黃 芳，杜文才，白 勇

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

白頻譜下考慮船體晃動(dòng)的電波傳播特性研究

黃 芳，杜文才，白 勇

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 海口 570228)

為設(shè)計(jì)基于空白電視頻段的海上無(wú)線傳輸系統(tǒng)，需要了解在該頻段下無(wú)線電波在海面?zhèn)鞑ヌ匦?。在海上環(huán)境下，海面波動(dòng)會(huì)引起船體晃動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)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(duì)海浪波動(dòng)引起的船體晃動(dòng)進(jìn)行了三維建模，然后考慮地球曲率并結(jié)合晃動(dòng)時(shí)天線角度改變引起的天線接收增益變化改進(jìn)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(dòng)類(lèi)型和在不同傳播距離時(shí)對(duì)海上無(wú)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(kāi)放和利用在近年來(lái)已不斷成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在海上環(huán)境下，空白的電視頻段將會(huì)更加豐富。當(dāng)其用于海上無(wú)線傳輸時(shí)，需要研究考慮船體晃動(dòng)情況下的無(wú)線電波傳播特性。海面波動(dòng)導(dǎo)致船體晃動(dòng)，引起天線俯仰角、橫搖角的改變，會(huì)導(dǎo)致沿不同方向的天線發(fā)射和接收增益發(fā)生變化。需要研究這種情況對(duì)海上無(wú)線電波傳輸損耗的影響，從而指導(dǎo)海上無(wú)線傳輸和通信鏈路的分析與設(shè)計(jì)。

關(guān)于海面電波傳播模型，目前的研究大都集中在大氣效應(yīng)和多徑分量。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)討論了由于氧氣、水蒸氣、云、霧和雨等引起的無(wú)線電波被吸收或衰減。文獻(xiàn)[2]分析了3類(lèi)波導(dǎo)效應(yīng)，表面波導(dǎo)，懸空波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)。其中蒸發(fā)波導(dǎo)是最常見(jiàn)的。文獻(xiàn)[3]提出了蒸發(fā)波導(dǎo)大都出現(xiàn)在下午且平均管道厚度是15 m。文獻(xiàn)[4]提出評(píng)估多路徑效應(yīng)的分析方法并對(duì)使用該分析方法預(yù)測(cè)的多路徑數(shù)據(jù)與使用寬帶測(cè)量雷達(dá)得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。該模型只考慮由海面引起的多路徑效應(yīng)對(duì)電波傳播損耗的影響而沒(méi)有考慮船體晃動(dòng)所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[5-6]分析了蒸發(fā)波導(dǎo)引起的微波超視距電波傳播損耗情況，但未考慮船體晃動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[7]提出了船體晃動(dòng)對(duì)接收端電波損耗影響的初步模型，但沒(méi)有考慮地球曲率對(duì)電波傳播損耗模型的影響。在海洋環(huán)境下收發(fā)距離較遠(yuǎn)，地球曲率是一個(gè)不可忽略的考慮因素。為使模型更加精確，本文通過(guò)考慮地球曲率對(duì)入射擦海角進(jìn)行修正對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)軟件仿真700 MHz空白電視頻段[8]下，無(wú)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(dòng)對(duì)海上無(wú)線電波傳輸路徑損耗的影響情況， 比較了收發(fā)距離不同時(shí)的結(jié)果， 從而得出路徑損耗與不同船體晃動(dòng)類(lèi)型(上下浮動(dòng)、左右橫搖、前后俯仰)之間關(guān)系的一些結(jié)論。

1 海上電波傳播環(huán)境

無(wú)線電波在海面?zhèn)鞑r(shí)，收發(fā)端在可視距離以?xún)?nèi)在接收

端的接收到的信號(hào)包括直達(dá)波和經(jīng)海面反射的反射波；收發(fā)端在可視距離以外，即地球陰影區(qū)域，無(wú)線電波可經(jīng)過(guò)繞射效應(yīng)傳播的可視距離以外的地方，這時(shí)就要考慮繞射損耗。通常根據(jù)收發(fā)端的距離，將傳播距離分為3個(gè)區(qū)域[9]，如圖1所示。

圖1 分段的海域傳播距離

A段指從發(fā)射天線基站T到基站可視點(diǎn)RA，距離為d1；B段指從在基站可視點(diǎn)RA到視距可視點(diǎn)RB，距離為d2；C段指超過(guò)視距可視點(diǎn)RB范圍的地球陰影區(qū)域，距離為d3。

如圖1所示，假設(shè)收發(fā)天線的高度分別為Ht和Hr，根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)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(jìn)的雙徑模型

船載天線在海面上接收的信號(hào)除了直達(dá)波外，還有海面的反射波。根據(jù)反射面即海面的粗糙程度，反射信號(hào)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(xiàn)[11]利用粗糙度判決法、瑞利判決法、修正系數(shù)函數(shù)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(jí)情況下，入射擦海角φg比較小時(shí)鏡面反射信號(hào)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，漫反射可以忽略不計(jì)的結(jié)論。即設(shè)表面起伏高度為Δh，若

(5)

一般可認(rèn)為反射面是平坦的，其反射信號(hào)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(zhǎng)。本文假設(shè)海面比較平靜，只考慮鏡面反射的影響。鏡面反射的簡(jiǎn)單模型[10]如圖2所示。其中P為鏡面反射點(diǎn)，φg為入射擦海角，ht、hr為發(fā)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(jù)時(shí)間延遲可計(jì)算出直達(dá)路徑距離Rd，再根據(jù)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(zhǎng)度r1和r2，首先要確定反射點(diǎn)。當(dāng)天線高度和天線尺寸都遠(yuǎn)小于地球半徑時(shí)，可利用下面的方程求出l1[13]

(7)

根據(jù)l1得到

α1=l1/Re

(8)

α2=(l-l1)/Re

(9)

根據(jù)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(dòng)的海上無(wú)線電波傳播損耗模型

3.1 船體晃動(dòng)模型

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

船體在海浪上隨著波浪上下、左右、前后的晃動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。這樣可抽象出船體的六自由度的運(yùn)動(dòng)模型(x,y,z,α,β,γ)。建立一個(gè)地球基準(zhǔn)的球坐標(biāo)系(o,x,y,z)，o為地球的中心。其他坐標(biāo)系下的坐標(biāo)也可以轉(zhuǎn)換成該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[15]。所以船的運(yùn)動(dòng)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(dòng)以X軸為中心旋轉(zhuǎn)；

3)前后的傾斜以Y軸為中心旋轉(zhuǎn)。

船載天線與船體是相對(duì)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(gè)球坐標(biāo)系里描述。船體的三維坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 船體的三維坐標(biāo)系

因?yàn)闆](méi)有船體運(yùn)動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[2]利用近似幾何關(guān)系來(lái)推導(dǎo)垂直極化天線的最大角度偏差，即船體晃動(dòng)角度的最大值

(13)

式中：Hmax為海浪的最大高度；λsea為海浪波長(zhǎng)。

3.2 結(jié)合船體晃動(dòng)的海上信道模型

在電波傳播模型中結(jié)合晃動(dòng)時(shí)天線的俯仰角、橫搖角的改變，來(lái)分析不同方向上天線增益的變化。本文使用輻射向量參數(shù)G來(lái)表示沿著不同方向的天線增益和它的分量狀態(tài)[16]。G(θ,φ)表示在一系列發(fā)射角度和接收角度下天線的實(shí)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(gè)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(shù)據(jù)表可通過(guò)全波三維電磁仿真軟件HFSS得到。

其中，圖4為天線坐標(biāo)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(biāo)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(gè)坐標(biāo)系下，使用單位向量寫(xiě)出信道矩陣，直達(dá)路徑信道矩陣CD，uθ和uφ方向?yàn)榻嵌圈?，φ變化方向的單位向量?/p>

(15)

式中：“·”為向量點(diǎn)乘運(yùn)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(shù)[18]，用貝塞爾函數(shù)修正，它是海面均方根波高σh，入射擦海角φg及波長(zhǎng)λ的函數(shù)

(18)

g=(σhsinφg)/λ

(19)

所以，路徑增益為

(20)

在A段，采用考慮船體晃動(dòng)的雙徑模型進(jìn)行描述，在B段，采用考慮船體晃動(dòng)的單徑模型進(jìn)行描述，即只考慮直達(dá)路徑。寫(xiě)成式(9)的形式為

La=147.558 2-20lgf+β(f,d)=

(21)

(22)

當(dāng)船體不晃動(dòng)時(shí)，直達(dá)路徑信道矩陣和反射路徑的信道矩陣可以寫(xiě)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(jì)算方法對(duì)無(wú)線電波傳播損耗進(jìn)行了仿真。假設(shè)發(fā)送端位于岸邊，接收端位于海面，距離Rd分別設(shè)為1km，5km，10km， 20km， 收發(fā)天線高度都為10m，海情為道格拉斯5海情，海面波動(dòng)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(jù)式(1)～(5)計(jì)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(shí)，船體晃動(dòng)的3種類(lèi)型(上下浮動(dòng)、左右橫搖、前后俯仰)對(duì)無(wú)線電波海面?zhèn)鞑p耗影響的對(duì)比情況，如圖6～圖10所示。

圖6 船體不晃動(dòng)時(shí)接收功率損耗隨時(shí)間變化圖

圖7 fc=700 MHz船體上下浮動(dòng)接收功率損耗隨時(shí)間變化的三維對(duì)比圖

圖8 fc=700 MHz船體上下浮動(dòng)接收功率損耗隨時(shí)間變化對(duì)比圖

圖9 fc=700 MHz船體橫搖晃動(dòng)接收功率損耗隨時(shí)間變化對(duì)比圖

圖10 fc=700 MHz船體俯仰晃動(dòng)接收功率損耗隨時(shí)間變化對(duì)比圖

在收發(fā)端距離為1 km,5 km,10 km時(shí)，使用A段模型公式。在收發(fā)端距離為20 km>13 km時(shí)，使用B段模型公式。隨著收發(fā)距離的變化，不考慮船體晃動(dòng)時(shí)接收功率的變化情況如圖6所示，隨著收發(fā)距離和時(shí)間的變化，接收功率的變化情況如圖7所示。對(duì)比收發(fā)端距離1 km，5 km，10 km，20 km，可以看出隨著收發(fā)端距離的增大，傳播損耗的波動(dòng)幅度越來(lái)越小，船體的晃動(dòng)對(duì)傳播損耗的影響越來(lái)越小。

對(duì)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(dòng)相比導(dǎo)致的損耗較低，如圖8a所示上下浮動(dòng)導(dǎo)致傳播損耗波動(dòng)約有9 dB，而船體橫搖和俯仰導(dǎo)致的損耗波動(dòng)只有約0.2 dB?？傻贸鲈贏段，在船體晃動(dòng)的3種形式，上下浮動(dòng)、左右橫搖、前后俯仰中，船體上下浮動(dòng)相比于其他兩種晃動(dòng)形式對(duì)海面?zhèn)鞑p耗的影響最大，占主導(dǎo)作用。

對(duì)比圖8至圖10中的d圖，接收端功率損耗的波動(dòng)浮動(dòng)均比較小，可得出在B段，船體的晃動(dòng)對(duì)接收功率損耗影響比較小，可以忽略不計(jì)。

5 小結(jié)

當(dāng)空白電視頻段用于海上無(wú)線傳輸時(shí)，其無(wú)線傳播特性的認(rèn)識(shí)將有助于無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。海浪波動(dòng)導(dǎo)致的船體晃動(dòng)是影響海上無(wú)線電波傳輸損耗的一個(gè)重要因素。本文首先建立了船體晃動(dòng)的三維模型，然后在較平靜海面的鏡面反射雙徑模型中結(jié)合了船體晃動(dòng)模型和天線方向增益模型并考慮地球曲率得到改進(jìn)的海上電波傳播損耗模型。利用該改進(jìn)模型仿真分析了不同船體晃動(dòng)類(lèi)型(上下浮動(dòng)、左右橫搖、前后俯仰)下700 MHz空白電視頻段無(wú)線電波傳輸損耗的影響程度。得出收發(fā)端距離越小，船體隨海浪上下浮動(dòng)導(dǎo)致接收功率損耗波動(dòng)越大的結(jié)論。

[1]LAVERGNAT J，SYLVAIN M. Radio wave propagation principle and techniques[M]. [S.l.]：John Wiley & Sons，2000.

[2]HALL M P M，BARCLAY L W，HEWITT M T. Propagation of radio wave[M]. [S.l.]：Short Run Press Ltd.， 1996.

[3] HITNEY H V， VIETH R. Statistic assessment of evaporation duct propagation [J]. IEEE Trans. Ant. & Pro.，1990(38)：794-799.

[4]HASPERT K，TULEY M. Comparison of predicted and measured multipath impulse responses[J]. IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems，2011，47(3)：1696-1709.

[5]和瑋萍. 3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的海面?zhèn)鞑ツＰ图捌湫Ｕ齕D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[6]潘越，楊坤德，馬遠(yuǎn)良.粗糙海面對(duì)微波蒸發(fā)波導(dǎo)視距傳播影響[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，25(5)：324-328.

[7]HUBERT W，LE ROUX Y M，NEY M. Impact of ship motions on maritime radio links[J]. International Journal of Antennas and Propagation，2012(4)：1-6.

[8]潘恒.空白電視頻段的無(wú)線寬帶接入[J].有線電視技術(shù)，2010，22(2)：32-37.

[9]陳超，張業(yè)榮.海上蒸發(fā)波導(dǎo)多徑傳輸建[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，33(2)：65-71.

[10]張瑜，李玲玲.低角雷達(dá)跟蹤時(shí)的多路散射模型[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19(1)，83-92.

[11]董枚，趙永波，張守宏.米波段下海面多徑模型研究[J].電子學(xué)報(bào)，2009，36(6)：1373-1377.

[12]胡曉琴，陳建文，王永良.米波雷達(dá)測(cè)高多徑模型[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(4)：651-657.

[13]MAHAFZA B R. Radar systems analysis and design using MATLAB[M]. Boca Raton：CRC Press，2000.

[14]王彩云，何志毅.海面波動(dòng)對(duì)無(wú)線光通信的影響[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31(1)：16-22.

[15]楊新，王小虎.飛機(jī)六自由度模型及仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000，12(3)：210-213.

[16]UGUEN B，AUBERT L M，TALOM F T. A comprehensive MIMO-UWB channel model framework for ray tracing approaches[C]//Proc. 2006 IEEE Ultra-Wideband Conference.[S.l.]：IEEE Press，2006：231-236.

[17]PAPA R J，LENNON J F，TAYLOR R L. Multipath effects on an azimuthal monopulse system[J]. IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems，1983(4)：585-597.

[18]MILLER A R，BROWN R M，VEGH E. New derivation for the rough-surface reflection coefficient and for the distribution of sea-wave elevation[J]. Proceedings of the IEEE H(Microwaves，Optics and Antennas)，1984， 131(2)：114-116.

杜文才(1952— )，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主研計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、海洋通信；

白 勇(1970— )，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主研移動(dòng)通信、無(wú)線通信。

責(zé)任編輯：時(shí) 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(xiàn)信息】黃芳，杜文才，白勇.白頻譜下考慮船體晃動(dòng)的電波傳播特性研究[J].電視技術(shù),2015，39(13).

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.13.032

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61062006；61261024)

黃 芳(1990— )，女，碩士生，主研海洋通信，無(wú)線通信；

2014-12-22