凌亮發(fā)，陳褒丹，任 佳，陳 挺

(海南大學信息與通信工程學院，海南 ?？?570228)

1 引言

自我國步入社會主義新時代，我國對海洋資源日益重視，大力發(fā)展海洋信息化對于提高我國的經濟和軍事能力具有重要意義。海上的船舶與海岸基站以及空中的飛機通過無線通信來進行信息交換，海面受波浪和天氣等影響導致海上通信的環(huán)境復雜，對電磁波的傳播損耗比較嚴重。海上通信的覆蓋范圍大，距離遠，因此采用浮標作為無線電中繼器，將基站和船舶連接起來。

隨著海洋通信的發(fā)展，浮標被賦予了更多的功能，可以用浮標來實現水文探測、海上預警和雷達測距等無線通信。本文用浮標作為海上通信的中繼器，要求浮標體不能太大，其天線重量小，高度低，同時要求信號傳輸損耗不能太高。由于海面的反射以及海面霧氣濃度和濕度較大，浮標的無線通信受到影響，因此對海面浮標的電磁波傳播損耗建立可靠模型具有重要意義，為實際的工程設計提供理論依據。

2 海上無線電波傳輸模型選擇

2.1 海上電磁波傳播特點

無線電波在復雜的海面進行傳播時，除了直射，還有海面反射、障礙物繞射以及對流層散射三種傳播機理，導致電波的傳播產生損耗。海上電波傳播機理如圖1。

圖1 海上電波傳播機理

2.2 基于浮標的海上無線電波傳播路徑

海上電波在基站、浮標和艦船之間傳播。海岸基站是建立在海邊的高山上或者在岸邊建立高塔，通常情況，基站高度可達200多米，而艦船上的天線高度一般為10m～50m不等[1]，而浮標高度一般不超過3m。由于海面上障礙物很少，故可忽略繞射傳播。對流層距離海平面較高，而浮標和艦船的天線高度遠小于對流層高度，因此對流層散射傳播也不必考慮。因此，無線電波在海平面?zhèn)鞑r，傳播路徑主要通過空氣傳播的直達波和經過水面反射的反射波[1]。海面浮標的無線電波傳播路徑如圖2。

圖2 浮標電波傳播路徑圖

2.3 浮標電波傳輸損耗預測模型選擇

電波傳播模型是用來預測電磁波傳播損耗的模型，其模型參數受地貌、環(huán)境等因素影響很大，因此需要針對不同區(qū)域使用不同的傳播模型參數[2]。電磁波傳播損耗預測模型可分為基于無線傳播理論的確定性模型和基于數據統(tǒng)計的經驗模型[3]。

目前常用的無線電傳播模型有Longley-Rice模型、Okumura-Hata模型[4]、COST231-Hata模型[5]等。Okumura-Hata模型和COST231-Hata 模型不適用于海上傳輸環(huán)境。Longley-Rice模型是Longley和Rice共同提出的一種統(tǒng)計模型，該模型可以用于海面環(huán)境，但是此模型對于基于浮標的預測模型來說是不合適的，因為：浮標天線高度對Longley-Rice模型的預測結果影響較大，在浮標天線高度很小時，Longley-Rice模型的損耗較大，而本文浮標的天線是很短的，如果采用Longley-Rice模型預測，則會產生比較大的誤差；Longley-Rice模型對于傳播距離小于5km范圍內的預測有較大誤差；海面環(huán)境相對來說比較規(guī)則，而Longley-Rice模型對于非常不規(guī)則的地形具有較好的預測效果。

因此本文選擇SPM模型來對基于浮標的海上電波傳輸進行預測，同時提出了一種加入雙徑反射、云霧衰減和水汽吸收的SPM改進模型。

3 SPM模型

SPM模型廣泛用于CDMA和LTE網絡頻段的傳播損耗預測，該模型基于Hata模型發(fā)展而來[3]。

SPM模型的解析式為

Ls=K1+K2lg(d)+K3lg(Hb)+K4Diffraction

+K5lg(d)lg(Hb)+K6Hm+K7*Clutter

(1)

式中，Ls為傳播損耗，K1為偏移常量，K2為lgd的乘積因子，K3為基站天線的高度因子，K4為衍射的乘積因子，K5為lg(d)*lg(Hb)的乘積因子，K6為浮標高度增益乘積因子，K7為地貌損耗乘積因子，d為基站和浮標之間的距離(km)，Hb為基站天線有效高度(m)，Diffraction為遇到障礙物發(fā)生衍射損耗，Clutter為地貌加權平均損耗，Hm為浮標天線高度。

由經典Hata模型的計算公式及其公式參數對SPM模型適當化簡，得如下關系式

Ls=K1+K2lg(d)+K3lg(Hb)+

K5lg(d)lg(Hb)+K6Hm+K7lg(Hm)

(2)

可以將海面看作開闊地貌[6]，故由Hata模型可得

Clutter=-40.98-4.78[lg(f)]2+18.33lg(f)

(3)

忽略衍射和移動臺高度增益帶來的影響[7]，當f分別為900MHz和1800MHz時可將SPM模型參數初始化見表1。

表1 SPM模型參數

4 SPM模型不同參數仿真對比

用matlab對SPM模型進行仿真，研究頻率f、海岸基站天線高度Hb、浮標天線高度Hm對海面無線電波傳輸損耗的影響。

1)當海岸基站天線高度Hb=200m，浮標天線高度Hm=3m，無線電波頻率f分別為900MHz和1800MHz時，路徑損耗圖如圖3。

從圖3可知，SPM模型下，無線電波在海上傳輸的損耗隨傳播距離的增大而增大，其它條件一致的情況下，頻率越高，路徑損耗越大。

圖3 不同頻率的路徑損耗圖

2)當海岸基站天線高度Hb=200m，無線電波頻率f為900MHz，浮標天線高度Hm分別為3m和200m時以及當海岸基站天線高度Hb=200m，無線電波頻率f為1800MHz，浮標天線高度Hm分別為3m和200m時，路徑損耗圖如圖4。

圖4 不同浮標天線高度路徑損耗圖

由圖4可知，不管頻率是900MHz還是1800MHz，浮標天線分別是3m和200m時，兩條曲線幾乎重疊，所以浮標天線高度對路徑損耗的影響幾乎可以忽略不計，而實際情況，浮標天線的高度是遠遠小于200m的，這正好證實了SPM模型對于浮標通信電波傳輸損耗預測的適用性。

3)當浮標天線Hm=3m，頻率f=900MHz，海岸基站天線高度Hb分別為30m和200m時以及當浮標天線Hm=3m，頻率f=1800MHz，海岸基站天線高度Hb分別為30m和200m時，路徑損耗圖如圖5。

從圖5可知，海岸基站天線高度對于路徑損耗影響較大，海岸基站天線高度越高，路徑損耗越小。

圖5 不同基站天線高度路徑損耗圖

5 改進的SPM模型

5.1 雙徑反射模型

在標準傳播模型(SPM)的基礎上加入雙徑反射模型[8]，可以更好地預測海面距離為0～5km范圍內的路徑損耗[9]，雙徑反射模型如圖6。

圖6 雙徑反射模型圖

如圖6所示，在雙徑反射模型中，視距和海面反射的路徑差為[9]

(4)

式中，r1是視距傳輸路徑長度，r2是反射路徑長度；Hb是海岸基站天線高度，Hm是浮標天線高度，d為海岸基站到浮標的距離。兩處場強相位差為

(5)

式中，θΔ為相位差，λ為無線電波波長。

雙徑反射模型損耗為Lh，其對數形式為

(6)

當頻率f為4000MHz，基站天線高度Hb為200m，浮標天線高度為3m時，雙徑反射模型路徑損耗仿真如圖7。

圖7 雙徑反射模型路徑損耗仿真圖

由圖7可知，在無線電波在海面?zhèn)鞑サ木嚯x小于30km時，會出現較大的波動，可見雙徑反射模型對于無線電波近距離的海上傳輸損耗影響較大，因此很有必要將雙徑反射模型加入到SPM傳輸模型中去。

5.2 云霧衰減

海面霧氣對于無線電波的傳輸會產生衰減損耗，將云霧衰減模型加入SPM模型中來研究海面無線電波的傳輸損耗是非常有必要的。云霧衰減模型如圖8。

圖8 云霧衰減模型

云霧衰減模型公式如下

Lw=deκρ

(7)

式中，de為無線電波在云霧中所經歷的實際路徑長度，單位為km；κ為衰減率系數，單位為(dB/km)/(g/m3)；ρ為液態(tài)水[10]密度，單位為g/m3。在ITU-RP.840-6建議書中指出，對中等霧而言，霧中液態(tài)水密度通常為約0.05g/m3，濃霧則為[11]0.5g/m3。

模型中相關參數計算公式為

(8)

(9)

ΔH=Hb-Hm

(10)

最后可求得

(11)

其中，θ為傾斜仰角，衰減率系數可由下式計算得出

(12)

(13)

式中，f為無線電波頻率，以GHz計；ε′、ε″分別為水的復介電常數的實項和虛項

(14)

(15)

式中

(16)

ε1=5.48，ε2=3.51

(17)

(18)

(19)

以上公式中，T為絕對溫度，單位為K；fp為主弛豫頻率，單位為GHz；fs為次弛豫頻率[12]，單位為GHz。

頻率f=5000MHz，海岸基站天線高度為40m，浮標天線為1.5m，霧氣液態(tài)水密度取0.5(g/m3)，海面云霧溫度為17攝氏度(290.15K)時，云霧衰減損耗如圖9。

圖9 云霧衰減損耗

5.3 水汽吸收

海面濕度較大，常常伴有大量水汽，水汽會吸收無線電波，導致無線電波產生衰減損耗，海面浮標的天線高度很矮，更易受水汽的影響，因此研究水汽吸收對浮標無線電波傳輸損耗的影響是十分必要的。本文用Gibbins模型[13]計算水汽吸收的衰減率。

Gibbins模型指出，當大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃時水汽吸收衰減率γw的計算公式為[14]

γw=(0.05+0.0021ρ+t1+t2+t3)f2ρ×10-4

(20)

其中

(21)

(22)

(23)

γw的單位為dB/km；ρ表示絕對濕度，單位為g/；f為無線電波頻率，單位是GHz。若大氣溫度不為15℃，那么水汽吸收衰減按溫度每升高1℃，γw減小0.6%計算，海面低空大氣壓變化很小，可忽略不計[14]。

氣象儀測量的濕度主要為相對濕度，因此要將相對濕度轉變?yōu)榻^對濕度，轉化公式如下[14]

(24)

(25)

其中RH為相對濕度；T為大氣溫度，單位為K；Ra為干空氣的氣體常數，其值為287.5J·kg-1·K-1；es(T)為氣溫T時的飽和水氣壓，單位為hPa[14]。

水汽吸收衰減損耗Ly的計算公式為

Ly=γwd

(26)

式中，Ly為水汽吸收衰減損耗，單位為dB，d為傳播距離，單位為km。

濕度對水汽吸收衰減的影響很大，圖10左邊部分顯示了相對濕度為50%、65%、80%和95%時，水汽衰減率γw隨無線電波頻率f的變化曲線，曲線表明，γw隨f的增大而逐漸增大，在f為22.235GHz左右時，γw有一個極大值；此外，曲線還表明相對濕度越大，γw的增幅越大，同一頻率，相對濕度越大，γw越大。圖10右邊部分顯示相對濕度對γw的影響，從曲線中可得，相對濕度越大，γw越大。

圖10 水汽衰減率變化曲線

5.4 改進的SPM模型

將雙徑反射、云霧衰減和水汽吸收加入SPM模型得到改進的SPM模型，具體公式如下

(27)

式(27)中，L為改進SPM模型的海面?zhèn)鬏敁p耗，Ls為SPM傳輸損耗，Lh為雙徑反射傳輸損耗，Lw為云霧衰減損耗，Ly為水汽吸收衰減損耗，a、b為修正參數。

當頻率f=5000MHz，海岸基站天線高度為40m，浮標天線為1.5m，液態(tài)水密度取0.5(g/m3)，海面云霧溫度為17攝氏度(290.15K)時，只加入雙徑反射損耗的SPM模型和SPM模型的路徑損耗對比如圖11所示；同時加入雙徑反射損耗、云霧衰減損耗和水汽吸收衰減損耗的SPM改進模型和標準SPM模型的路徑損耗對比如圖11。

圖11 SPM模型和SPM改進模型仿真對比

由圖11左邊對比圖可知，在近距離傳輸時，加入雙徑反射損耗SPM模型出現比較大的波動；由圖11右邊對比圖可知，加入云霧衰減損耗和水汽吸收衰減損耗之后，損耗曲線隨傳播距離出現了不同程度的波動，路徑損耗也增大了，可見海面云霧衰減和水汽吸收對海面無線電波的傳輸損耗有一定影響。改進的SPM模型更切實的反映出了無線電波在海上的傳輸損耗。

6 結語

本文采用浮標作為海上無線通信的中繼系統(tǒng)，通過研究對比，選擇適用于海面?zhèn)鬏數腟PM模型來對無線電波傳輸損耗進行研究分析。用matlab對SPM模型進行仿真，研究頻率f、海岸基站天線高度Hb、浮標天線高度Hm對海面無線電波傳輸損耗的影響，仿真結果顯示頻率f越大，損耗越大，基站天線高度Hb越高，損耗越小，而浮標天線高度Hm對路徑損耗的影響可以忽略不計。本文還提出一種加入雙徑反射、云霧衰減損耗和水汽吸收衰減損耗的SPM改進模型，仿真顯示該模型更好的描述了無線電波在海面的傳輸損耗。因此，在進行基于浮標的海上無線通信工程項目設計時，可以用SPM模型及其改進模型，對浮標設計時應增加浮標體的穩(wěn)定性，減小海面波浪對浮標的沖擊，同時應盡可能增大基站天線的高度。