陳褒丹，任 佳，莫惠芳

(海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南?？?70228)

責(zé)任編輯:薛 京

海洋信息化建設(shè)是國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋領(lǐng)土管控的重要需求，也是實(shí)施我國(guó)海洋可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的技術(shù)支撐。海洋信息化是陸地信息化的延伸，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)為海上無(wú)線通信技術(shù)。海上無(wú)線通信技術(shù)不是陸地通信技術(shù)的簡(jiǎn)單移植，需要對(duì)陸地通信技術(shù)進(jìn)行改造，以適應(yīng)海上無(wú)線電傳播特征、遠(yuǎn)距離高速率傳輸和低使用成本等要求。

目前海上無(wú)線通信方式主要有單邊帶短波電臺(tái)、甚高頻無(wú)線電話、超短波對(duì)講機(jī)、海岸蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)和衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)等［1］。但上述通信方式下無(wú)法達(dá)到超遠(yuǎn)距離高速率傳輸和低使用成本等要求。例如:海上甚高頻無(wú)線電話主要用于船—岸和船舶間近距離(小于20海里，1海里=1.852 m)話音通信;蜂窩移動(dòng)通信價(jià)格較低，主要用于近海、湖泊、長(zhǎng)江小型船舶的日常通信問題;海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(如INMASAT-F系統(tǒng)、Fleet-Broadband海事寬帶網(wǎng))適合遠(yuǎn)洋公海船舶通信，但終端設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用、維護(hù)更新費(fèi)用和通信資費(fèi)較高。

針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)［2］利用微波實(shí)現(xiàn)岸—海無(wú)線寬帶通信，分析了20 km傳輸距離內(nèi)微波接收功率和通信誤碼率，但無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離覆蓋要求。文獻(xiàn)［3-4］分析了蒸發(fā)波引起的微波超視距傳輸損耗情況。文獻(xiàn)［5-6］討論了利用160 MHz VHF頻段構(gòu)造海事數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想，但該方案和現(xiàn)有船載通話設(shè)備會(huì)產(chǎn)生干擾。此外這些研究尚缺乏工程實(shí)現(xiàn)的具體技術(shù)途徑。本文主要針對(duì)南海海域頻譜占用度的特點(diǎn)以及海面?zhèn)鬏斕匦?，采用“空白電視波段”彌補(bǔ)海上通信頻譜的缺口，設(shè)計(jì)了一種基于空頻譜的海上無(wú)線電波傳輸損耗模型，以尋找適合超遠(yuǎn)距離覆蓋且損耗盡可能低的無(wú)線傳輸方式。

1 基于白頻譜的南海寬帶超遠(yuǎn)距離覆蓋

1．1 南海海域電視空白頻段占用度分析

空白電視頻段是指在分配給各個(gè)電視頻道之間未被使用的空白頻率資源，本質(zhì)是間隔電視頻道、避免傳輸干擾的頻率段［7］。電視頻率規(guī)劃時(shí)，受保護(hù)信號(hào)的要求，電視頻率分配不管是地理上或者頻域上來(lái)看都非常稀疏，大片區(qū)域是空置的，由此產(chǎn)生了電視空白頻段。

數(shù)字電視由于頻譜效率的提高，在實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變之后，將釋放UHF頻段高端頻率資源［8］。讓出的電視空白頻段頻率均低于1 GHz，相對(duì)于現(xiàn)行2.4 GHz或5.8 GHz頻段，其頻率低、電波衰減小，非常適合海上遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。

我國(guó)南海海域面積廣，人口稀少，廣播電視覆蓋只能采用直播衛(wèi)星電視覆蓋技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而南海海域面積達(dá)356萬(wàn)平方千米，海域形狀近似圓形，周邊城市的廣播電視信號(hào)已基本無(wú)法覆蓋到，因此南海海域廣播電視VHF/UHF頻段的頻譜占用度很低，甚至為零。未來(lái)南海海域廣播電視的覆蓋從技術(shù)角度和經(jīng)濟(jì)角度研究也不可能采用開路的VHF/UHF電視頻段進(jìn)行覆蓋。所以，利用“電視空白頻段”等優(yōu)質(zhì)頻率資源用于構(gòu)建南海海島的超遠(yuǎn)距離覆蓋的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)是可行的，是非常適合進(jìn)行“電視空白頻段”無(wú)線電頻率資源利用開發(fā)研究試驗(yàn)的。

表1是電視波段頻率劃分表，由表1可知:空白電視頻段的資源相當(dāng)豐富，可以為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供合適的頻段，特別是UHF頻段，該頻段頻率較高，相對(duì)于VHF頻段，視距傳播距離更遠(yuǎn)，傳輸損耗也不是很高。

表1 我國(guó)電視波段頻率劃分表

一般空白電視頻段選擇UHF波段700 MHz，與傳統(tǒng)WiFi設(shè)備使用的2.4 GHz頻段相比，同樣的功率下傳播距離要大的多，空白電視頻段無(wú)線網(wǎng)絡(luò)速度比目前3G或者4G移動(dòng)寬帶技術(shù)都要快，一般是400～800 Mbit/s。并且只需原WiFi的無(wú)線接入點(diǎn)數(shù)量的1/4～1/5，這樣會(huì)大大減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

FCC的法令要求，所有免執(zhí)照電視空白頻段設(shè)備必須通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢“頻率使用數(shù)據(jù)庫(kù)”，以便保護(hù)電視頻道和無(wú)線話筒免受干擾并確定何時(shí)何地使用該空白頻段。免執(zhí)照的設(shè)備時(shí)刻偵測(cè)本頻段的使用環(huán)境狀況，一經(jīng)感知有電視或者無(wú)線話筒信號(hào)出現(xiàn)，必須停止使用該空白頻段。由于南海海上傳播距離比較遠(yuǎn)，傳輸損耗也很難干擾到周邊城市的正常廣播電視節(jié)目，無(wú)需檢查頻段使用度，可以放心使用該空白頻段進(jìn)行無(wú)線電通信。

1．2 空白電視頻段傳輸特性分析

由于采用1 GHz以下的電視頻段頻率進(jìn)行海上傳輸覆蓋，與現(xiàn)在采用的2.4 GHz或5.8 GHz的WLAN系統(tǒng)相比，傳輸距離是現(xiàn)在的3倍，覆蓋范圍是現(xiàn)在的10倍，按采用700 MHz傳輸頻率試驗(yàn)，在4W的有效全向輻射功率EIRP條件下，單站傳輸距離可達(dá)30 km，多站接力傳輸可達(dá)100 km，可實(shí)現(xiàn)南海各海島之間的WLAN傳輸覆蓋。

為解決通信速率和抗干擾，采用正交頻分多址(OFDMA)調(diào)制方式，其頻譜效率可做到3 bit·s-1·Hz-1以上，這樣一個(gè)空白廣播電視頻道(頻率帶寬8 MHz)上總的物理層速率可以達(dá)到24 Mbit/s以上。此外，利用OFDMA技術(shù)子載波可分配的優(yōu)勢(shì)，可方便整合物理上不連續(xù)的頻率資源，讓認(rèn)知無(wú)線電高效利用空白電視頻段成為可能。OFDMA調(diào)制可用于WLAN上行和下行信道傳輸?？紤]到WLAN應(yīng)用于海面通信時(shí)的傳播時(shí)延在25～50μs的數(shù)量級(jí)內(nèi)，為減小循環(huán)前綴時(shí)延對(duì)OFDMA同步的影響，在每個(gè)電視信道內(nèi)采用2K FFT的OFDMA。

1．3 南海島嶼WLAN超遠(yuǎn)距離覆蓋方案

采用Ad Hoc和Mesh組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端也是轉(zhuǎn)發(fā)基站，提供了網(wǎng)絡(luò)高冗余性，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母呖煽啃裕瑹o(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持高速移動(dòng)，支持終端速度在80 km/h的無(wú)線通信，即使是漁船用戶在移動(dòng)過(guò)程中仍然可以保持無(wú)線連接不間斷。以永興島為系統(tǒng)中心，它負(fù)責(zé)向附近島嶼，諸如東島(距離40 km)、永樂島(距離70 km)、金銀島(距離90 km)，通過(guò)高功率接入點(diǎn)(AP)以及高增益天線傳輸重要及實(shí)時(shí)的信息，如圖1所示。

圖1 南海島嶼WLAN超遠(yuǎn)距離覆蓋(截圖)

由于這些島嶼與永興島之間沒有其他的障礙物，因此是最佳的Mesh路徑。各個(gè)島嶼的無(wú)線節(jié)點(diǎn)既是終端也是轉(zhuǎn)發(fā)基站，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收發(fā)信號(hào)，都可同時(shí)作為AP和路由與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)由于流量過(guò)大而導(dǎo)致?lián)砣W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇到另一個(gè)流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。為了使無(wú)線覆蓋的范圍更廣，以及應(yīng)對(duì)總調(diào)度區(qū)的突發(fā)故障，采取在遠(yuǎn)距離的島嶼上增加高功率接入點(diǎn)的方案，獲得備用Mesh路徑。

2 電磁波在海面?zhèn)鬏敁p耗的特點(diǎn)

2．1 海面無(wú)線電波傳輸損耗模型分析

海上移動(dòng)通信和陸地移動(dòng)通信大不相同，海洋表面是一個(gè)不可預(yù)測(cè)的模型，由于風(fēng)吹起的海浪使信號(hào)傳輸表面不平坦，船舶本身的存在使信號(hào)具有反射、衍射、多徑效應(yīng)、多普勒頻移現(xiàn)象，并且地球曲率也影響信號(hào)傳輸，隨著電波傳播距離增加，球面波的自然擴(kuò)散會(huì)引起衰減。因此海上移動(dòng)通信并不認(rèn)為是一個(gè)直射波傳播模型，當(dāng)發(fā)送機(jī)發(fā)出信號(hào)時(shí)，應(yīng)該考慮到散射、衍射和反射，并認(rèn)為海面是一個(gè)不規(guī)則的地形。

目前，針對(duì)海上移動(dòng)信道特點(diǎn)，文獻(xiàn)［9］認(rèn)為海上無(wú)線電波可以看作自由空間傳播;文獻(xiàn)［10］在福建漳州對(duì)海面1 800 MHz信號(hào)進(jìn)行了岸—海的海上無(wú)線傳播特征的測(cè)試;文獻(xiàn)［11］提出Okumura-Hata模型和Irregular Terrain Methodology(ITM)模型，預(yù)測(cè)海上移動(dòng)信道的損耗。Okumura-Hata模型具有一般通用性，在幾千米到幾百千米范圍內(nèi)被廣泛用來(lái)預(yù)測(cè)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng);ITM模型不僅考慮了介電常數(shù)、海面導(dǎo)電率、海面折射率以及海面粗糙度等與地形有關(guān)的因素，還考慮了不同的氣候類型和天線的位置標(biāo)準(zhǔn)等，更適合海上傳輸損耗預(yù)測(cè)。然而，面對(duì)海上移動(dòng)信道的實(shí)際情況，Okumura-Hata模型受到地形特征、周圍環(huán)境等的限制，雖然ITM模型適合海上傳輸損耗預(yù)測(cè)，但是ITM模型不能夠預(yù)測(cè)短距離1 km以內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)也沒有考慮到接收機(jī)周圍環(huán)境的影響因素。

為了能夠更好地預(yù)測(cè)海上移動(dòng)信道傳輸路徑損耗值，提出了基于改進(jìn)的ITM信道傳輸模型進(jìn)行海上無(wú)線電波傳播的損耗中值預(yù)測(cè)。改進(jìn)的方法主要是利用雙徑模型對(duì)ITM模型進(jìn)行修正。

2．2 基于ITM模型下的雙徑反射模型

ITM模型頻率適用范圍為20～40 000 MHz，收發(fā)天線高度為0.5～3 000m，覆蓋半徑1～2 000 km，表面折射率為250～400 Ns。本文主要在ITM模型的基礎(chǔ)上考慮近島區(qū)域內(nèi)海面存在一條較強(qiáng)的直射波信號(hào)和一條海面反射波的雙徑反射情況，該雙徑反射預(yù)測(cè)模型示意如圖2所示。

圖2 雙徑反射模型示意圖

如圖2所示，在該情況下，ITM模型中的中視距和海面反射的路徑差為

式中:r1，r2分別是視距傳輸路徑長(zhǎng)度、反射路徑長(zhǎng)度;ht，hr是發(fā)送端天線高度、接收端天線高度;d是收發(fā)端間距。

因此，兩電場(chǎng)成分的相位差為

所以，路徑增益等于式(1)乘以自由空間損耗為

式中:pL(dB)是路徑傳播損耗的分貝表示形式。

2．3 仿真實(shí)驗(yàn)

按照第2節(jié)設(shè)計(jì)的海島無(wú)線寬帶覆蓋方案，做出如下假設(shè):

1)島嶼基站高度為200 m，頻率700 MHz，船舶加天線高度為10 m，覆蓋范圍為50～100 km，每間隔1 km作為測(cè)試點(diǎn);

2)海上氣候類型為亞熱帶海洋性氣候，存在云霧衰減;

3)海面粗糙度為1，即海面風(fēng)速12～19 km/h;

4)海面介電常數(shù)為81，海面導(dǎo)電率為5，海面折射率為320 Ns;

5)天線極化方式為水平極化。

為了增加模型的可信度，采用文獻(xiàn)［10］的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與改進(jìn)的ITM模型比較，利用MATLAB軟件仿真，獲得的無(wú)線電海面?zhèn)鞑p耗如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與改進(jìn)的ITM模型比較

如圖3所示，改進(jìn)后的ITM模型的損耗預(yù)測(cè)(用實(shí)線表示)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(用星號(hào)表示)相吻合，平滑掉幾個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)毛刺點(diǎn)后模型仿真曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致，由于考慮地球曲率影響，二者都在65 km處均出現(xiàn)變陡增大拐點(diǎn)，在超視距范圍內(nèi)傳輸損耗快速增加。而其他稍高頻段點(diǎn)的非視距傳播轉(zhuǎn)折點(diǎn)則在更遠(yuǎn)的傳輸距離處。該實(shí)驗(yàn)證明利用改進(jìn)的ITM模型能夠準(zhǔn)確反映出海面?zhèn)鬏斕匦?，為尋找合適超遠(yuǎn)距離覆蓋且損耗盡可能低的無(wú)線傳輸方式提供幫助。

3 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線通信快速發(fā)展的今天，頻譜的占用度日益增長(zhǎng)，空白電視頻段的出現(xiàn)為無(wú)線通信的發(fā)展開辟了道路，WLAN作為南海海域無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的選擇，利用空白頻段傳輸信息，達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸信息的目的。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)雜的工程，其信號(hào)覆蓋的可規(guī)劃性要求較高，需要建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建模工具，科學(xué)地對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署和信號(hào)覆蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不僅僅依靠人力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

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