海上通信信道模型

海上通信信道模型

摘 要 海上的通信通常工作在复杂多变的信道环境下，由于受地球弧度和海浪、船只、海浪等的遮挡，以及存在深衰落和多径效应，设计海上通信系统时需要充分考虑这些不利因素的影响。本文只就海面反射以及大气吸收损耗做出简单的海上通信信道模型，通过Matlab 进行信道仿真，并对仿真结果进行了简要的分析。

关键词 海上信道特性；海面反射；大气吸收损耗；信道建模与仿真

海上通信同陆地上通信相比，具有自己的环境特点。首先，在地形上，海上障碍物遮挡比较少，这样导致的直接结果就是电波传播余隙大，所以电波在海上传播时，绕射损耗比陆地上小。同时，传播余隙增大，增加了电波反射。并且电磁波在海上传播时，如果掠射角很小，在微波波段内反射系数就比较大。这样反射波的影响也比在陆地上大。本文仅考虑海上通信信道为海面反射以及大气吸收损耗的简单模型，没有考虑绕射损耗、云雾衰减、雨衰、海浪高度以及海洋恶劣环境等因素的影响，对海面反射以及大气吸收损耗的简单模型进行仿真运算。 2 信道传播特性 2.1 自由空间传播损耗

在海上通信传播模型当中，一般将电波视作自由空间传播，由参考文献可知自由空间传播损耗p L 为：

d f L p lg 20lg 2045.32++= (1) 式中，f 为工作频率（MHz ），d 为收发天线之间的距离（km ）。

图1 空间传播损耗与收发天线距离之间关系曲线

自由空间传播损耗仿真结果如图1，可以看出自由空间损耗与天线间收发距离基本上是成对数增长关系，随着天线间距离的增加，自由空间损耗呈对数增长。

2.2 海面反射传播损耗

目前，在移动通信的海面传播损耗预测中，一般都把海面的电波视作自由空间传播，这与实际情况有较大的误差。因为，在海面上接收的信号除了直接的视距信号外，还有海面反射信号。地球是个球体，所以在地面和海面都不是平面，而是球面，因此电波通过海面的反射，实际上是光滑球面对电波的反射。总的接收信号应是直射与海面反射的合成信号。一般情况下在考虑海面传播损耗时应考虑这两条路径的信号损耗。

电波在光滑球面上面的反射，见图2.其中C是路径的发射点，虚

线AB 是过C 点得切线。同电波在平面上发射的情形一样，电波在光滑球面上的反射以满足入射角等于反射角的反射条件。因此当路径两端的天线高度为1h ,2h 和站距d 确定之后，反射点位置C 就是一个确定的值，C 点的位置1d 必须符合下面的方程式所表示的条件：

()022311

2212131

=+⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡-+--Kadh d d h h Ka dd d (2)

公式（1）中，d 为站距（km ）；1d 为反射点离一端的距离（km ）；

12d d d -=，K 为等效地球半径系数，设

()

12125925.1h h h h Kd P --= (3)

()122

125.212

h h K d Q ++= (4)

2

3cos Q

P

ar =ϕ (5) 则

⎪⎭

⎫

⎝⎛++=

2403cos 221ϕQ d d (6)

图2 反射点计算图

过反射点C 得切线AB 把两端的天线高度1h 和2h 截为两部分。由于地球的半径远远大于天线的高度，因此1h 和2h 可用下面近似式表示：

Ka

d h h h h 22

111

'1

1=∆∆+= (7)

Ka

d h h h h 222

22

'2

2=∆∆+= (8)

式中：1h 、2h 为天线高度；a 为地球半径；'1h 和'2h 为天线有效高度。对于电波在球面上的反射，只要用通过反射点所作的切面来代替球面，以天线的有效高度代替天线的实际高度，就可以简化为在平面上的反射。在计算时只要把天线有效高度'1h 和'2h 代替天线高度1h 和2h 就行。

这样所得到的反射衰落损耗为 ()⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛-+=λ

πλπd h

h D D d L f '2

'10202

4cos 214lg

10 (9)

其中0D 是地面等效反射系数。在海上传播时，一般比较大，当掠射角很小时，取到1.这样就造成比较大的衰落。

图3是基站高度2h 为100m ，频率f 为3000MHz ，移动台高度1h 为50m ，通信距离d 为0到80km ，地球半径a 为6400km ，地球等效半径系数K =34，地面等效反射系数0D =1时反射损耗f L 与收发天线距离的曲线关系。

图3 反射损耗与收发距离关系曲线

2.3 大气吸收损耗

大气中对电波的吸收起作用的主要是氧气和水蒸气，以下主要考虑这两项：

氧分子损耗率，对于57GHz 以下频段，可按下式近似计算： ()5

22

20105.15781.4227.009.600719.0-⨯⨯⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

+-+++

=f f f γ (10) 水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度ρ有关可以用下式计算： ()922

103.73.22300

73.6-⨯⨯⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

+-+

=ργf f w (11) 上式中ρ取值为7.53m g 。

在微波频段，电波传播路径靠近地面，所以对微波能量的大气吸收损耗αL 可以按下式计算，其中d 为视距传输距离：

()d L w γγα+=0 (12)

大气吸收损耗仿真结果如图4所示：大气吸收损耗与收发天线间距离基本上是成直线关系，随着天线间距离的增加，大气吸收损耗也越来越大。

图4 大气吸收损耗与收发天线距离关系曲线

3 结论

无线移动信道复杂多变，对它进行深入的研究有利于减少信道衰落对通信系统的影响，改善通信质量。本文针对海上环境建立了海上电波传播损耗预测模型。考虑了自由空间传播损耗和海面反射引起的路径损耗，以及大气吸收损耗。

通过上文得出电波传输对信道的影响，其表达式如下： r t f p G G L L L L ++++=α (13)

式中t G 、r G 分别为发射天线增益和接受天线增益，L 为电波海上传输