李　媛，任　佳，崔亞妮

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 海南 ?？?570228)

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海面環(huán)境700 MHz頻段傳輸特性測試與模型校正

李媛，任佳，崔亞妮

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 海南 ?？?570228)

摘要:在海面環(huán)境下通過船-岸測量方式對700 MHz頻段的無線傳輸特性進(jìn)行測量?；趯崪y數(shù)據(jù)分析，引入海面雙徑傳輸損耗模型對ITU-R P.1546-5標(biāo)準(zhǔn)傳輸模型進(jìn)行校正，該校正模型可實現(xiàn)700 MHz頻段無線傳輸損耗預(yù)測。在仿真中，分別利用自由空間模型、ITU-R P.1546-5模型和ITU-R P.1546-5校正模型對700 MHz頻段的海面無線傳輸損耗進(jìn)行預(yù)測，通過與實測數(shù)據(jù)對比分析，證明ITU-R P.1546-5校正模型預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性更高，能夠為海面無線通信系統(tǒng)的設(shè)計提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞:海面無線傳輸損耗；ITU-R P.1546-5標(biāo)準(zhǔn)模型；雙徑傳輸損耗模型；模型校正

海洋資源的開發(fā)與利用，需要借助豐富的信息獲取、傳輸與處理手段。相較于信息獲取與信息處理環(huán)節(jié)，海洋環(huán)境下的信息遠(yuǎn)距離傳輸難度大、手段單一，多以海事衛(wèi)星通信為主。目前，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(如INMARSAT系統(tǒng)[1]、Fleet-Broadband海事寬帶網(wǎng)[2])能夠滿足遠(yuǎn)洋船舶通信要求，但終端設(shè)備購置費(fèi)用、維護(hù)更新費(fèi)用和通信資費(fèi)較高，無法滿足海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋工程作業(yè)、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域頻繁、海量信息傳輸?shù)男枨?。為此，研究開發(fā)適用于海洋工程多領(lǐng)域的無線通信技術(shù)成為關(guān)鍵。

海面無線通信技術(shù)不是陸地通信技術(shù)的簡單移植，需要對陸地通信技術(shù)進(jìn)行改造，以適應(yīng)海面無線傳輸特征、遠(yuǎn)距離高速率傳輸和低使用成本等要求。尤其掌握海面無線傳輸特征，是構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的海面無線傳輸預(yù)測模型是研究海面?zhèn)鬏敿夹g(shù)的前提。目前無線電傳輸預(yù)測模型主要有Okumura-Hata模型[3]、Longley-Rice模型(即Irregular Terrain Model, ITM)[4]、Durkin模型[5]以及ITU-R P.1546模型[6]等，然而上述模型的主要應(yīng)用領(lǐng)域為預(yù)測陸地環(huán)境無線傳輸損耗。其中，Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型廣泛用于預(yù)測城市及周邊的地區(qū)工作頻率在150 MHz至1 920 MHz的無線傳輸路徑損耗，預(yù)測精度較高。特別是Longley-Rice模型能夠在山區(qū)環(huán)境下，十分準(zhǔn)確地預(yù)測VHF和UHF電視頻段內(nèi)的接收場強(qiáng)[7]。當(dāng)傳輸距離大于50 km時，Longley-Rice模型的預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相吻合[8]。此外，Okumura-Hata模型、Longley-Rice模型以及ITU-R P.1546模型還具備一定的海上移動信道的傳輸損耗預(yù)測能力[9]。在海上無線傳輸損耗的預(yù)測過程中，Longley-Rice模型考慮了更多影響因素，包括海面折射率、海面導(dǎo)電率、介電常數(shù)以及海浪洶涌度等[10]，對無線電傳輸損耗預(yù)測情況比Okumura-Hata模型和自由空間模型更加精確[11]。但相比于Longley-Rice模型和Okumura-Hata模型，ITU-R P.1546模型的應(yīng)用范圍更廣闊[12]。且相較于Okumura-Hata模型和自由空間模型，ITU-R P.1546-5模型對路徑損耗的預(yù)測情況與南海環(huán)境中的測量情況更加吻合[13]，因此，本文將借鑒ITU-R P.1546-5模型來預(yù)測南海的無線傳輸損耗值。

然而，ITU-R P.1546-5模型是在自由空間條件下完成海上無線傳輸損耗預(yù)測，未考慮通信距離較小時，海面無線信號傳輸中出現(xiàn)的直射波信號和反射波信號傳輸損耗預(yù)測問題[14]。針對該問題，本文提出利用雙徑傳輸模型對ITU-R P.1546-5模型進(jìn)行修正，然后預(yù)測海上無線電的傳輸損耗值，并通過仿真實驗與真實測量值進(jìn)行對比，從而驗證該模型的有效性。

1無線傳輸模型研究

1.1海面測量場景

南海素有“亞洲地中?！敝Q，海洋資源豐富，是我國海上石油和貿(mào)易的生命線，因此，海洋石油開采、海上運(yùn)輸以及發(fā)展?jié)O業(yè)等海上作業(yè)也日趨繁多，由此進(jìn)一步提高了及時準(zhǔn)確地進(jìn)行海洋通信的重要性，這就要求能夠獲得準(zhǔn)確度高的海上數(shù)據(jù)資料。因此，2014年10月，海南大學(xué)環(huán)海南島頻譜測量團(tuán)隊進(jìn)行了一次海上數(shù)據(jù)采集，測量段為西島至三亞灣的往返航程，此次環(huán)島測量所用儀器為安捷倫科技(中國)有限公司生產(chǎn)的頻譜測量儀，型號為N9342C，路線圖如圖1所示。

圖1　實測線路圖

此次測量過程中將發(fā)射天線架設(shè)在開闊的高層樓頂上，總高度約為65 m。接收天線架設(shè)在測量船上，海拔高度約為2 m，但由于海浪的影響，接收天線海拔高度是在不斷變化的。圖2為無線信號的收發(fā)方式。

圖2　信號發(fā)送端與測量船間信號收發(fā)方式

測量所得部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1　部分實測數(shù)據(jù)表

1.2ITU-R P.1546-5模型

ITU-R P.1546-5模型是以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對距離、天線高度、頻率、時間百分?jǐn)?shù)等進(jìn)行內(nèi)插或外推的半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其作用的頻率范圍是30～3 000 MHz，有效發(fā)射基站高度小于3 000 m，路徑長度在1～ 1 000 km之間的陸地路徑、海面路徑和/或陸地-海面混合路徑上的對流層無線電電路。要將其應(yīng)用到海上無線傳輸模型中，則場強(qiáng)必須不超過如下最大值Emax，即

Emax=Efs+EsedB(μV/m)

(1)

式中：Efs為1 kW e.r.p.的自由空間場強(qiáng)，由如下公式計算得出，即

Efs=106.9-20logddB(μV/m)

(2)

海面曲線的增強(qiáng)值Ese的計算公式如下

Ese=2.38{1-exp(-d/8.94)}log(50/t)dB(3)

式中：d為距離(km)；t為時間百分比。

此外，海上無線傳輸情況還需考慮如下兩個方面的校正：

1)接收天線高度h2校正

由于海浪的影響，測量船在航行過程中的海拔高度是不斷變化的，從而導(dǎo)致了接收天線的高度也是時時改變的，為保證海上無線傳輸損耗預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，此時還需考慮接收天線高度的校正問題。對于海面路徑而言，h1是指海面上方天線的物理高度，本文中指發(fā)射天線的海拔高度，h2指接收天線的海拔高度?！班徑Ｃ妗边m用于接收天線在海面上或是緊鄰海面并且在發(fā)射/基站方向上沒有顯著障礙物的場合。

當(dāng)接收天線鄰近海面且h2≥10 m時，校正量計算公式為

Cor=Kh2log(h2/R′)dB

(4)

式中：f為頻率(MHz)，且

R′=10 m

Kh2=3.2+6.2logf

當(dāng)接收天線臨近海面且h2<10 m，符合在0.6倍第一菲涅爾區(qū)的路徑長度內(nèi)的海面上完全無障礙物的條件時，該路徑長度計算公式為

(5)

式中：f為頻率(MHz)，且

Df=0.000 038 9 fh1h2

D06(f,h1,10)表示對于所需h1值和h2=1m路徑恰為0.6倍菲涅爾間隔的距離，記為d10，D06(f,h1,h2)可記為dh2。

若傳輸距離大于或等于d10，則采用公式(4)計算校正量。

若傳輸距離小于d10，則校正量的計算公式為

當(dāng)d≤dh2時，

Cor=0.0dB

(6)

當(dāng)dh2

(7)

式中：C10為式(4)中R′=10m時傳輸距離d10處所需h2值的校正量。

當(dāng)接收天線高度h2鄰近陸地時小于1m或鄰近海面時小于3m的場合下，該模型無效。以上接收天線高度校正流程如圖3所示。

圖3　接收天線高度校正流程圖

此外，收發(fā)天線之間會存在高度差異，修正公式為

(8)

式中：d為兩天線間的水平距離，斜坡距離dslope為

(9)

式中：htter和hrter分別表示發(fā)射基站和接收天線的高出海平面的地面高度，單位為m。

2)對流層散射校正

由于海上環(huán)境中各處的溫度、壓強(qiáng)、濕度等要素水平分布不均，造成對流層中分布著大量的散射體，因此對流層是一種隨機(jī)不均勻介質(zhì)。當(dāng)無線信號通過該不均勻介質(zhì)時，除發(fā)生折射外，還會被不均勻介質(zhì)再次輻射，對流層散射由此形成。因此，為保證無線傳輸損耗預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需考慮對對流層散射因素進(jìn)行校正。

路徑散射角計算公式為

(10)

式中：d為路徑長度(km)；有效地球半徑系數(shù)k=4/3；地球半徑a=6 370km。

對流層散射場強(qiáng)公式為

Ets=24.4-20logd-10θs-Lf+0.15N0+

GtdB(μV/m)

(11)

其中，頻率相關(guān)損耗為

(12)

綜合考慮上述兩個校正因素，則標(biāo)準(zhǔn)ITU-RP.1546-5模型的場強(qiáng)EITU的計算公式為

EITU=Efs+EtsdB(μV/m)

(13)

則對應(yīng)的基本傳輸損耗計算公式為

LbITU=139.3-EITU+20logf+CordB

(14)

式中：f為頻率(MHz)。

綜上所述，將ITU-RP.1546-5模型應(yīng)用到實際南海環(huán)境中時還需考慮接收天線高度和對流層散射兩個因素的校正，但在傳輸距離較短的情況下，海面還會存在一條直射信號和一條反射信號，與雙徑模型特征相吻合，因此在短距離無線信號傳輸過程中還需添加雙徑傳輸模型對ITU-RP.1546-5模型進(jìn)行校正。

1.3雙徑傳輸模型

雙徑傳輸模型中只存在一條較強(qiáng)的直射波信號和一條海面反射波，且短距離內(nèi)可視為平面?zhèn)鬏擺9]，模型圖如圖4所示。

圖4　雙徑傳輸模型圖

圖中的反射波和直射波的路徑差為

(15)

如圖4所示，r1、r2是收發(fā)端到反射點的距離，h1、h2分別為發(fā)射基站和接收天線的高度，d為收發(fā)端之間的水平距離。由此可得兩電場的相位差計算公式為

(16)

式中：λ為波長。

因此，接收場強(qiáng)與自由空間場強(qiáng)的關(guān)系為

(17)

式中：Erec是接收場強(qiáng)；Efs是自由空間場強(qiáng)。此公式為雙徑模型提供了精確的接收場強(qiáng)計算方法。

當(dāng)傳輸距離d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度時，式(17)可簡化為

(18)

即接收場強(qiáng)為

(19)

ITU-RP.1546-5改進(jìn)模型同樣需要考慮接收天線高度和對流層散射兩個校正因素，因此該模型的場強(qiáng)EproITU為

EproITU=Erec+EtsdB(μV/m)

(20)

其中，對流層散射場強(qiáng)Ets的計算公式如式(11)所示，單位為dB(μV/m)，與其特定場強(qiáng)對應(yīng)的基本傳輸損耗計算公式為

LbproITU=139.3-EproITU+20logf+Cor

(21)

自由空間的傳輸損耗計算公式為

Lbfs=-27.56+20logf+20logd

(22)

式中：傳輸損耗Lb和Lbfs的單位為dB，場強(qiáng)E的單位為dB(μV/m)，頻率f的單位為MHz，傳輸距離d的單位為km。

2仿真結(jié)果分析

本文采用加入了雙徑模型校正后的ITU-RP.1546-5模型對海南大學(xué)環(huán)海南島頻譜測量團(tuán)隊環(huán)島測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行海面無線傳輸損耗的預(yù)測計算，其中，從三亞灣至西島航段的測量頻率是780MHz，西島返回至三亞灣航段中接收天線接收的是730MHz的信號，然后利用MATLAB仿真平臺進(jìn)行分析。由于本文討論的是信息收發(fā)距離較短時的情況，且當(dāng)信息收發(fā)距離過大時，實測數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映真實情況，因此模擬仿真選取的是收發(fā)距離為3～8km之間的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　頻率為780 MHz的傳輸損耗對比圖

圖6　頻率為730 MHz的傳輸損耗對比圖

由圖5、圖6可得如下結(jié)論：

1)在700 MHz頻段內(nèi)，自由空間模型的傳輸損耗最??；

2)ITU-R P.1546-5改進(jìn)模型的預(yù)測傳輸損耗點比較分散，這是因為該模型的預(yù)測結(jié)果與傳輸距離和接收天線高度等因素有關(guān)。當(dāng)頻率分別為780 MHz和730 MHz時，相比于自由空間模型和標(biāo)準(zhǔn)ITU-R P.1546-5模型，改進(jìn)后的ITU-R P.1546-5模型的傳輸損耗預(yù)測結(jié)果更符合實測傳輸損耗范圍；

3)在780 MHz和730 MHz的頻率下，當(dāng)傳輸距離范圍在5.5～8 km時，改進(jìn)后的ITU-R P.1546-5模型對海面?zhèn)鬏敁p耗的預(yù)測更為準(zhǔn)確，原因分析如下：當(dāng)傳輸距離小于5.5 km時，沿岸有較多的障礙物(如高樓等)遮擋，影響到實測數(shù)據(jù)的采集效果，導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)偏大，由此影響到模型對海面無線傳輸損耗預(yù)測的準(zhǔn)確性。但結(jié)合整體仿真效果來看，加入雙徑模型后的ITU-R P.1546-5更符合700 MHz頻段下的南海海面實測環(huán)境，可用來預(yù)測海上無線信號的傳輸損耗情況。

3結(jié)束語

由于岸邊發(fā)射天線信號強(qiáng)度的范圍有限，無線信號的收發(fā)距離不可過大，但沿岸存在有眾多如高樓等障礙物的遮擋，會影響到無線信號的接收，因此信號收發(fā)距離也不可太小。由于原ITU-R P.1546-5模型是建立在自由空間基礎(chǔ)上，未全面考慮到近海海域存在海面反射波的情況，因此本文將雙徑傳輸模型引入到標(biāo)準(zhǔn)ITU-R P.1546-5模型中對其加以改進(jìn)。與原ITU-R P.1546-5模型相比，改進(jìn)后的ITU-R P.1546-5模型更符合南海實際情況。通過仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的ITU-R P.1546-5預(yù)測的傳輸損耗比原ITU-R P.1546-5和自由空間模型預(yù)測的更接近西島到三亞灣的實測值，證明改進(jìn)后的ITU-R P.1546-5對700 MHz頻段下的海面無線傳輸損耗的預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確。

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責(zé)任編輯：薛京

Measurement of radio propagation characteristics and model correction over sea at 700 MHz band

LI Yuan, REN Jia, CUI Yani

(CollegeofInformationScience&Technology,HainanUniversity,Haikou570228，China)

Abstract:Radio propagation characteristics in the maritime environment are measured at 700 MHz band through the ship-shore method. According to the measured data, an offing two-path transmission loss model is introduced to correct the standard ITU-R P.1546-5 model. And the correction model can predict the radio transmission loss at 700MHz band. In the simulation, the radio transmission loss at 700 MHz is predicted by free space model, ITU-R P.1546-5 model and ITU-R P.1546-5 correction model, respectively. And compared with the measured data, the prediction result obtained by ITU-R P.1546-5 correction model has a better accuracy. So the model can be used for the design of the maritime wireless communication system.

Key words:radio transmission on sea surface; standard ITU-R P.1546-5 model; two-path transmission loss model; model correction

中圖分類號：TN929

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.018

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61440048；61562018)；國家國際科技合作專項(2015DFR10510)；河南省自然科學(xué)基金項目(614227)

作者簡介：

李媛(1991— )，女，碩士生，主研海洋通信；

任佳(1981— )，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主研海洋通信、人工智能；

崔亞妮(1990— )，女，博士，主研多無人機(jī)協(xié)同研究。

收稿日期：2015-10-30

文獻(xiàn)引用格式：李媛，任佳，崔亞妮. 海面環(huán)境700 MHz頻段傳輸特性測試與模型校正[J]. 電視技術(shù)，2016，40(5)：82-90.

LI Y, REN J, CUI Y N. Measurement of radio propagation characteristics and model correction over sea at 700 MHz band [J]. Video engineering，2016,40(5)：82-90.