水上VHF无线覆盖优化设计与应用 20080919-陈江彦-2015

水上VHF无线覆盖优化设计与应用
The optimization of design and application on VHF coverage over water
陈江彦
（珠海海事局，珠海 519015）
Chen Jiangyan Zhuhai MSA Zhuhai 519015 China
摘 要：针对长期以来VHF设计和应用中普遍存在的问题，从优化的角度出发，优选预测模型，分析
经典理论的局限，提出上下行平衡、天线合理运用的必要性和方法、建议，对VHF无线覆盖的设计与应用具有实用价值。

关键词：VHF；预测模型；系统余量；上下行平
衡；天线
Abstract: Shooting to ubiquitous problems of VHF design and application，from the point of optimization, recommends a preferable prediction model, analyses the deficiency of classical radio evaluation formula, provides proposals and cases of VHF optimization on radio link balance and antenna application.
Key Word:VHF；Prediction model；Radio evaluation formula；Radio link balance
1.前言
VHF系统是海事语音和数据通信的主要通信工具，其在VTS、AIS、GMDSS等系统得到广泛应用。

长期以来，VHF系统的设计及运用主要存在的问题有：
1)依赖经典理论进行传输损耗和系统余量测算，存在较大误差；
2)侧重无线下行覆盖预测，忽略上下行链路平衡的分析，盲目采用提高发射功率来保证覆盖范围；
3)简单采用低增益天线进行行全向覆盖，缺乏天线的合理应用。

为此，本文分别就上述三方面进行深入分析，提出相应的改进建议与方法。

2.VHF覆盖预测模型的优选
多年来，VHF系统主要依靠经典理论或方法进行覆盖预测[1]：对于视距传播，将海上视距传播损耗视为自由空间传播损耗[公式（1）]；对于超视距传播，应用CCIR推荐表格，推算超视距传播损耗损，从而实现覆盖预测。

Lp=Ls=32.4+20lgf(MHz)+20lgd(km) （1） 根据海上VHF通信实践及相关测试[2]证明，将自
由空间传播模型应用于海面视距无线传播损耗预测，
其预测结果与实测结果存在较大误差。

因此，选用合
适的传输模型是传播准确预测的前提。

P.1546-3建议书，是国际电信联盟-无线电管理局
（ITU-R），于2007年11月发布的点至面
（Point-to-Area Predictions）的无线电传播的预测
模型[3]，该建议书提供了24张，基于大量实测数据基
础上拟合出的场强曲线图，适用于发射频率在
30-3000MHz、天线高度在3000m以下、传播距离在
1000km以内的场强值预测。

采用该建议书无需向CCIR
（ITU-R的前身）建议书或其他预测模型那样，将视距
与超视距的场强分段预测，而是在统一的平滑电波传
播曲线上直接取值，因此，P.1546-3实现连续路径的
预测。

而且，该建议还给出了在不同发射频率、天线高
度、传播距离的内插/外推校正公式，利用这些公式，
可以获得规定范围内任意频点的海上传播预测场强。

另外，P.1546-3预测模型是基于R.370，
529(Okumura/Hata),1146以及点对点预测模型R.452
的研究方法，而P.1546-3的前身R.370模型就能获得
海上VHF/UHF无线传播的准确预测[4][5]
例如：某已建海岛VTS VHF岸台，天线高度
h1=230m；船台天线高度h2=10m；工作频率f=156MHz。

在视距（r0=75.0km）范围内，基于自由空间传播模型
与基于P.1546-3模型测算的传播损耗及系统余量对比
如图1及图2所示：：
图1：基于自由空间模型与P.1546-3模型测算传
播损耗的对比
图2：基于自由空间传播模型与基于P.1546-3模
型测算的系统余量对比
在同等条件下，图1中，直射波传播损耗只有在视距范围内的初始短距离内（本例7km），两种模型测算损耗基本一致，随着距离的加大，基于P.1645-3模型测算的传播损耗明显大于基于自由空间模型测算的损耗。

图2 中，当覆盖距离d=75km时，P.1546-3模型测算的系统余量SM2=0.11,VHF系统处于余量临界状态，不能保证正常通信，与实际一致。

而在同等覆盖距离下，基于自由空间传播模型测算的系统余量SM1=26.34dB，存在很大富余，应可完全保证通信，却与实际不符。

上述案例说明：由P.1546-3模型预测结果符合海上无线传播特征，与实际结果一致；同时说明了视距传播损耗不能等同于自由空间传播损耗。

因此，应采用P.1546-3模型作为海上VHF的传播损耗预测模型。

3.系统余量公式的正确应用
海上VHF通信的经典余量公式[1]：
系统余量SM=SG-SL>0
系统增益SG=Pt+Gt+Gr-Pmin
系统衰耗SL=Lp+Ln+Lt+Lr
其中：
SG：系统总增益（dB）
SL：系统总损耗（dB）
Pt：发射功率（dBm）
Gt：发射天线增益（dBd）
Gr：接收天线增益（dBd）
Pmin：接收机灵敏度（dBm）
Lp：传播路径损耗（dB）
Ln：噪声环境损耗（dB）；Ln典型港口取 5.5dB Lt：发射端附加损耗（dB），包括馈线损耗、公用
器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等
Lr：接收端附加损耗（dB），包括馈线损耗、公用
器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等
其中，Lp=Ls+Ld+Lob,
Ls：自由空间传输损耗（dB）；
Ld：地面绕射损耗（dB）
Lob：障碍物损耗（dB）
经典文献将Pmin解释为接收机灵敏度S[1]。

早期
接收机灵敏度较低（S值较高，如S=0.5uV=-110dBm），
环境噪声电平N较低（N=-117dBm），在此情况下N<S，
该取值是适用的。

现今由于接收机器件及制造技术的
发展，灵敏度S的显著提高（S值下降，如
=0.25uV=-119.0dBm），而环境噪声电平N由于无线应
用的发展而不断抬升（如某地实测值N=-110.0dBm），
造成N>S，即可用信号电平低于环境噪声电平，接收机
无法解调。

此时，若将Pmin理解为接收机标称灵敏度，
则由此计算系统余量将导致较大的正误差。

因此，Pmin正确的定义应为：接收机所要求输入
的最低保护功率电平。

环境电磁噪声电平值N可通过频谱仪测得或直接
引用电磁环境测试报告值。

如珠海VTS 辖区水域内
VHF156.025-160.975MHz水上业务频段的环境电磁噪
声的实测电平值为-110dBm。

综上所述，系统余量公式修正为：：
系统余量SM= SG-SL>0 （2）
系统增益SG=Pt+Gt+Gr-Pmin
系统衰耗SL=Lp+Ln+Lt+Lr
其中
Lp：传播路径损耗（dB），由P.1536-3建议书测
算
Pmin：接收机所要求输入的最低保护功率电平。

4.上下行链路平衡的必要性
由于天馈系统的互易性，上下行的连路损耗是相
等的，但由于收发机发射功率、接收机灵敏度的不同，
造成上下行的系统余量可能是不一致的，即上下行不
平衡。

上下行不平衡将导致通信双方的有效通信覆盖
范围不等，形成单通。

如果是系统下行余量大于上行余量，就会导致岸台能呼叫到船台，而接收不到船台的应答。

应当注意到，经典文献提及VHF 的系统余量的计算时，大多考虑岸台至船台的下行余量测算，鲜有船台至岸台的上行余量测算，缺乏完整的上下行链路平衡分析和指导。

既然是双向通信（单工或双工），就应考虑链路的上下行平衡，即上、下行具有相同的系统余量，相同的覆盖范围。

3.1
上下行平衡测算方法
TX/RX
TX/RX
L p
P out_
P out_P min_P min_G
G
L
L
图3：上下行平衡分析图
图3中，
Pout_b ：岸台发射机功率 （dBm ） Pmin_b ：岸台接收机灵敏度（dBm ） L b ：岸台附加损耗（dB ），包括馈线损耗、公用器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等 G b ：岸台天线增益（dBd ） Lp ：空间损耗，应参考ITU-R P.1546-3建议书计算 Pout_m ：船台发射机功率（dBm ），标准船台 Pout_m =25w （44dBm ） Pmin_m ：船台接收机灵敏度（dBm ） G m ：船台天线增益（dBd ） L m ：船台附加损耗（dB ），包括馈线损耗、公用器损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等 由系统余量公式（2）得出： 下行链路的系统余量（岸至船）： SM_b =Pout_b +G b +G m -L b -Lp-L m -Ln-Pmin_m (3)
上行链路的系统余量（船至岸）：
SM_m =Pout_m +G m +G b -L m -Lp-L b -Ln-Pmin_b
(4)
上、下行平衡时，系统具有相同的上、下行余量
SM ：SM_b =SM_m ，即对于覆盖区内任一点应满足 ：
Pout_b - Pout_m = Pmin_m - Pmin_b (5)
3.2 发射功率、天线增益与上下行平衡 船台通常发射机标称功率Pout_m=25W （44dBm ）。

船台与岸台的接收机所要求输入的最低保护功率电平通常一致，即Pmin_m - Pmin_b 。

此时，由（5）可知，岸台发射功率Pout_b = Pout_m =25W （44dBm ），系统具有相同的上、下行余量，可保证上下行平衡。

若岸台发射机功率调增为Pout_m =50W （47dBm ），将导致下行余量较上行余量多出3dB ，造成下行覆盖范围大于上行覆盖范围，出现单通。

可见而单方面增加岸台发射功率是无益的，势必增加无益的下行覆盖范围，造成上下行链路不平衡。

此外，由于发射功率的大幅增加，发射机MTBF 指标将大幅下降，无益于设备的可靠运行。

如某品牌VHF 岸台发射机，在不同功率配置下的可靠度指标：
发射机型号 发射功率 MTBF 指标 PA4050 50W 15年 RT4000 25W 29年 由公式（3）、（4）可知：增加移动台（岸台）天线的增益；或者减少移动台（岸台）的附加损耗，能同时增加上行及下行的系统增益，且不影响系统的原有的上下行平衡关系。

因此，上下行平衡分析给出了实际VHF 系统的优化调整方向。

5. VHF 天线的优化应用 VHF 天线应用的普遍问题是：没有充分考虑目标覆盖区域特点，简单地采用全向天线进行全向覆盖。

是对VHF 岸台而言，采用全向覆盖的弊端有： 1) 全向辐射。

目标覆盖区域（海上或江河水域）与非目标覆盖区域（陆地）获得同等射频辐射能量，造成射频资源浪费和干扰； 2) 全向接收。

在同等天线增益下，接收目标覆盖区域信号的同时，不可避免地接收陆上无用信号，增加系统噪声及干扰； 3) 不利于增强目标覆盖范围。

全向天线水平面（H 面）内各角度增益均等，为了达到某些特定角度的远距覆盖要求，往往通过加大VHF 发射功率来实现覆盖范围的延伸，而发射功率的加大，不仅提高系统造价，还造成上下行链路不平衡，同时使系统可靠性降低。

4.1 VHF 天线的正确选型 可见，盲目采用全向天线进行全向覆盖来满足海
事VHF 覆盖是不合适的。

无线覆盖的原则是保证目标
区域的有效覆盖同时避免或减少非目标区域的覆盖。

对大多数沿岸建设的VHF 岸台而言，覆盖目标区
域均是特定方位角上的水面区域，而非陆地，因此要求：天线应具有方向性可调特性，避免不必要的全向覆盖。

同时，为了在保证上下行平衡的前提下，增强覆盖范围应采用高增益天线。

与单个振子鞭状天线相比，对称振子阵列能够提高增益[6]。

四环阵天线（四半波折合阵子天线阵）不仅具有高增益，还具有灵活的方向性调整特性，能满足大多数海事VHF 海覆盖要求。

图4~图5为：全向设置时VHF 鞭状天线DB601E-AC [7]与VHF 四环天线阵DB224[8]的水平面方向性（增益）的比较。

由图4~图5的对比可看出，四环阵天线较鞭状天线高出6dBd 的天线增益，相当于在同等的最大覆盖范围下，采用四环阵天线，发射机功率可以降到采用鞭状天线时的四分之一来使用。

而且，四环阵天线具备鞭状天线所没有的方向性可调特性。

图4：DB601E-AC 鞭状全向天线的水平方向性图（最
大
增益：0dBd/全向）
图5：DB224四环阵天线，阵子全向设置的水平
方向性图（最大增益：6dBd/全向）
图6~图8为：VHF 四环天线阵DB224在不同架设方式下的水平面方向性图的比较。

由图6~图8可看出，通过调整四环阵天线阵子及利用铁塔的发射作用，可获得不同特征的水平方向性图。

图6：DB224四环阵天线，阵子全向设置，安装于塔侧的水平方向性图（最大增益：7dBd/90°及270°）
图7：DB224四环阵天线，阵子背塔指向，安装于塔侧的水平方向性图（最大增益：9dBd/0
°）
图8：DB224四环阵子，阵子朝塔指向，安装于塔侧的水平方向性图（最大增益7dBd/90°及270°）
4.2 VHF 天线的应用案例
某沿海VHF 岸台：Pmin_b =Pmin_m =-108dBm ，Pout_b =Pmin_m =25W ，h1=23m ，h2=10m ，G m =0dBd, 设计系统余量SM=10dB 。

根据ITU-R P.1546-3模型的仿真结果如图6所示： 1) 鞭状全向天线（图4），独立安装，无塔反射：
d=17.0km ；
2) 全向四环阵子天线（图5），独立安装，无塔反射：d=23km ；
3) 全向四环阵天线，阵子背塔指向安装（图8）： 180º方向：G b = - 4dBd ，d=14.0km
90°或270°方向：G b =7dBd ，d=24.0km 0º方向：G b =9dBd ，
d=26km
图9：某沿海VHF 岸台采用不同天线及架设方式
的覆盖效果示意图
由图9的比较可看出，采用四环阵天线并适当调整其架设方式，较简单的全向覆盖方式，能获得更好的覆盖效果。

对某些更注重定向覆盖的场合，可以应用八木天线或带有角型反射器的四环阵子天线进行覆盖。

有研究表明，适当选择角型反射器可以达到水平面半功率波瓣宽度超过60°的宽覆盖及10dBi （12.2dBd ）的高增益[9]。

而采用八木天线，将更适合于某些狭长水域、湖泊等定向覆盖。

如某型频率范围为134～174MHz 的八单元八木天线具有水平面半功率角：44°，前向增益：11.2dBi （13.4dBd ），前后比：≥16dB 的优良的定向特性。

因此，实际应用中，并不是简单地应用全向天线实现所有海事VHF 水域类型的覆盖，而应根据目标覆盖区域的特点，采用适当的天线和架设方式。

6. 结语
1) 采用P.1546-3预测模型，能更准确的VHF 链路测
算结果；
2) 上下行链路平衡的分析对VHF 的正确设计和优化
应用是非常必要的。

应在上下行平衡的基础上考虑发射功率配置；
3) 避免盲目实施不必要的全向覆盖，应采用方向性可
调的高增益天线，有针对性地实现最优化覆盖； 4) 本文的分析方法同样适用于UHF 等其他频段的无
线覆盖优化设计与应用。

参考文献：
[1] 刘人杰,刘晓明，索继东等.船舶交通管理电子信息系统[M]. 大连：大连海事大学出版社,2006：31-33． [2] 何群,黄云鹏 . 关于海面无线传播模型的探讨[J]. 华为技术，2002，153:6-11. [3] ITU-R P.1546-3建议书-30MHz 至3000MHz 频率范围内地面业务点对面预方测法.[2007.11].
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[4] Radio Technology & Compatibility Group. Report No. RTL 479-Sea Path Propagation Measurements.[1999.07].
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[6] 魏文元，宫德明等. 天线原理[M]．北京：国防工业出版社.
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[7] Andrew Corporation ．DB601E-AC Omni Antenna．[2007.11]．． [8] Andrew Corporation．Exposed Dipole Quasi-Omni Antenna DB224．．
[9] 朱艳玲，张福顺，焦永昌．SCDMA 系统水平面宽波束覆盖定向天线的研究.。