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
损耗。

海上通信信道模型仿真结果如图5所示：传输损耗随收发天线间距离呈波浪形增长趋势。

图5 未考虑天线增益的海上信道传播损
附录：海上通信信道模型代码
%自由空间传播损耗模型%
f=3000; %频率MHz%
d=0:80; %收发天线间距离%
Lp=32.45+20*log(f)+20*log(d); %自由空间传播损耗%
%反射损耗模型%
K=4/3; %地球半径系数%
D0=1; %地面等效反射系数%
f=3000; %频率MHz%
a=6400; %地球半径km%
d=0：80; %收发天线间距离km%
x1=3*10^2/f; %波长,km%
h1=50; %接收天线实际高度m%
h2=100; %发射天线实际高度m%
P=1.5925*K*d*(h2-h1);
x2=2.125*K*(h2+h1);
Q=(d.^2)/12+x2;
A=acos(P/Q.^(3/2));
d1=d./2+2*Q.^(1/2)*cos(A/3+240); %反射点到天线一端的距离% d2=d-d1; %反射点到另一端的距离%
h11=h1-d1.^2/(2*K*a); %接收天线等效高度%
h22=h2-d2.^2/(2*K*a); %发射天线等效高度%
bb=4*3.14*d./x1;
nn=d*x1;
cc=4*3.14*h11.*h22./nn;
dd=cos(cc);
yy=2-2*D0*dd;
qq=bb.^2./yy;
Lf=10*log(qq); %发射损耗%
%大气吸收损耗模型%
f=3000; %频率MHz%
d=0:80; %天线收发距离km%
p=7.5; %水蒸气密度g/m3%
x1=f^2+0.227;
x2=(f-57)^2+1.5;
r0=(0.00719+6.09/x1+4.81/x2)*f^2*0.00001; %氧分子损耗% x3=(f-22.3)^2+7.3;
r1=(6.73+300/x3)*f^2*p*0.000000001; %水分子损耗%
La=(r0+r1)*d; %大气吸收损耗%
%海上通信传输损耗模型%
L=Lp+Lf+La; %传输损耗%。