白頻譜下考慮船體晃動的電波傳播特性研究

黃 芳，杜文才，白 勇

(海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570228)

白頻譜下考慮船體晃動的電波傳播特性研究

黃 芳，杜文才，白 勇

(海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570228)

為設計基于空白電視頻段的海上無線傳輸系統，需要了解在該頻段下無線電波在海面傳播特性。在海上環境下，海面波動會引起船體晃動，導致發射和接收天線間的角度變化，從而影響海上電波傳播損耗和通信鏈路性能。對海浪波動引起的船體晃動進行了三維建模，然后考慮地球曲率并結合晃動時天線角度改變引起的天線接收增益變化改進了海上電波傳播損耗模型。借助該模型仿真分析了空白電視頻段下不同船體晃動類型和在不同傳播距離時對海上無線電波傳輸路徑增益的影響程度。

海洋通信；信道建模；電波傳播

空白電視頻段的開放和利用在近年來已不斷成為一種發展趨勢。在海上環境下，空白的電視頻段將會更加豐富。當其用于海上無線傳輸時，需要研究考慮船體晃動情況下的無線電波傳播特性。海面波動導致船體晃動，引起天線俯仰角、橫搖角的改變，會導致沿不同方向的天線發射和接收增益發生變化。需要研究這種情況對海上無線電波傳輸損耗的影響，從而指導海上無線傳輸和通信鏈路的分析與設計。

關于海面電波傳播模型，目前的研究大都集中在大氣效應和多徑分量。文獻[1]詳細討論了由于氧氣、水蒸氣、云、霧和雨等引起的無線電波被吸收或衰減。文獻[2]分析了3類波導效應，表面波導，懸空波導和蒸發波導。其中蒸發波導是最常見的。文獻[3]提出了蒸發波導大都出現在下午且平均管道厚度是15 m。文獻[4]提出評估多路徑效應的分析方法并對使用該分析方法預測的多路徑數據與使用寬帶測量雷達得到的實測數據進行了對比。該模型只考慮由海面引起的多路徑效應對電波傳播損耗的影響而沒有考慮船體晃動所帶來的影響。文獻[5-6]分析了蒸發波導引起的微波超視距電波傳播損耗情況，但未考慮船體晃動的影響。文獻[7]提出了船體晃動對接收端電波損耗影響的初步模型，但沒有考慮地球曲率對電波傳播損耗模型的影響。在海洋環境下收發距離較遠，地球曲率是一個不可忽略的考慮因素。為使模型更加精確，本文通過考慮地球曲率對入射擦海角進行修正對該模型進行了改進，并通過軟件仿真700 MHz空白電視頻段[8]下，無線電波傳播損耗的程度。在文中的仿真分析部分， 量化了船體晃動對海上無線電波傳輸路徑損耗的影響情況， 比較了收發距離不同時的結果， 從而得出路徑損耗與不同船體晃動類型(上下浮動、左右橫搖、前后俯仰)之間關系的一些結論。

1 海上電波傳播環境

無線電波在海面傳播時，收發端在可視距離以內在接收

端的接收到的信號包括直達波和經海面反射的反射波；收發端在可視距離以外，即地球陰影區域，無線電波可經過繞射效應傳播的可視距離以外的地方，這時就要考慮繞射損耗。通常根據收發端的距離，將傳播距離分為3個區域[9]，如圖1所示。

圖1 分段的海域傳播距離

A段指從發射天線基站T到基站可視點RA，距離為d1；B段指從在基站可視點RA到視距可視點RB，距離為d2；C段指超過視距可視點RB范圍的地球陰影區域，距離為d3。

如圖1所示，假設收發天線的高度分別為Ht和Hr，根據簡單的幾何關系可知

d12+Re2=(Ht+Re)2

(1)

則

(2)

由于Re?Ht可得出近似公式

(3)

同理

(4)

2 改進的雙徑模型

船載天線在海面上接收的信號除了直達波外，還有海面的反射波。根據反射面即海面的粗糙程度，反射信號可以分為相干的鏡面反射分量和非相干的漫反射分量[10]。文獻[11]利用粗糙度判決法、瑞利判決法、修正系數函數法等分析了海上電磁波的反射特性，得出了在海情為3到7級情況下，入射擦海角φg比較小時鏡面反射信號占據絕對優勢，漫反射可以忽略不計的結論。即設表面起伏高度為Δh，若

(5)

一般可認為反射面是平坦的，其反射信號主要成分是鏡面反射分量，漫反射分量可以忽略。其中λ為入射波波長。本文假設海面比較平靜，只考慮鏡面反射的影響。鏡面反射的簡單模型[10]如圖2所示。其中P為鏡面反射點，φg為入射擦海角，ht、hr為發射天線高度、接收天線高度。R1和R2為反射路徑，Rd為直射路徑。為使傳播模型更加精確，必須考慮地球曲率的影響[12]。

圖2 考慮地球曲率的鏡面反射雙徑模型

一般情況下，根據時間延遲可計算出直達路徑距離Rd，再根據余弦定理求α

(6)

式中：Re為地球的有效半徑，水平距離l=Reα，要求得反射路徑長度r1和r2，首先要確定反射點。當天線高度和天線尺寸都遠小于地球半徑時，可利用下面的方程求出l1[13]

(7)

根據l1得到

α1=l1/Re

(8)

α2=(l-l1)/Re

(9)

根據余弦定理求得

(10)

(11)

則考慮了地球曲率的入射擦海角為

(11)

3 考慮船體晃動的海上無線電波傳播損耗模型

3.1 船體晃動模型

海面的波動一般分為3種情況：風力引起的海浪，重力及離心力引起的潮汐和大地構造引起的海嘯[14]。本文只考慮風力引起的海浪所產生的影響。

船體在海浪上隨著波浪上下、左右、前后的晃動而運動。這樣可抽象出船體的六自由度的運動模型(x,y,z,α,β,γ)。建立一個地球基準的球坐標系(o,x,y,z)，o為地球的中心。其他坐標系下的坐標也可以轉換成該坐標系下的坐標[15]。所以船的運動可以表示為：

1)高度的變化沿著Z軸上下變化；

2)左右的晃動以X軸為中心旋轉；

3)前后的傾斜以Y軸為中心旋轉。

船載天線與船體是相對靜止的，所以也可以將天線的位置，輻射角度，接收角度放在這個球坐標系里描述。船體的三維坐標系如圖3所示。

圖3 船體的三維坐標系

因為沒有船體運動的實測數據，文獻[2]利用近似幾何關系來推導垂直極化天線的最大角度偏差，即船體晃動角度的最大值

(13)

式中：Hmax為海浪的最大高度；λsea為海浪波長。

3.2 結合船體晃動的海上信道模型

在電波傳播模型中結合晃動時天線的俯仰角、橫搖角的改變，來分析不同方向上天線增益的變化。本文使用輻射向量參數G來表示沿著不同方向的天線增益和它的分量狀態[16]。G(θ,φ)表示在一系列發射角度和接收角度下天線的實際增益。

(14)

式中：θ是天線的仰角；φ代表天線的方位角；U是個單位向量，表示天線增益沿著Uθ和Uφ方向的分配比例。天線增益的數據表可通過全波三維電磁仿真軟件HFSS得到。

其中，圖4為天線坐標系下的單位向量，圖5為鏡面反射路徑定義的單位向量。

圖4 天線坐標系下的單位向量

圖5 鏡面反射路徑定義的單位向量

在同一個坐標系下，使用單位向量寫出信道矩陣，直達路徑信道矩陣CD，uθ和uφ方向為角度θ，φ變化方向的單位向量。

(15)

式中：“·”為向量點乘運算。鏡面反射路徑信道矩陣CR為

(16)

(17)

式中：ρr為鏡面反射系數[18]，用貝塞爾函數修正，它是海面均方根波高σh，入射擦海角φg及波長λ的函數

(18)

g=(σhsinφg)/λ

(19)

所以，路徑增益為

(20)

在A段，采用考慮船體晃動的雙徑模型進行描述，在B段，采用考慮船體晃動的單徑模型進行描述，即只考慮直達路徑。寫成式(9)的形式為

La=147.558 2-20lgf+β(f,d)=

(21)

(22)

當船體不晃動時，直達路徑信道矩陣和反射路徑的信道矩陣可以寫成如下形式

(23)

(24)

4 仿真分析

利用以上天線最大角度偏差，入射擦海角和路徑損耗計算方法對無線電波傳播損耗進行了仿真。假設發送端位于岸邊，接收端位于海面，距離Rd分別設為1km，5km，10km， 20km， 收發天線高度都為10m，海情為道格拉斯5海情，海面波動周期為7s，天線最大的角度偏差為7.6，采用垂直極化的偶極子天線，最大增益為2.1dBi。根據式(1)～(5)計算出基站可視范圍A段為13km，視距可視范圍B段為23km。利用MATLAB軟件仿真，獲得載波頻率為700MHz時，船體晃動的3種類型(上下浮動、左右橫搖、前后俯仰)對無線電波海面傳播損耗影響的對比情況，如圖6～圖10所示。

圖6 船體不晃動時接收功率損耗隨時間變化圖

圖7 fc=700 MHz船體上下浮動接收功率損耗隨時間變化的三維對比圖

圖8 fc=700 MHz船體上下浮動接收功率損耗隨時間變化對比圖

圖9 fc=700 MHz船體橫搖晃動接收功率損耗隨時間變化對比圖

圖10 fc=700 MHz船體俯仰晃動接收功率損耗隨時間變化對比圖

在收發端距離為1 km,5 km,10 km時，使用A段模型公式。在收發端距離為20 km>13 km時，使用B段模型公式。隨著收發距離的變化，不考慮船體晃動時接收功率的變化情況如圖6所示，隨著收發距離和時間的變化，接收功率的變化情況如圖7所示。對比收發端距離1 km，5 km，10 km，20 km，可以看出隨著收發端距離的增大，傳播損耗的波動幅度越來越小，船體的晃動對傳播損耗的影響越來越小。

對比圖8～圖10的a圖，可明顯看出船體橫搖和俯仰與上下浮動相比導致的損耗較低，如圖8a所示上下浮動導致傳播損耗波動約有9 dB，而船體橫搖和俯仰導致的損耗波動只有約0.2 dB。可得出在A段，在船體晃動的3種形式，上下浮動、左右橫搖、前后俯仰中，船體上下浮動相比于其他兩種晃動形式對海面傳播損耗的影響最大，占主導作用。

對比圖8至圖10中的d圖，接收端功率損耗的波動浮動均比較小，可得出在B段，船體的晃動對接收功率損耗影響比較小，可以忽略不計。

5 小結

當空白電視頻段用于海上無線傳輸時，其無線傳播特性的認識將有助于無線傳輸系統的設計。海浪波動導致的船體晃動是影響海上無線電波傳輸損耗的一個重要因素。本文首先建立了船體晃動的三維模型，然后在較平靜海面的鏡面反射雙徑模型中結合了船體晃動模型和天線方向增益模型并考慮地球曲率得到改進的海上電波傳播損耗模型。利用該改進模型仿真分析了不同船體晃動類型(上下浮動、左右橫搖、前后俯仰)下700 MHz空白電視頻段無線電波傳輸損耗的影響程度。得出收發端距離越小，船體隨海浪上下浮動導致接收功率損耗波動越大的結論。

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杜文才(1952— )，博士，教授，博士生導師，主研計算機網絡、海洋通信；

白 勇(1970— )，博士，教授，博士生導師，主研移動通信、無線通信。

責任編輯：時 雯

Maritime Radio Propagation Characteristics of Television White Space Spectrum with Impact of Ship Motions

HUANG Fang，DU Wencai，BAI Yong

(CollegeofInformationScienceandTechnology，HainanUniversity，Haikou570228，China)

For designing maritime wireless transmission system using the TVWS(Television White Space) spectrum， the radio propagation over sea surface needs to be studied. One of the distinct characteristics of maritime radio propagation is the impact of ship motions due to the fluctuation of sea waves. A radio propagation model with the integration of the effects of ship motions is established. Using such a model，the losses of radio propagation at TVWS spectrum under different motion types and different transmission distances are analyzed.

marine communications；channel modeling；radio propagation

【本文獻信息】黃芳，杜文才，白勇.白頻譜下考慮船體晃動的電波傳播特性研究[J].電視技術,2015，39(13).

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.13.032

國家自然科學基金項目(61062006；61261024)

黃 芳(1990— )，女，碩士生，主研海洋通信，無線通信；

2014-12-22