海面浮標通信電波傳播損耗研究與仿真*

張國龍 鄭琛瑤

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

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海面浮標通信電波傳播損耗研究與仿真*

張國龍 鄭琛瑤

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

論文從海上無線電通信特點出發,采用Longley-Rice模型對海面浮標中繼通信系統電波傳輸損耗進行仿真研究,確立了海面浮標通信與海洋環境及通信系統結構的關系,通過對海面浮標通信電波傳播損耗進行研究,為浮標通信系統設計特別是對浮體結構設計提供必要的理論依據。

浮標; 傳播損耗; Longley-Rice模型

Class Number TN92

1 引言

隨著我國經濟飛速發展,綜合國力不斷增強,國家發展對海洋的依賴日益增強,各類艦船編隊出海頻率不斷增加。海上編隊與陸地指揮中心、艦船之間、艦船與空中飛機之間通信一般采用無線通信。由于海洋環境影響使得電磁傳播環境復雜,通信范圍較大,這樣就需要浮標進行無線電中繼。浮標是錨定在指定位置浮于水面實現某種特定用途的一種航標。浮標中繼通信需要浮標體及天線重量小掛高低,同時要求信號傳輸可靠性高[1]。然而由于海浪等造成浮標體晃動,海面多徑傳播都對浮標通信造成影響,浮標可靠性傳輸是工程化設計需要解決的難題。只有對海面浮標傳播損耗進行分析建立逼真的預測信道模型,才能在工程化設計時有理論依據。

2 海面浮標無線電傳播特點

浮標在海上進行無線電通信,主要是由浮標與地面基地電臺及海上水面艦艇之間進行電波傳播。地面基地的基站通常要選擇在沿著海邊高山或者修建高塔,高度一般在80m～200m不等,而水面艦艇天線高度通常為10m～50m不等。無線電波在海面傳播時,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[2]。海面浮標電波傳播路徑如圖1所示。

由于地球是具有一定曲率的曲面,曲面也對信號傳播產生影響,同時,考慮到對流層散射對傳播的影響,接收場強是在接近電波視通點范圍內產生大地反射波的干涉特性,通常稱為“干涉區”。自干涉特性的最大值起至視通點電波傳播逐漸增大衰減,超出這一距離時,受到地球面曲率影響產生繞射效應,場強相對值下降,這一區域稱為“繞射區”。從這一個點開始后,如果再最大距離時,場強相對值變化緩慢。這一區域主要是由對流層散射作用而引起所以通常稱為“散射區”[3]。具體場強變化如圖2所示。

圖1 浮標電波傳播路徑圖

圖2 海上電波場強變化示意圖

3 浮標電波信號傳播預測模型

海上地形多樣、氣候類型復雜、海浪潮汐變化多樣、通信距離變化頻繁、信號形式多樣等造成通信環境較為復雜,這就決定了浮體及通信天線等附件設計對通信信道模型依賴性較大。只有對海上通信信道進行有效的建模才能設計出布放簡易、實用、可靠的浮標式通信系統[4]。

Longley-Rice模型是由Longley和Rice提出的著名模型,它是一種統計模型,以傳播理論為依據[5]。Longley-Rice模型被稱為不規則地膜按模型,它預測了自由空間中由地形的非規則性造成的種植傳輸衰落,包括海面折射率、海面導電率、介電常數以及海浪洶涌等,同時考慮了氣候類型和天線的位置標準等。對于浮標式中繼通信系統采用Longley-Rice模型進行接收信號場強預測更為確切。

Longley-Rice模型預測損耗值的計算基于不同傳播范圍,結合數千組實測數據也稱為半經驗預測模型[7]。在視距內,以反射傳播機制為主,采用雙線模型用于模擬海平面內的傳輸場強;在超視距,以衍生傳播機制為主,對于不規則地形,計算衍射損耗有兩種理論,分別適用于非球形地面和非常不規則的地面,用Fresne-Kirchoff刀刃模型計算,超視距衍射損耗計算是以兩種理論計算結果的加權。對于更遠距離甚至超過了地平線,是以前向散射理論對長距離對流散射進行預測。

Longley-Rice模型實測數據來源于世界各地,模型給出了參考衰減值的計算公式及不同環境下相關修正因子的詳細說明,公式中包括有多個參數,有不規則地形參數、頻率、收發信機天線高度、收發天線位置標準和表面折射率等[8]。同時還引入了反映介質特性的兩個參數:介電常數和導電率。Longley-Rice模型適用于頻率范圍為20GHz～40GHz,收發信機天線高度為0.5m～3000m,覆蓋半徑為1km～2000km,表面折射率為250Ns～400Ns。該模型利用下式計算超出自由空間的傳輸損耗參考中值[6]。

(1)

式中,dmin≤d≤dLS為視距傳播距離;dLS≤d≤dx為衍射傳播距離;dx≤d為散射傳播距離。

4 傳播模型模型的仿真分析

統仿真采用基于自由空間模型和反射波模型的Longley-Rice路徑損耗模型,假定浮標工作參數為工作頻率為900MHz、1800MHz,Longley-Rice模型氣候類型為亞熱帶海洋性氣候,地形為水面,地面介電常數為海水(81),地面電導為海水(5),地表折射率為320N單位。采用Matlab為仿真工具。

圖3 近距離路徑損耗圖

當浮標天線高度為5m,陸地基站天線高度為200m時,仿真圖如圖5、圖6所示。由圖可以發現當在視距范圍內,傳輸損耗隨著傳播距離的增大,在地球曲率的影響下繞射損耗增加,傳輸損耗和距離成指數關系。當超過視距范圍時,由于對流層散射影響曲線緩慢變化,呈線性關系。另外,傳輸距離相同時,1800MHz的信號衰減大于900MHz的信號。

圖4 遠距離路徑損耗圖

圖5 附加損耗隨天線高度變化圖

圖6 總損耗圖

當浮體發射天線為3m,接收決定一定的條件下,附加損耗隨天線高度變化如圖5所示。可見損耗隨著天線的高度增加而減小。當接收天線高度相同時1800MHz的信號損耗大于900MHz的。圖6為浮標通信系統的總損耗圖,由圖可知傳輸距離越大總損耗越大,接收天線越高總的損耗就越小,頻率越大損耗也越大。

5 結語

浮標作為海上通信中繼系統,浮體規格尺寸及通信系統的可靠性都要將受到海洋環境的影響。采用Longley-Rice模型來研究浮標通信系統傳播損耗比較確切。通過仿真分析可以得到海浪對浮體的晃動進行影響天線的高度最準導致增加系統電波傳播損耗,故而在對浮體結構設計時應該注意浮體穩定性設計。另外,天線的高度也是影響系統傳輸損耗的一個重要因素,在對系統設計時應該盡量增加陸地基站的天線高度。

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Study and Simulation of Communication Wave Transmission Loss of the Sea Buoy

ZHANG Guolong ZHENG Chenyao

(Unit 93,No.91388 Troops of PLA,Zhanjiang 524022)

This paper uses the Longley-Rice model to simulate and study wave transmission loss of the relay communication system starting from the characteristics of radio communications on the sea,establishes the relationship between the sea buoy communicate with the marine environment and the structure of the communication system.The research of transmission loss provides a necessary theoretical basis for the design of the float mechanism.

buoy,transmission loss,Longley-Rice model

2014年8月12日,

2014年9月27日

張國龍,男,助理工程師,研究方向:方向水聲信號處理。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.021