近岸海陸結合場景６ ＧＨｚ 以下頻段無線信道測量與建模

摘 要：海洋通信是６Ｇ 空天地海一體化網絡的關鍵場景。海洋信道特性分析與建模對海上通信系統的技術開發和部署規劃具有重要意義。關注海岸邊的岸－船通信場景，介紹了在５． ８０、５． ４５、３． ９０、３． ００ ＧＨｚ 頻段開展的無線信道測量活動，提取并建模了岸邊發射機與運動船舶之間無線鏈路的關鍵信道參數。研究發現存在于近岸區域的散射體以及沿海岸線分布的建筑群會對信道造成差異化影響。基于實測數據給出了時變抽頭延遲線（Ｔａｐｐｅｄ ＤｅｌａｙＬｉｎｅ，ＴＤＬ）架構參數化模型。針對多徑分量豐富的近岸區采用５ 抽頭模型，并通過設置隨機時變抽頭表征了場景中偶然存在的高時延多徑分量。仿真結果與實測數據概率密度分布的科爾莫戈洛夫－ 斯米爾諾夫檢驗（ＫｏｌｍｏｇｏｒｏｖＳｍｉｒｎｏｖ，Ｋ-Ｓ）統計量為０． １１，ＫＬ 散度為０． ６５，研究結果可為近岸場景岸－船通信技術的設計和部署提供參考。

關鍵詞：海洋信道；信道測量；路徑損耗；抽頭延遲線模型；信道仿真

中圖分類號：ＴＮ９２９． ５ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０５－０８５４－１４

０ 引言

隨著通信行業的迅猛發展，新一代移動通信技術為各行業提供了快速可靠的通信服務，如高速鐵路通信［１］、車載通信［２］。海洋產業作為國民經濟的重要組成部分，也需要依托新一代移動通信技術向智能化、數字化方向發展。作為擁有３００ 多萬平方千米管轄海域和１． ８ 萬千米大陸海岸線的海洋大國，我國陸續出臺了數字海洋、智慧海洋、智能航運等政策。同時，由于重點經濟區一般沿近岸水域設立，這些水域承擔著許多重要的國家任務和海洋活動，例如近岸水域養殖和漁業、石油和天然氣的勘探與生產。因此，需要建立高速可靠的無線通信系統以保證船舶與船舶、船舶與地面之間的穩定無線連接。

傳統的近海通信系統主要包括海上無線電通信、海上衛星通信和基于地面蜂窩網絡的岸基移動通信［３］。海上無線電通信覆蓋范圍小、數據速率低；衛星通信系統由于空地距離限制導致傳播時延大、實施成本高。現有的海上無線通信系統難以滿足智慧海洋的建設需求，根據６Ｇ 愿景［４－５］，未來近岸的海洋用戶應能夠無縫接入高速的陸地通信網絡［６－７］，因此在陸地通信基礎上為近海建設網絡的構想愈發受到關注。

先前研究發現，水上無線信號的傳播和地面通信存在差異。從無線傳播的角度來看，近岸無線信道特性會受到陸地和水域混合因素的影響［８］，考慮到水上通信與陸地通信的差異，有必要通過實際信道測量提取典型信道特征并建立信道模型。

針對近岸海陸通信場景，當前的信道測量活動通常采用的頻段為２ ～ ８ ＧＨｚ，其中５ ～ ８ ＧＨｚ 為歐洲郵電行政會議（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｏｓｔａｌ ａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｓ，ＣＥＰＴ）和歐洲電信標準協會（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＳｔａｎｄａｒｄｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＴＳＩ）推薦的海上寬帶無線通信頻段［９］。

Ｙａｎｇ 等［１０］以５． ９０ ＧＨｚ 為中心頻率，設計了船對岸上基站的臨時移動通信網絡，并在膠州灣進行了信道測量，得到了路徑損耗、功率時延譜（Ｐｏｗｅｒ ＤｅｌａｙＰｒｏｆｉｌｅ，ＰＤＰ）等信道參數的測量結果。研究發現，在無其他障礙物的船－岸信道中，水面的反射、散射以及遮蔽效應是影響時延擴展的關鍵因素。此外，采用２． ０７５ ＧＨｚ 的中心頻率，實現了長距離（１５、４５ ｋｍ）的岸－船通信，測量了多種信道統計特性，并提出了多種大尺度路徑損耗模型［１１］。南京信息工程大學團隊在中國南海地區針對觀測平臺與船之間的信道進行了相關測量，并利用多種分布對測量得到的小尺度和大尺度衰落數據進行擬合建模。實驗結果顯示對數距離模型的預測結果誤差最小，萊斯分布對小尺度衰落數據擬合效果最佳［１２］。Ｓａｎｄｒａ等［１３］采用５． ６０ ＧＨｚ 中心頻率，在開闊海域進行了信道測量，得到了萊斯Ｋ 因子和相干帶寬等信道參數，驗證了海陸場景下船－ 岸信道的快時變特性。

盡管已經開展一些關于近岸信道測量的工作，但對海陸場景相關的信道特性依然了解較少。一方面，學術界和工業界開展的幾項測量活動，主要集中在２． ４０、５． ２０、５． ８０ ＧＨｚ 頻段［１４－１５］，對其他頻段傳播特性的研究不足。此外針對海面散射多徑和岸上建筑物散射多徑等的小尺度測量研究也不充分。另一方面，近岸無線電傳播條件具有不同于陸地電磁環境的特點，３ＧＰＰ 等５Ｇ 標準制定組織發布的網絡規劃參考模型不能用于海陸通信場景，也沒有適用于海洋信道的參數化模型，這將限制海陸通信系統性能的優化和可靠性的提升，不利于未來近岸通信網絡的設計和部署。

為了解決上述問題，在我國福建省沿海進行了近岸寬帶信道測量，獲得了４ 個頻段的信道數據。測量的中心頻率包括近岸通信推薦頻段５． ４５ ＧＨｚ和５． ８０ ＧＨｚ，同時對３． ００ ＧＨｚ 和３． ９０ ＧＨｚ 頻段進行了補充測量，以填補該頻段研究的不足。本文主要貢獻如下：

① 詳細討論了近岸場景中兩條測試路線，以及５． ４５、３． ００、５． ８０、３． ９０ ＧＨｚ 四個頻段的無線傳播特性，提供了路徑損耗、陰影衰落、小尺度衰落分布、萊斯Ｋ 因子、ＰＤＰ、多普勒功率譜等信道參數，并進行了統計性建模。

② 為表征海陸場景下的寬帶多徑信道，提出了基于時變抽頭的改進馬爾可夫抽頭延遲線（ＴａｐｐｅｄＤｅｌａｙ Ｌｉｎｅ，ＴＤＬ）模型。發現歸一化的抽頭幅值符合對數正態分布，通過與實測數據均方根時延擴展的概率密度函數對比，時變抽頭模型的科爾莫戈洛夫－斯米爾諾夫檢驗（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ-Ｓｍｉｒｎｏｖ，ＫＳ）統計量和ＫＬ 散度分別達到０． １１ 和０． ６５，相較于無時變抽頭模型，仿真結果有更好的準確度。