海面環境700 MHz頻段傳輸特性測試與模型校正

李　媛，任　佳，崔亞妮

(海南大學 信息科學技術學院， 海南 海口 570228)

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海面環境700 MHz頻段傳輸特性測試與模型校正

李媛，任佳，崔亞妮

(海南大學 信息科學技術學院， 海南 海口 570228)

摘要:在海面環境下通過船-岸測量方式對700 MHz頻段的無線傳輸特性進行測量。基于實測數據分析，引入海面雙徑傳輸損耗模型對ITU-R P.1546-5標準傳輸模型進行校正，該校正模型可實現700 MHz頻段無線傳輸損耗預測。在仿真中，分別利用自由空間模型、ITU-R P.1546-5模型和ITU-R P.1546-5校正模型對700 MHz頻段的海面無線傳輸損耗進行預測，通過與實測數據對比分析，證明ITU-R P.1546-5校正模型預測結果準確性更高，能夠為海面無線通信系統的設計提供重要依據。

關鍵詞:海面無線傳輸損耗；ITU-R P.1546-5標準模型；雙徑傳輸損耗模型；模型校正

海洋資源的開發與利用，需要借助豐富的信息獲取、傳輸與處理手段。相較于信息獲取與信息處理環節，海洋環境下的信息遠距離傳輸難度大、手段單一，多以海事衛星通信為主。目前，海事衛星通信系統(如INMARSAT系統[1]、Fleet-Broadband海事寬帶網[2])能夠滿足遠洋船舶通信要求，但終端設備購置費用、維護更新費用和通信資費較高，無法滿足海洋環境監測、海洋工程作業、海洋資源開發等領域頻繁、海量信息傳輸的需求。為此，研究開發適用于海洋工程多領域的無線通信技術成為關鍵。

海面無線通信技術不是陸地通信技術的簡單移植，需要對陸地通信技術進行改造，以適應海面無線傳輸特征、遠距離高速率傳輸和低使用成本等要求。尤其掌握海面無線傳輸特征，是構建標準化的海面無線傳輸預測模型是研究海面傳輸技術的前提。目前無線電傳輸預測模型主要有Okumura-Hata模型[3]、Longley-Rice模型(即Irregular Terrain Model, ITM)[4]、Durkin模型[5]以及ITU-R P.1546模型[6]等，然而上述模型的主要應用領域為預測陸地環境無線傳輸損耗。其中，Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型廣泛用于預測城市及周邊的地區工作頻率在150 MHz至1 920 MHz的無線傳輸路徑損耗，預測精度較高。特別是Longley-Rice模型能夠在山區環境下，十分準確地預測VHF和UHF電視頻段內的接收場強[7]。當傳輸距離大于50 km時，Longley-Rice模型的預測結果與實測數據相吻合[8]。此外，Okumura-Hata模型、Longley-Rice模型以及ITU-R P.1546模型還具備一定的海上移動信道的傳輸損耗預測能力[9]。在海上無線傳輸損耗的預測過程中，Longley-Rice模型考慮了更多影響因素，包括海面折射率、海面導電率、介電常數以及海浪洶涌度等[10]，對無線電傳輸損耗預測情況比Okumura-Hata模型和自由空間模型更加精確[11]。但相比于Longley-Rice模型和Okumura-Hata模型，ITU-R P.1546模型的應用范圍更廣闊[12]。且相較于Okumura-Hata模型和自由空間模型，ITU-R P.1546-5模型對路徑損耗的預測情況與南海環境中的測量情況更加吻合[13]，因此，本文將借鑒ITU-R P.1546-5模型來預測南海的無線傳輸損耗值。

然而，ITU-R P.1546-5模型是在自由空間條件下完成海上無線傳輸損耗預測，未考慮通信距離較小時，海面無線信號傳輸中出現的直射波信號和反射波信號傳輸損耗預測問題[14]。針對該問題，本文提出利用雙徑傳輸模型對ITU-R P.1546-5模型進行修正，然后預測海上無線電的傳輸損耗值，并通過仿真實驗與真實測量值進行對比，從而驗證該模型的有效性。

1無線傳輸模型研究

1.1海面測量場景

南海素有“亞洲地中海”之稱，海洋資源豐富，是我國海上石油和貿易的生命線，因此，海洋石油開采、海上運輸以及發展漁業等海上作業也日趨繁多，由此進一步提高了及時準確地進行海洋通信的重要性，這就要求能夠獲得準確度高的海上數據資料。因此，2014年10月，海南大學環海南島頻譜測量團隊進行了一次海上數據采集，測量段為西島至三亞灣的往返航程，此次環島測量所用儀器為安捷倫科技(中國)有限公司生產的頻譜測量儀，型號為N9342C，路線圖如圖1所示。

圖1　實測線路圖

此次測量過程中將發射天線架設在開闊的高層樓頂上，總高度約為65 m。接收天線架設在測量船上，海拔高度約為2 m，但由于海浪的影響，接收天線海拔高度是在不斷變化的。圖2為無線信號的收發方式。

圖2　信號發送端與測量船間信號收發方式

測量所得部分數據如表1所示。

表1　部分實測數據表

1.2ITU-R P.1546-5模型

ITU-R P.1546-5模型是以實測數據為基礎，對距離、天線高度、頻率、時間百分數等進行內插或外推的半理論半經驗模型，其作用的頻率范圍是30～3 000 MHz，有效發射基站高度小于3 000 m，路徑長度在1～ 1 000 km之間的陸地路徑、海面路徑和/或陸地-海面混合路徑上的對流層無線電電路。要將其應用到海上無線傳輸模型中，則場強必須不超過如下最大值Emax，即

Emax=Efs+EsedB(μV/m)

(1)

式中：Efs為1 kW e.r.p.的自由空間場強，由如下公式計算得出，即

Efs=106.9-20logddB(μV/m)

(2)

海面曲線的增強值Ese的計算公式如下

Ese=2.38{1-exp(-d/8.94)}log(50/t)dB(3)

式中：d為距離(km)；t為時間百分比。

此外，海上無線傳輸情況還需考慮如下兩個方面的校正：

1)接收天線高度h2校正

由于海浪的影響，測量船在航行過程中的海拔高度是不斷變化的，從而導致了接收天線的高度也是時時改變的，為保證海上無線傳輸損耗預測結果的準確性，此時還需考慮接收天線高度的校正問題。對于海面路徑而言，h1是指海面上方天線的物理高度，本文中指發射天線的海拔高度，h2指接收天線的海拔高度。“鄰近海面”適用于接收天線在海面上或是緊鄰海面并且在發射/基站方向上沒有顯著障礙物的場合。

當接收天線鄰近海面且h2≥10 m時，校正量計算公式為

Cor=Kh2log(h2/R′)dB

(4)

式中：f為頻率(MHz)，且

R′=10 m

Kh2=3.2+6.2logf

當接收天線臨近海面且h2<10 m，符合在0.6倍第一菲涅爾區的路徑長度內的海面上完全無障礙物的條件時，該路徑長度計算公式為

(5)

式中：f為頻率(MHz)，且

Df=0.000 038 9 fh1h2

D06(f,h1,10)表示對于所需h1值和h2=1m路徑恰為0.6倍菲涅爾間隔的距離，記為d10，D06(f,h1,h2)可記為dh2。

若傳輸距離大于或等于d10，則采用公式(4)計算校正量。

若傳輸距離小于d10，則校正量的計算公式為

當d≤dh2時，

Cor=0.0dB

(6)

當dh2

(7)

式中：C10為式(4)中R′=10m時傳輸距離d10處所需h2值的校正量。

當接收天線高度h2鄰近陸地時小于1m或鄰近海面時小于3m的場合下，該模型無效。以上接收天線高度校正流程如圖3所示。

圖3　接收天線高度校正流程圖

此外，收發天線之間會存在高度差異，修正公式為

(8)

式中：d為兩天線間的水平距離，斜坡距離dslope為

(9)

式中：htter和hrter分別表示發射基站和接收天線的高出海平面的地面高度，單位為m。

2)對流層散射校正

由于海上環境中各處的溫度、壓強、濕度等要素水平分布不均，造成對流層中分布著大量的散射體，因此對流層是一種隨機不均勻介質。當無線信號通過該不均勻介質時，除發生折射外，還會被不均勻介質再次輻射，對流層散射由此形成。因此，為保證無線傳輸損耗預測結果的準確性，還需考慮對對流層散射因素進行校正。

路徑散射角計算公式為

(10)

式中：d為路徑長度(km)；有效地球半徑系數k=4/3；地球半徑a=6 370km。

對流層散射場強公式為

Ets=24.4-20logd-10θs-Lf+0.15N0+

GtdB(μV/m)

(11)

其中，頻率相關損耗為

(12)

綜合考慮上述兩個校正因素，則標準ITU-RP.1546-5模型的場強EITU的計算公式為

EITU=Efs+EtsdB(μV/m)

(13)

則對應的基本傳輸損耗計算公式為

LbITU=139.3-EITU+20logf+CordB

(14)

式中：f為頻率(MHz)。

綜上所述，將ITU-RP.1546-5模型應用到實際南海環境中時還需考慮接收天線高度和對流層散射兩個因素的校正，但在傳輸距離較短的情況下，海面還會存在一條直射信號和一條反射信號，與雙徑模型特征相吻合，因此在短距離無線信號傳輸過程中還需添加雙徑傳輸模型對ITU-RP.1546-5模型進行校正。

1.3雙徑傳輸模型

雙徑傳輸模型中只存在一條較強的直射波信號和一條海面反射波，且短距離內可視為平面傳輸[9]，模型圖如圖4所示。

圖4　雙徑傳輸模型圖

圖中的反射波和直射波的路徑差為

(15)

如圖4所示，r1、r2是收發端到反射點的距離，h1、h2分別為發射基站和接收天線的高度，d為收發端之間的水平距離。由此可得兩電場的相位差計算公式為

(16)

式中：λ為波長。

因此，接收場強與自由空間場強的關系為

(17)

式中：Erec是接收場強；Efs是自由空間場強。此公式為雙徑模型提供了精確的接收場強計算方法。

當傳輸距離d遠遠大于天線高度時，式(17)可簡化為

(18)

即接收場強為

(19)

ITU-RP.1546-5改進模型同樣需要考慮接收天線高度和對流層散射兩個校正因素，因此該模型的場強EproITU為

EproITU=Erec+EtsdB(μV/m)

(20)

其中，對流層散射場強Ets的計算公式如式(11)所示，單位為dB(μV/m)，與其特定場強對應的基本傳輸損耗計算公式為

LbproITU=139.3-EproITU+20logf+Cor

(21)

自由空間的傳輸損耗計算公式為

Lbfs=-27.56+20logf+20logd

(22)

式中：傳輸損耗Lb和Lbfs的單位為dB，場強E的單位為dB(μV/m)，頻率f的單位為MHz，傳輸距離d的單位為km。

2仿真結果分析

本文采用加入了雙徑模型校正后的ITU-RP.1546-5模型對海南大學環海南島頻譜測量團隊環島測得的數據進行海面無線傳輸損耗的預測計算，其中，從三亞灣至西島航段的測量頻率是780MHz，西島返回至三亞灣航段中接收天線接收的是730MHz的信號，然后利用MATLAB仿真平臺進行分析。由于本文討論的是信息收發距離較短時的情況，且當信息收發距離過大時，實測數據不能準確反映真實情況，因此模擬仿真選取的是收發距離為3～8km之間的數據，仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5　頻率為780 MHz的傳輸損耗對比圖

圖6　頻率為730 MHz的傳輸損耗對比圖

由圖5、圖6可得如下結論：

1)在700 MHz頻段內，自由空間模型的傳輸損耗最小；

2)ITU-R P.1546-5改進模型的預測傳輸損耗點比較分散，這是因為該模型的預測結果與傳輸距離和接收天線高度等因素有關。當頻率分別為780 MHz和730 MHz時，相比于自由空間模型和標準ITU-R P.1546-5模型，改進后的ITU-R P.1546-5模型的傳輸損耗預測結果更符合實測傳輸損耗范圍；

3)在780 MHz和730 MHz的頻率下，當傳輸距離范圍在5.5～8 km時，改進后的ITU-R P.1546-5模型對海面傳輸損耗的預測更為準確，原因分析如下：當傳輸距離小于5.5 km時，沿岸有較多的障礙物(如高樓等)遮擋，影響到實測數據的采集效果，導致實測數據偏大，由此影響到模型對海面無線傳輸損耗預測的準確性。但結合整體仿真效果來看，加入雙徑模型后的ITU-R P.1546-5更符合700 MHz頻段下的南海海面實測環境，可用來預測海上無線信號的傳輸損耗情況。

3結束語

由于岸邊發射天線信號強度的范圍有限，無線信號的收發距離不可過大，但沿岸存在有眾多如高樓等障礙物的遮擋，會影響到無線信號的接收，因此信號收發距離也不可太小。由于原ITU-R P.1546-5模型是建立在自由空間基礎上，未全面考慮到近海海域存在海面反射波的情況，因此本文將雙徑傳輸模型引入到標準ITU-R P.1546-5模型中對其加以改進。與原ITU-R P.1546-5模型相比，改進后的ITU-R P.1546-5模型更符合南海實際情況。通過仿真結果表明，改進后的ITU-R P.1546-5預測的傳輸損耗比原ITU-R P.1546-5和自由空間模型預測的更接近西島到三亞灣的實測值，證明改進后的ITU-R P.1546-5對700 MHz頻段下的海面無線傳輸損耗的預測結果更為準確。

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責任編輯：薛京

Measurement of radio propagation characteristics and model correction over sea at 700 MHz band

LI Yuan, REN Jia, CUI Yani

(CollegeofInformationScience&Technology,HainanUniversity,Haikou570228，China)

Abstract:Radio propagation characteristics in the maritime environment are measured at 700 MHz band through the ship-shore method. According to the measured data, an offing two-path transmission loss model is introduced to correct the standard ITU-R P.1546-5 model. And the correction model can predict the radio transmission loss at 700MHz band. In the simulation, the radio transmission loss at 700 MHz is predicted by free space model, ITU-R P.1546-5 model and ITU-R P.1546-5 correction model, respectively. And compared with the measured data, the prediction result obtained by ITU-R P.1546-5 correction model has a better accuracy. So the model can be used for the design of the maritime wireless communication system.

Key words:radio transmission on sea surface; standard ITU-R P.1546-5 model; two-path transmission loss model; model correction

中圖分類號：TN929

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.018

基金項目：國家自然科學基金項目(61440048；61562018)；國家國際科技合作專項(2015DFR10510)；河南省自然科學基金項目(614227)

作者簡介：

李媛(1991— )，女，碩士生，主研海洋通信；

任佳(1981— )，博士，教授，碩士生導師，主研海洋通信、人工智能；

崔亞妮(1990— )，女，博士，主研多無人機協同研究。

收稿日期：2015-10-30

文獻引用格式：李媛，任佳，崔亞妮. 海面環境700 MHz頻段傳輸特性測試與模型校正[J]. 電視技術，2016，40(5)：82-90.

LI Y, REN J, CUI Y N. Measurement of radio propagation characteristics and model correction over sea at 700 MHz band [J]. Video engineering，2016,40(5)：82-90.