包志強(qiáng), 王　博, 高　帆

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121；　 2.航天科工集團(tuán) 第四研究院第九總體部， 湖北 武漢 430040)

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海上浮標(biāo)間多徑衰減因素的改進(jìn)模型

包志強(qiáng)1, 王博1, 高帆2

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121； 2.航天科工集團(tuán) 第四研究院第九總體部， 湖北 武漢 430040)

為探究浮標(biāo)天線較低時(shí)的通信情況，建立了一種引入地球曲率作為新參量的海上浮標(biāo)通信模型，并推導(dǎo)出接收?qǐng)鰪?qiáng)與地球曲率半徑Rc的關(guān)系。改進(jìn)模型中從發(fā)射頻率和天線高度兩個(gè)方面，對(duì)大尺度損耗和多徑衰減的影響進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，對(duì)于浮標(biāo)天線高度較低(1 m左右)的情況下，地球曲率半徑存在對(duì)信號(hào)傳輸影響大，并且可以得出信號(hào)傳輸?shù)淖畲笸ㄐ啪嚯x。

浮標(biāo)通信；頻率；天線高度；大尺度損耗；場(chǎng)強(qiáng)

海洋浮標(biāo)可在惡劣的海洋環(huán)境條件下和浮標(biāo)工作壽命時(shí)間內(nèi)，對(duì)海洋進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)、長(zhǎng)期的同步監(jiān)測(cè)[1]，海洋浮標(biāo)是海洋觀測(cè)中最重要、最可靠、最穩(wěn)定的手段之一,是海洋觀測(cè)資料四大來(lái)源之一[2-3]。研究浮標(biāo)的通信情況，對(duì)海洋信息傳遞、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種海洋工程意義重大。

在海上浮標(biāo)的通信技術(shù)中，通常采用多個(gè)浮標(biāo)[4]，讓浮標(biāo)與浮標(biāo)之間進(jìn)行通信，以達(dá)到對(duì)相關(guān)信號(hào)更全面精確分析處理。文獻(xiàn)[5-6]研究了浮標(biāo)通信過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸對(duì)距離的要求以及不同的傳輸速率下對(duì)誤碼率的影響，文獻(xiàn)[7]建立了不同等級(jí)海況的信道模型，研究了不同海況對(duì)通信鏈路的傳輸性能影響。

在浮標(biāo)模型的建立和仿真中，尚未有提及地球曲率存在對(duì)信號(hào)傳播的影響，本文擬引入地球曲率，建立多徑傳播模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得出發(fā)射頻率和天線高度對(duì)傳播過(guò)程中多徑衰減的影響。

1　模型建立

海面存在反射作用，信號(hào)在通信中存在多徑影響，如果只考慮兩路傳播的影響作用，一般的傳輸模型如圖1所示。

圖1　海面電波傳播兩徑模型

如果在浮標(biāo)天線高度較低的情況下，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，地球曲率的存在就會(huì)對(duì)信號(hào)傳播造成影響，就不能忽略地球曲率的存在。通過(guò)參考文獻(xiàn)[8]對(duì)上述模型進(jìn)行改進(jìn)，建立一個(gè)新的改進(jìn)模型如圖2所示。

圖2　考慮地球曲率下的海面電波傳播兩徑模型

圖中h1和h2為兩個(gè)天線的高度，D為兩天線的直視距離，h為直視路徑距地面的垂直高度，當(dāng)h<0時(shí)為不可通信距離，θ為入射角，Rc表示地球半徑。根據(jù)幾何關(guān)系可求出直接傳輸路徑距地面高度為

h=(Rc+h1)cosφ - Rc。

(1)

其中

入射角可表示為

(2)

由于浮標(biāo)在海上通信時(shí)會(huì)發(fā)生反射作用,可求出海水的反射系數(shù)R為[9]

(3)

在天線垂直極化或水平極化時(shí)，分別有

式中ε0=ε-60σλj, ε0為反射介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)， ε為介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，λ為工作波長(zhǎng)。

接收天線的總場(chǎng)強(qiáng)可表示為[10-11]

E=E0(1+RejΔφ)=

E0(1+|R|e-j(φ+Δφ))。

(4)

2　信道選擇

一般設(shè)計(jì)天線高度與天線工作頻率的關(guān)系為：天線高度h1=c/(2f)其中c表示光速，f表示天線的工作頻率。天線工作頻率指天線的共振頻率，或中心頻率。每個(gè)天線都有一定的頻率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，天線阻抗最小，效率最高，這個(gè)范圍的中間最佳點(diǎn)即中心頻率，駐波比最小，功耗最小，信號(hào)最強(qiáng)。所以浮標(biāo)在天線高度在米為單位的情況下，工作頻率應(yīng)該選取在百兆頻率。選擇3個(gè)頻率值：100 MHz，300 MHz，500 MHz進(jìn)行仿真。根據(jù)Friis傳輸公式，接收功率為[12]

(5)

式中Pr(d)是接收功率，d為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的距離，Pt為發(fā)射功率，Gt和Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的天線增益，λ為波長(zhǎng)，L為傳播環(huán)境無(wú)關(guān)的系統(tǒng)損耗系數(shù)。總的來(lái)說(shuō)，L>1，但是如果假設(shè)系統(tǒng)硬件沒(méi)有損耗，則L=1。從上式可以明顯看到接收功率隨距離d呈指數(shù)衰減。對(duì)于無(wú)任何損耗的系統(tǒng)，自由空間路徑損耗為

(6)

根據(jù)式(6)，可仿真出自由空間傳播損耗,如圖3所示。圖3中，參數(shù)Gt=Gr=1，得到三種頻率情況下的自由空間傳播損耗?？梢钥吹絺鬏斴d波頻率越高，對(duì)于同樣的通信距離，大尺度損耗越嚴(yán)重，通過(guò)減小載波頻率可以降低傳輸損耗。但是，減小載波頻率會(huì)對(duì)天線的尺寸要求更大，而對(duì)于浮標(biāo)這樣的小型通信設(shè)備來(lái)說(shuō)很難做到。

圖3　不同頻率下自由空間傳播損耗

3　仿真結(jié)果及分析

為探究不同頻率、不同極化方式下可視通信距離內(nèi)的歸一化場(chǎng)強(qiáng)的變化情況，浮標(biāo)天線的高度為0.6 m，海水的介電常數(shù)為ε=80 F/m、電導(dǎo)率σ=4 S/m，工作頻率在100 MHz，300 MHz和500 MHz中選擇。仿真結(jié)果如圖4所示。

(a) 天線垂直極化

(b) 天線水平極化

當(dāng)浮標(biāo)天線的高度為5米，其他條件不變的情況下，仿真結(jié)果如圖5所示。

(a) 天線垂直極化

(b) 天線水平極化

從圖4中可見，不同極化方式下，得到的歸一化場(chǎng)強(qiáng)是不同的，對(duì)于垂直極化來(lái)說(shuō)，頻率小的發(fā)射信號(hào)衰減相對(duì)較慢，而水平極化剛好相反。相比較而言，水平極化相對(duì)垂直極化情況惡劣許多，兩者相差30～40 dB的差距。另外，對(duì)于不同的頻率來(lái)說(shuō)，垂直極化和水平極化差距都有一些不同，那么大多數(shù)情況下，這3種頻率的歸一化場(chǎng)強(qiáng)相差不大，因此對(duì)于反射損耗來(lái)說(shuō)，與我們選擇的這幾種頻率關(guān)系不大。

對(duì)比圖4和圖5對(duì)比可知，天線高度越高時(shí)，衰減越小，但實(shí)際中浮標(biāo)天線不可能做得太高，只能選取適合的天線高度進(jìn)行通信。并且，仿真結(jié)果還表明信號(hào)傳輸存在一個(gè)極限傳輸距離，天線高度不同，極限傳輸距離也不同，如天線高度為0.6 m時(shí)，最大傳輸距離為5.5 km。當(dāng)距離超過(guò)極限傳輸距離時(shí)，發(fā)射天線和接收天線的直視路徑距地面高度小于零，浮標(biāo)間不能進(jìn)行通信。

4　結(jié)語(yǔ)

在浮標(biāo)通信過(guò)程中浮標(biāo)天線高度較低的情況下，地球曲率存在對(duì)信號(hào)傳輸影響較大，加入地球曲率參量，分析仿真了發(fā)射頻率和天線高度兩個(gè)方面對(duì)信號(hào)損耗的影響。結(jié)果表明，加入地球曲率后的模型，不僅可得到信號(hào)衰減規(guī)律，而且可得出浮標(biāo)通信時(shí)的極限通信距離。本結(jié)論適用于浮標(biāo)天線較低的情況下，如果在天線高度很高時(shí)，地球曲率存在對(duì)信號(hào)傳輸損耗影響不大可忽略，用一般模型分析即可。

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[責(zé)任編輯:陳文學(xué)]

An improved model on sea buoy multipath fading factors

BAO Zhiqiang1,WANG Bo1,GAO Fan2

(1.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China；2. The Ninth General Department of the fourth Research Institute, Aerospace Science and Technology Group, Wuhan 430040,China)

To explore the communication condition of the buoy antenna, the earth’s curvature as a new parameter is introduced to establish the buoy communication model, and the relationship between the received field strength and the earth’s curvature is derived. Effects on the large-scale losses and strength of the magnetic field are simmulated in the improved model from the transmission frequency and transmitting antenna height. Simulation results show that, where the buoy antenna height is lower (around 1 m), the existence of the earth’s curvature has great influence on the signal transmission, and the maximum communication distance between the two antennas is also be calculated.

buoy communication, frequency, an antenna height, large-scale loss, field

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.05.002

2015-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271276)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012JQ8011)

包志強(qiáng)(1978-)，男，博士，副教授，從事通信信號(hào)處理研究。E-mail:baozhiqiang@xupt.edu.cn

王博(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。E-mail:479801490@qq.com

TN911.4

A

2095-6533(2016)05-0011-04