chǎng)、重大活動(dòng)場(chǎng)館（如奧運(yùn)、亞運(yùn)場(chǎng)館）、礦場(chǎng)和市區(qū)內(nèi)（如公共安全等）等陸地上特定場(chǎng)合已經(jīng)普遍應(yīng)用，在通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)劃與優(yōu)化中，相應(yīng)采用的無(wú)線信號(hào)的傳播特性與模型早已是相對(duì)成熟。相對(duì)于陸地上環(huán)境的普遍應(yīng)用和技術(shù)成熟，在民用大型船舶上的應(yīng)用還相對(duì)較少，相關(guān)的研究也比較薄弱。本文以集群調(diào)度通信系統(tǒng)為參考，通過(guò)理論建立無(wú)線傳輸模型，測(cè)試無(wú)線信號(hào)在非鋼筋混泥土材料、層數(shù)多達(dá)十幾層和艙室隔段多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的船舶上的傳輸損耗，并經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出在船舶上無(wú)線信號(hào)的傳播特性。

2 傳輸特性模型

根據(jù)電磁波在自由空間內(nèi)的傳播理論，通過(guò)測(cè)試研究無(wú)線電波在船舶平臺(tái)環(huán)境下受船舶非鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)的艙壁隔段阻擋、艙門(mén)/蓋屏蔽等影響，分析其傳播損耗計(jì)算方法，建立無(wú)線傳輸模型。

2.1 自由空間無(wú)線傳播特性

自由空間無(wú)線傳輸損耗為：

排除天線增益的因素，即收發(fā)天線為增益Gr=Gt=0的理想全向天線，則自由空間的路徑傳播損耗為：

2.2 船舶環(huán)境的無(wú)線信號(hào)傳播特性與模型

相對(duì)于自由空間傳輸，在船體平臺(tái)內(nèi)電磁波傳播受影響的因素較多，如艙壁、艙頂、通道走廊、人員活動(dòng)和室內(nèi)物體擺設(shè)等，會(huì)引起電磁波的反射、折射、散射和吸收等現(xiàn)象。因此，船體平臺(tái)內(nèi)的電磁場(chǎng)分布較自由空間和一般普通陸地環(huán)境更為復(fù)雜，在描述其無(wú)線信號(hào)衰減特性時(shí)要根據(jù)不同空間環(huán)境的通信應(yīng)用需求建立相應(yīng)的無(wú)線傳播模型。

（1）全向天線應(yīng)用無(wú)線傳輸模型

首先，在船舶環(huán)境中，由于艙壁、艙頂?shù)姆瓷湟约叭藛T活動(dòng)和室內(nèi)物體擺設(shè)引起的散射，將使收發(fā)天線間存在多條傳播路徑，接收端收到的信號(hào)實(shí)際為多條路徑傳播信號(hào)的總和。其路徑損耗隨距離的衰減速度將大于上述的自由空間環(huán)境，只有在收發(fā)間完全視通、傳輸路徑周圍空曠的環(huán)境下，路徑損耗才接近于自由空間環(huán)境。為表征船舶環(huán)境中的不同路徑損耗特征，將式（2）中的20lgd改由20nlgd代替，引入路徑損耗指數(shù)n，以表征路徑損耗隨傳播距離衰減的速度。

其次，在船舶環(huán)境中，往往不能保證收發(fā)間直通。當(dāng)收發(fā)間存在艙壁、遮擋物、隔層或隔段等阻隔時(shí)，阻隔會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行吸收，導(dǎo)致傳播損耗增大。為此，在船艙內(nèi)的無(wú)線信號(hào)傳播模型中增加了隔斷引起的傳播損耗W，以表示阻隔引起的損耗。該損耗由阻隔的材質(zhì)、大小和屏蔽效果決定，對(duì)于不同的阻隔情況取值也不同。

由此得出適合船體平臺(tái)環(huán)境的無(wú)線傳播損耗模型為：

其中，20lgf為頻段差異引起的損耗；W為隔斷引起的傳播損耗；n為路徑損耗指數(shù)；d為理論凈空傳播距離。

對(duì)于大型艙室（如餐廳、會(huì)議室、健身娛樂(lè)室等）、相對(duì)面積較為空曠的甲板及頂部空曠區(qū)域（如露天泳池），適合采用式（3）進(jìn)行分析：

◆甲板及頂部空曠區(qū)域：除活動(dòng)的人員外，主要為凈空環(huán)境，其無(wú)線信號(hào)傳播特性接近于自由空間；路徑損耗指數(shù)略大于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗不大。

◆大型艙室：空間較狹窄，由金屬墻壁形成封閉空間，其無(wú)線信號(hào)傳播特性接近金屬波導(dǎo)環(huán)境，信號(hào)反射后增強(qiáng)了內(nèi)部的信號(hào)強(qiáng)度；路徑損耗指數(shù)接近甚至略小于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗大。

（2）狹長(zhǎng)空間泄漏電纜應(yīng)用無(wú)線傳輸模型

相對(duì)于大型空間，在船舶上狹長(zhǎng)的通道走廊、上下樓梯（船上樓梯一般都比較狹窄）及兩側(cè)居住排列等小型艙室，一般會(huì)采用類似陸地上礦洞、隧道和地下鐵道的同軸泄漏電纜的應(yīng)用。同軸泄漏電纜是一種能實(shí)現(xiàn)沿軸向近似均勻傳輸?shù)奶祓佋O(shè)施，其無(wú)線信號(hào)傳播與傳統(tǒng)的偶極子陣元傳播不同：偶極子陣元以球面波的方式向外輻射能量；而泄漏電纜近似以圓柱波的方式向外輻射能量。因此，泄漏電纜在通道走廊及小型居住艙室內(nèi)應(yīng)用的無(wú)線傳播模型也可以表示為：

其中，n為路徑損耗指數(shù)，理論上最小值為1；X為截距損耗值，理論上取2m處的耦合損耗因子計(jì)算；d為接收點(diǎn)距離泄漏電纜的徑向距離，單位為m。

通過(guò)模擬這兩種環(huán)境測(cè)試和分析，完成對(duì)模型中的n值和W值的修正，獲得符合船體平臺(tái)無(wú)線信號(hào)傳播特性的數(shù)據(jù)模型，從而分析實(shí)際環(huán)境電波的傳輸特性。

3 無(wú)線傳輸測(cè)試

3.1 測(cè)試的必要性

相對(duì)于陸地城市等環(huán)境，船體環(huán)境的無(wú)線信號(hào)傳播特性差別較大。為取得較準(zhǔn)確的無(wú)線信號(hào)傳播模型，有必要進(jìn)行實(shí)地的無(wú)線信號(hào)傳播特性測(cè)試。

3.2 測(cè)試步驟

本文通過(guò)對(duì)一般客貨兩用輪的大型貨倉(cāng)和過(guò)道走廊邊的會(huì)議室進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣（由于甲板面積太小，在此不進(jìn)行測(cè)試），采用如下儀器設(shè)備：

◆信號(hào)源：HP射頻信號(hào)源

◆天線：全向天線

◆泄漏電纜：7/8漏泄電纜一段

◆接收機(jī)：手持式頻譜儀

◆全向天線：增益3dBi

◆饋線：損耗1.2dB

測(cè)試步驟如下：

（1）數(shù)字信號(hào)發(fā)射源連接饋線，輸出端連接天線，天線的位置簡(jiǎn)易固定在大型艙室的正中央天花板上。

（2）設(shè)置信號(hào)源發(fā)射功率（Tx）為10dB，無(wú)調(diào)制，并確保在發(fā)射輸出狀態(tài)，選取與通信設(shè)備相近的一個(gè)900MHz頻點(diǎn)作為發(fā)射頻點(diǎn)。

（3）頻譜儀中心頻點(diǎn)設(shè)置為發(fā)射源頻點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的帶寬，并查看900MHz頻點(diǎn)上的接收幅度，等到接收功率穩(wěn)定跳動(dòng)后，在發(fā)射源附近和艙體多個(gè)位置（盡量滿足位置分布均勻和多種隔艙環(huán)境）記下幅度變化范圍值。

測(cè)試連接與示意圖如圖1所示：

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)一

大型貨艙測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)二

過(guò)道走廊及邊上艙室測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示：

4 無(wú)線傳輸損耗計(jì)算

通過(guò)對(duì)本次測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算分析，可以對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播模型特征參數(shù)進(jìn)行修正。

4.1 大型貨艙傳輸損耗

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出大型貨艙傳輸損耗如表3所示：

4.2 過(guò)道走廊傳輸損耗

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出過(guò)道走廊傳輸損耗如表5所示：

5 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)試和分析計(jì)算，獲得了金屬體為主結(jié)構(gòu)的船體平臺(tái)的艙室、通道走廊等不同環(huán)境下應(yīng)用不同的天線進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)的損耗，從而建立一種適合于船體平臺(tái)上的無(wú)線信號(hào)傳播特性分析方法和模型。

參考文獻(xiàn)：

[1] 聞?dòng)臣t. 電波傳播理論[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[2] 肖遠(yuǎn)強(qiáng)，張武軍. 漏泄電纜的性能分析[J]. 移動(dòng)通信， 2002（6）.

[3] Vijay K Garg. 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)原理與工程設(shè)計(jì)—IS-95 CDMA和cdma2000[M]. 于鵬，等譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2001.

[4] 王均宏，簡(jiǎn)水生. 漏泄同軸電纜耦合損耗的計(jì)算[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 1996（6）： 17-22.

[5] 盧萬(wàn)錚. 天線理論與技術(shù)[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2004.★endprint

【摘 要】隨著大型船舶的發(fā)展和陸上集群調(diào)度通信的成熟，未來(lái)以民用集群調(diào)度通信系統(tǒng)為代表的無(wú)線通信手段在大型船舶上的應(yīng)用將成為一種可能。以船舶平臺(tái)作為試驗(yàn)載體，通過(guò)對(duì)模擬環(huán)境的實(shí)地測(cè)試，對(duì)無(wú)線通信在船上的傳播特性進(jìn)行分析，提供了一種適合于船舶平臺(tái)的無(wú)線傳輸特性的分析方法，并建立無(wú)線傳輸模型。

【關(guān)鍵詞】船舶平臺(tái) 集群調(diào)度通信 無(wú)線傳輸

1 引言

目前，集群調(diào)度通信在機(jī)場(chǎng)、重大活動(dòng)場(chǎng)館（如奧運(yùn)、亞運(yùn)場(chǎng)館）、礦場(chǎng)和市區(qū)內(nèi)（如公共安全等）等陸地上特定場(chǎng)合已經(jīng)普遍應(yīng)用，在通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)劃與優(yōu)化中，相應(yīng)采用的無(wú)線信號(hào)的傳播特性與模型早已是相對(duì)成熟。相對(duì)于陸地上環(huán)境的普遍應(yīng)用和技術(shù)成熟，在民用大型船舶上的應(yīng)用還相對(duì)較少，相關(guān)的研究也比較薄弱。本文以集群調(diào)度通信系統(tǒng)為參考，通過(guò)理論建立無(wú)線傳輸模型，測(cè)試無(wú)線信號(hào)在非鋼筋混泥土材料、層數(shù)多達(dá)十幾層和艙室隔段多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的船舶上的傳輸損耗，并經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出在船舶上無(wú)線信號(hào)的傳播特性。

2 傳輸特性模型

根據(jù)電磁波在自由空間內(nèi)的傳播理論，通過(guò)測(cè)試研究無(wú)線電波在船舶平臺(tái)環(huán)境下受船舶非鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)的艙壁隔段阻擋、艙門(mén)/蓋屏蔽等影響，分析其傳播損耗計(jì)算方法，建立無(wú)線傳輸模型。

2.1 自由空間無(wú)線傳播特性

自由空間無(wú)線傳輸損耗為：

排除天線增益的因素，即收發(fā)天線為增益Gr=Gt=0的理想全向天線，則自由空間的路徑傳播損耗為：

2.2 船舶環(huán)境的無(wú)線信號(hào)傳播特性與模型

相對(duì)于自由空間傳輸，在船體平臺(tái)內(nèi)電磁波傳播受影響的因素較多，如艙壁、艙頂、通道走廊、人員活動(dòng)和室內(nèi)物體擺設(shè)等，會(huì)引起電磁波的反射、折射、散射和吸收等現(xiàn)象。因此，船體平臺(tái)內(nèi)的電磁場(chǎng)分布較自由空間和一般普通陸地環(huán)境更為復(fù)雜，在描述其無(wú)線信號(hào)衰減特性時(shí)要根據(jù)不同空間環(huán)境的通信應(yīng)用需求建立相應(yīng)的無(wú)線傳播模型。

（1）全向天線應(yīng)用無(wú)線傳輸模型

首先，在船舶環(huán)境中，由于艙壁、艙頂?shù)姆瓷湟约叭藛T活動(dòng)和室內(nèi)物體擺設(shè)引起的散射，將使收發(fā)天線間存在多條傳播路徑，接收端收到的信號(hào)實(shí)際為多條路徑傳播信號(hào)的總和。其路徑損耗隨距離的衰減速度將大于上述的自由空間環(huán)境，只有在收發(fā)間完全視通、傳輸路徑周圍空曠的環(huán)境下，路徑損耗才接近于自由空間環(huán)境。為表征船舶環(huán)境中的不同路徑損耗特征，將式（2）中的20lgd改由20nlgd代替，引入路徑損耗指數(shù)n，以表征路徑損耗隨傳播距離衰減的速度。

其次，在船舶環(huán)境中，往往不能保證收發(fā)間直通。當(dāng)收發(fā)間存在艙壁、遮擋物、隔層或隔段等阻隔時(shí)，阻隔會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行吸收，導(dǎo)致傳播損耗增大。為此，在船艙內(nèi)的無(wú)線信號(hào)傳播模型中增加了隔斷引起的傳播損耗W，以表示阻隔引起的損耗。該損耗由阻隔的材質(zhì)、大小和屏蔽效果決定，對(duì)于不同的阻隔情況取值也不同。

由此得出適合船體平臺(tái)環(huán)境的無(wú)線傳播損耗模型為：

其中，20lgf為頻段差異引起的損耗；W為隔斷引起的傳播損耗；n為路徑損耗指數(shù)；d為理論凈空傳播距離。

對(duì)于大型艙室（如餐廳、會(huì)議室、健身娛樂(lè)室等）、相對(duì)面積較為空曠的甲板及頂部空曠區(qū)域（如露天泳池），適合采用式（3）進(jìn)行分析：

◆甲板及頂部空曠區(qū)域：除活動(dòng)的人員外，主要為凈空環(huán)境，其無(wú)線信號(hào)傳播特性接近于自由空間；路徑損耗指數(shù)略大于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗不大。

◆大型艙室：空間較狹窄，由金屬墻壁形成封閉空間，其無(wú)線信號(hào)傳播特性接近金屬波導(dǎo)環(huán)境，信號(hào)反射后增強(qiáng)了內(nèi)部的信號(hào)強(qiáng)度；路徑損耗指數(shù)接近甚至略小于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗大。

（2）狹長(zhǎng)空間泄漏電纜應(yīng)用無(wú)線傳輸模型

相對(duì)于大型空間，在船舶上狹長(zhǎng)的通道走廊、上下樓梯（船上樓梯一般都比較狹窄）及兩側(cè)居住排列等小型艙室，一般會(huì)采用類似陸地上礦洞、隧道和地下鐵道的同軸泄漏電纜的應(yīng)用。同軸泄漏電纜是一種能實(shí)現(xiàn)沿軸向近似均勻傳輸?shù)奶祓佋O(shè)施，其無(wú)線信號(hào)傳播與傳統(tǒng)的偶極子陣元傳播不同：偶極子陣元以球面波的方式向外輻射能量；而泄漏電纜近似以圓柱波的方式向外輻射能量。因此，泄漏電纜在通道走廊及小型居住艙室內(nèi)應(yīng)用的無(wú)線傳播模型也可以表示為：

其中，n為路徑損耗指數(shù)，理論上最小值為1；X為截距損耗值，理論上取2m處的耦合損耗因子計(jì)算；d為接收點(diǎn)距離泄漏電纜的徑向距離，單位為m。

通過(guò)模擬這兩種環(huán)境測(cè)試和分析，完成對(duì)模型中的n值和W值的修正，獲得符合船體平臺(tái)無(wú)線信號(hào)傳播特性的數(shù)據(jù)模型，從而分析實(shí)際環(huán)境電波的傳輸特性。

3 無(wú)線傳輸測(cè)試

3.1 測(cè)試的必要性

相對(duì)于陸地城市等環(huán)境，船體環(huán)境的無(wú)線信號(hào)傳播特性差別較大。為取得較準(zhǔn)確的無(wú)線信號(hào)傳播模型，有必要進(jìn)行實(shí)地的無(wú)線信號(hào)傳播特性測(cè)試。

3.2 測(cè)試步驟

本文通過(guò)對(duì)一般客貨兩用輪的大型貨倉(cāng)和過(guò)道走廊邊的會(huì)議室進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣（由于甲板面積太小，在此不進(jìn)行測(cè)試），采用如下儀器設(shè)備：

◆信號(hào)源：HP射頻信號(hào)源

◆天線：全向天線

◆泄漏電纜：7/8漏泄電纜一段

◆接收機(jī)：手持式頻譜儀

◆全向天線：增益3dBi

◆饋線：損耗1.2dB

測(cè)試步驟如下：

（1）數(shù)字信號(hào)發(fā)射源連接饋線，輸出端連接天線，天線的位置簡(jiǎn)易固定在大型艙室的正中央天花板上。

（2）設(shè)置信號(hào)源發(fā)射功率（Tx）為10dB，無(wú)調(diào)制，并確保在發(fā)射輸出狀態(tài)，選取與通信設(shè)備相近的一個(gè)900MHz頻點(diǎn)作為發(fā)射頻點(diǎn)。

（3）頻譜儀中心頻點(diǎn)設(shè)置為發(fā)射源頻點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的帶寬，并查看900MHz頻點(diǎn)上的接收幅度，等到接收功率穩(wěn)定跳動(dòng)后，在發(fā)射源附近和艙體多個(gè)位置（盡量滿足位置分布均勻和多種隔艙環(huán)境）記下幅度變化范圍值。

測(cè)試連接與示意圖如圖1所示：

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)一

大型貨艙測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)二

過(guò)道走廊及邊上艙室測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示：

4 無(wú)線傳輸損耗計(jì)算

通過(guò)對(duì)本次測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算分析，可以對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播模型特征參數(shù)進(jìn)行修正。

4.1 大型貨艙傳輸損耗

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出大型貨艙傳輸損耗如表3所示：

4.2 過(guò)道走廊傳輸損耗

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出過(guò)道走廊傳輸損耗如表5所示：

5 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)試和分析計(jì)算，獲得了金屬體為主結(jié)構(gòu)的船體平臺(tái)的艙室、通道走廊等不同環(huán)境下應(yīng)用不同的天線進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)的損耗，從而建立一種適合于船體平臺(tái)上的無(wú)線信號(hào)傳播特性分析方法和模型。

參考文獻(xiàn)：

[1] 聞?dòng)臣t. 電波傳播理論[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[2] 肖遠(yuǎn)強(qiáng)，張武軍. 漏泄電纜的性能分析[J]. 移動(dòng)通信， 2002（6）.

[3] Vijay K Garg. 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)原理與工程設(shè)計(jì)—IS-95 CDMA和cdma2000[M]. 于鵬，等譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2001.

[4] 王均宏，簡(jiǎn)水生. 漏泄同軸電纜耦合損耗的計(jì)算[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 1996（6）： 17-22.

[5] 盧萬(wàn)錚. 天線理論與技術(shù)[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2004.★endprint

【摘 要】隨著大型船舶的發(fā)展和陸上集群調(diào)度通信的成熟，未來(lái)以民用集群調(diào)度通信系統(tǒng)為代表的無(wú)線通信手段在大型船舶上的應(yīng)用將成為一種可能。以船舶平臺(tái)作為試驗(yàn)載體，通過(guò)對(duì)模擬環(huán)境的實(shí)地測(cè)試，對(duì)無(wú)線通信在船上的傳播特性進(jìn)行分析，提供了一種適合于船舶平臺(tái)的無(wú)線傳輸特性的分析方法，并建立無(wú)線傳輸模型。

【關(guān)鍵詞】船舶平臺(tái) 集群調(diào)度通信 無(wú)線傳輸

1 引言

目前，集群調(diào)度通信在機(jī)場(chǎng)、重大活動(dòng)場(chǎng)館（如奧運(yùn)、亞運(yùn)場(chǎng)館）、礦場(chǎng)和市區(qū)內(nèi)（如公共安全等）等陸地上特定場(chǎng)合已經(jīng)普遍應(yīng)用，在通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)劃與優(yōu)化中，相應(yīng)采用的無(wú)線信號(hào)的傳播特性與模型早已是相對(duì)成熟。相對(duì)于陸地上環(huán)境的普遍應(yīng)用和技術(shù)成熟，在民用大型船舶上的應(yīng)用還相對(duì)較少，相關(guān)的研究也比較薄弱。本文以集群調(diào)度通信系統(tǒng)為參考，通過(guò)理論建立無(wú)線傳輸模型，測(cè)試無(wú)線信號(hào)在非鋼筋混泥土材料、層數(shù)多達(dá)十幾層和艙室隔段多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的船舶上的傳輸損耗，并經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出在船舶上無(wú)線信號(hào)的傳播特性。

2 傳輸特性模型

根據(jù)電磁波在自由空間內(nèi)的傳播理論，通過(guò)測(cè)試研究無(wú)線電波在船舶平臺(tái)環(huán)境下受船舶非鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)的艙壁隔段阻擋、艙門(mén)/蓋屏蔽等影響，分析其傳播損耗計(jì)算方法，建立無(wú)線傳輸模型。

2.1 自由空間無(wú)線傳播特性

自由空間無(wú)線傳輸損耗為：

排除天線增益的因素，即收發(fā)天線為增益Gr=Gt=0的理想全向天線，則自由空間的路徑傳播損耗為：

2.2 船舶環(huán)境的無(wú)線信號(hào)傳播特性與模型

相對(duì)于自由空間傳輸，在船體平臺(tái)內(nèi)電磁波傳播受影響的因素較多，如艙壁、艙頂、通道走廊、人員活動(dòng)和室內(nèi)物體擺設(shè)等，會(huì)引起電磁波的反射、折射、散射和吸收等現(xiàn)象。因此，船體平臺(tái)內(nèi)的電磁場(chǎng)分布較自由空間和一般普通陸地環(huán)境更為復(fù)雜，在描述其無(wú)線信號(hào)衰減特性時(shí)要根據(jù)不同空間環(huán)境的通信應(yīng)用需求建立相應(yīng)的無(wú)線傳播模型。

（1）全向天線應(yīng)用無(wú)線傳輸模型

首先，在船舶環(huán)境中，由于艙壁、艙頂?shù)姆瓷湟约叭藛T活動(dòng)和室內(nèi)物體擺設(shè)引起的散射，將使收發(fā)天線間存在多條傳播路徑，接收端收到的信號(hào)實(shí)際為多條路徑傳播信號(hào)的總和。其路徑損耗隨距離的衰減速度將大于上述的自由空間環(huán)境，只有在收發(fā)間完全視通、傳輸路徑周圍空曠的環(huán)境下，路徑損耗才接近于自由空間環(huán)境。為表征船舶環(huán)境中的不同路徑損耗特征，將式（2）中的20lgd改由20nlgd代替，引入路徑損耗指數(shù)n，以表征路徑損耗隨傳播距離衰減的速度。

其次，在船舶環(huán)境中，往往不能保證收發(fā)間直通。當(dāng)收發(fā)間存在艙壁、遮擋物、隔層或隔段等阻隔時(shí)，阻隔會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行吸收，導(dǎo)致傳播損耗增大。為此，在船艙內(nèi)的無(wú)線信號(hào)傳播模型中增加了隔斷引起的傳播損耗W，以表示阻隔引起的損耗。該損耗由阻隔的材質(zhì)、大小和屏蔽效果決定，對(duì)于不同的阻隔情況取值也不同。

由此得出適合船體平臺(tái)環(huán)境的無(wú)線傳播損耗模型為：

其中，20lgf為頻段差異引起的損耗；W為隔斷引起的傳播損耗；n為路徑損耗指數(shù)；d為理論凈空傳播距離。

對(duì)于大型艙室（如餐廳、會(huì)議室、健身娛樂(lè)室等）、相對(duì)面積較為空曠的甲板及頂部空曠區(qū)域（如露天泳池），適合采用式（3）進(jìn)行分析：

◆甲板及頂部空曠區(qū)域：除活動(dòng)的人員外，主要為凈空環(huán)境，其無(wú)線信號(hào)傳播特性接近于自由空間；路徑損耗指數(shù)略大于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗不大。

◆大型艙室：空間較狹窄，由金屬墻壁形成封閉空間，其無(wú)線信號(hào)傳播特性接近金屬波導(dǎo)環(huán)境，信號(hào)反射后增強(qiáng)了內(nèi)部的信號(hào)強(qiáng)度；路徑損耗指數(shù)接近甚至略小于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗大。

（2）狹長(zhǎng)空間泄漏電纜應(yīng)用無(wú)線傳輸模型

相對(duì)于大型空間，在船舶上狹長(zhǎng)的通道走廊、上下樓梯（船上樓梯一般都比較狹窄）及兩側(cè)居住排列等小型艙室，一般會(huì)采用類似陸地上礦洞、隧道和地下鐵道的同軸泄漏電纜的應(yīng)用。同軸泄漏電纜是一種能實(shí)現(xiàn)沿軸向近似均勻傳輸?shù)奶祓佋O(shè)施，其無(wú)線信號(hào)傳播與傳統(tǒng)的偶極子陣元傳播不同：偶極子陣元以球面波的方式向外輻射能量；而泄漏電纜近似以圓柱波的方式向外輻射能量。因此，泄漏電纜在通道走廊及小型居住艙室內(nèi)應(yīng)用的無(wú)線傳播模型也可以表示為：

其中，n為路徑損耗指數(shù)，理論上最小值為1；X為截距損耗值，理論上取2m處的耦合損耗因子計(jì)算；d為接收點(diǎn)距離泄漏電纜的徑向距離，單位為m。

通過(guò)模擬這兩種環(huán)境測(cè)試和分析，完成對(duì)模型中的n值和W值的修正，獲得符合船體平臺(tái)無(wú)線信號(hào)傳播特性的數(shù)據(jù)模型，從而分析實(shí)際環(huán)境電波的傳輸特性。

3 無(wú)線傳輸測(cè)試

3.1 測(cè)試的必要性

相對(duì)于陸地城市等環(huán)境，船體環(huán)境的無(wú)線信號(hào)傳播特性差別較大。為取得較準(zhǔn)確的無(wú)線信號(hào)傳播模型，有必要進(jìn)行實(shí)地的無(wú)線信號(hào)傳播特性測(cè)試。

3.2 測(cè)試步驟

本文通過(guò)對(duì)一般客貨兩用輪的大型貨倉(cāng)和過(guò)道走廊邊的會(huì)議室進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣（由于甲板面積太小，在此不進(jìn)行測(cè)試），采用如下儀器設(shè)備：

◆信號(hào)源：HP射頻信號(hào)源

◆天線：全向天線

◆泄漏電纜：7/8漏泄電纜一段

◆接收機(jī)：手持式頻譜儀

◆全向天線：增益3dBi

◆饋線：損耗1.2dB

測(cè)試步驟如下：

（1）數(shù)字信號(hào)發(fā)射源連接饋線，輸出端連接天線，天線的位置簡(jiǎn)易固定在大型艙室的正中央天花板上。

（2）設(shè)置信號(hào)源發(fā)射功率（Tx）為10dB，無(wú)調(diào)制，并確保在發(fā)射輸出狀態(tài)，選取與通信設(shè)備相近的一個(gè)900MHz頻點(diǎn)作為發(fā)射頻點(diǎn)。

（3）頻譜儀中心頻點(diǎn)設(shè)置為發(fā)射源頻點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的帶寬，并查看900MHz頻點(diǎn)上的接收幅度，等到接收功率穩(wěn)定跳動(dòng)后，在發(fā)射源附近和艙體多個(gè)位置（盡量滿足位置分布均勻和多種隔艙環(huán)境）記下幅度變化范圍值。

測(cè)試連接與示意圖如圖1所示：

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)一

大型貨艙測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)二

過(guò)道走廊及邊上艙室測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示：

4 無(wú)線傳輸損耗計(jì)算

通過(guò)對(duì)本次測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算分析，可以對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播模型特征參數(shù)進(jìn)行修正。

4.1 大型貨艙傳輸損耗

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出大型貨艙傳輸損耗如表3所示：

4.2 過(guò)道走廊傳輸損耗

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出過(guò)道走廊傳輸損耗如表5所示：

5 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)試和分析計(jì)算，獲得了金屬體為主結(jié)構(gòu)的船體平臺(tái)的艙室、通道走廊等不同環(huán)境下應(yīng)用不同的天線進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)的損耗，從而建立一種適合于船體平臺(tái)上的無(wú)線信號(hào)傳播特性分析方法和模型。

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