南海环境下基于白频谱的WLAN超远距离覆盖

陈褒丹，任 佳，莫惠芳

(海南大学信息科学技术学院，海南海口570228)

责任编辑:薛 京

海洋信息化建设是国家海洋经济发展和海洋领土管控的重要需求，也是实施我国海洋可持续发展战略的技术支撑。海洋信息化是陆地信息化的延伸，实现基础为海上无线通信技术。海上无线通信技术不是陆地通信技术的简单移植，需要对陆地通信技术进行改造，以适应海上无线电传播特征、远距离高速率传输和低使用成本等要求。

目前海上无线通信方式主要有单边带短波电台、甚高频无线电话、超短波对讲机、海岸蜂窝移动通信网和卫星移动通信网等［1］。但上述通信方式下无法达到超远距离高速率传输和低使用成本等要求。例如:海上甚高频无线电话主要用于船—岸和船舶间近距离(小于20海里，1海里=1.852 m)话音通信;蜂窝移动通信价格较低，主要用于近海、湖泊、长江小型船舶的日常通信问题;海事卫星通信系统(如INMASAT-F系统、Fleet-Broadband海事宽带网)适合远洋公海船舶通信，但终端设备购置费用、维护更新费用和通信资费较高。

针对上述问题，文献［2］利用微波实现岸—海无线宽带通信，分析了20 km传输距离内微波接收功率和通信误码率，但无法满足远距离覆盖要求。文献［3-4］分析了蒸发波引起的微波超视距传输损耗情况。文献［5-6］讨论了利用160 MHz VHF频段构造海事数据通信网络的构想，但该方案和现有船载通话设备会产生干扰。此外这些研究尚缺乏工程实现的具体技术途径。本文主要针对南海海域频谱占用度的特点以及海面传输特性，采用“空白电视波段”弥补海上通信频谱的缺口，设计了一种基于空频谱的海上无线电波传输损耗模型，以寻找适合超远距离覆盖且损耗尽可能低的无线传输方式。

1 基于白频谱的南海宽带超远距离覆盖

1．1 南海海域电视空白频段占用度分析

空白电视频段是指在分配给各个电视频道之间未被使用的空白频率资源，本质是间隔电视频道、避免传输干扰的频率段［7］。电视频率规划时，受保护信号的要求，电视频率分配不管是地理上或者频域上来看都非常稀疏，大片区域是空置的，由此产生了电视空白频段。

数字电视由于频谱效率的提高，在实现模拟信号向数字信号转变之后，将释放UHF频段高端频率资源［8］。让出的电视空白频段频率均低于1 GHz，相对于现行2.4 GHz或5.8 GHz频段，其频率低、电波衰减小，非常适合海上远程无线传输。

我国南海海域面积广，人口稀少，广播电视覆盖只能采用直播卫星电视覆盖技术实现。而南海海域面积达356万平方千米，海域形状近似圆形，周边城市的广播电视信号已基本无法覆盖到，因此南海海域广播电视VHF/UHF频段的频谱占用度很低，甚至为零。未来南海海域广播电视的覆盖从技术角度和经济角度研究也不可能采用开路的VHF/UHF电视频段进行覆盖。所以，利用“电视空白频段”等优质频率资源用于构建南海海岛的超远距离覆盖的无线局域网络是可行的，是非常适合进行“电视空白频段”无线电频率资源利用开发研究试验的。

表1是电视波段频率划分表，由表1可知:空白电视频段的资源相当丰富，可以为无线网络提供合适的频段，特别是UHF频段，该频段频率较高，相对于VHF频段，视距传播距离更远，传输损耗也不是很高。

表1 我国电视波段频率划分表

一般空白电视频段选择UHF波段700 MHz，与传统WiFi设备使用的2.4 GHz频段相比，同样的功率下传播距离要大的多，空白电视频段无线网络速度比目前3G或者4G移动宽带技术都要快，一般是400～800 Mbit/s。并且只需原WiFi的无线接入点数量的1/4～1/5，这样会大大减少网络建设成本。

FCC的法令要求，所有免执照电视空白频段设备必须通过互联网查询“频率使用数据库”，以便保护电视频道和无线话筒免受干扰并确定何时何地使用该空白频段。免执照的设备时刻侦测本频段的使用环境状况，一经感知有电视或者无线话筒信号出现，必须停止使用该空白频段。由于南海海上传播距离比较远，传输损耗也很难干扰到周边城市的正常广播电视节目，无需检查频段使用度，可以放心使用该空白频段进行无线电通信。

1．2 空白电视频段传输特性分析

由于采用1 GHz以下的电视频段频率进行海上传输覆盖，与现在采用的2.4 GHz或5.8 GHz的WLAN系统相比，传输距离是现在的3倍，覆盖范围是现在的10倍，按采用700 MHz传输频率试验，在4W的有效全向辐射功率EIRP条件下，单站传输距离可达30 km，多站接力传输可达100 km，可实现南海各海岛之间的WLAN传输覆盖。

为解决通信速率和抗干扰，采用正交频分多址(OFDMA)调制方式，其频谱效率可做到3 bit·s-1·Hz-1以上，这样一个空白广播电视频道(频率带宽8 MHz)上总的物理层速率可以达到24 Mbit/s以上。此外，利用OFDMA技术子载波可分配的优势，可方便整合物理上不连续的频率资源，让认知无线电高效利用空白电视频段成为可能。OFDMA调制可用于WLAN上行和下行信道传输。考虑到WLAN应用于海面通信时的传播时延在25～50μs的数量级内，为减小循环前缀时延对OFDMA同步的影响，在每个电视信道内采用2K FFT的OFDMA。

1．3 南海岛屿WLAN超远距离覆盖方案

采用Ad Hoc和Mesh组网技术，构建无基础设施的自组织无线网络，网络内每个节点既是终端也是转发基站，提供了网络高冗余性，保证了网络传输的高可靠性，无线Mesh网络系统支持高速移动，支持终端速度在80 km/h的无线通信，即使是渔船用户在移动过程中仍然可以保持无线连接不间断。以永兴岛为系统中心，它负责向附近岛屿，诸如东岛(距离40 km)、永乐岛(距离70 km)、金银岛(距离90 km)，通过高功率接入点(AP)以及高增益天线传输重要及实时的信息，如图1所示。

图1 南海岛屿WLAN超远距离覆盖(截图)

由于这些岛屿与永兴岛之间没有其他的障碍物，因此是最佳的Mesh路径。各个岛屿的无线节点既是终端也是转发基站，网络中的每个节点都可以收发信号，都可同时作为AP和路由与一个或者多个对等节点进行直接通信。如果某个节点由于流量过大而导致拥塞，网络系统可以自动选择到另一个流量较小的邻近节点进行传输。为了使无线覆盖的范围更广，以及应对总调度区的突发故障，采取在远距离的岛屿上增加高功率接入点的方案，获得备用Mesh路径。

2 电磁波在海面传输损耗的特点

2．1 海面无线电波传输损耗模型分析

海上移动通信和陆地移动通信大不相同，海洋表面是一个不可预测的模型，由于风吹起的海浪使信号传输表面不平坦，船舶本身的存在使信号具有反射、衍射、多径效应、多普勒频移现象，并且地球曲率也影响信号传输，随着电波传播距离增加，球面波的自然扩散会引起衰减。因此海上移动通信并不认为是一个直射波传播模型，当发送机发出信号时，应该考虑到散射、衍射和反射，并认为海面是一个不规则的地形。

目前，针对海上移动信道特点，文献［9］认为海上无线电波可以看作自由空间传播;文献［10］在福建漳州对海面1 800 MHz信号进行了岸—海的海上无线传播特征的测试;文献［11］提出Okumura-Hata模型和Irregular Terrain Methodology(ITM)模型，预测海上移动信道的损耗。Okumura-Hata模型具有一般通用性，在几千米到几百千米范围内被广泛用来预测接收信号的场强;ITM模型不仅考虑了介电常数、海面导电率、海面折射率以及海面粗糙度等与地形有关的因素，还考虑了不同的气候类型和天线的位置标准等，更适合海上传输损耗预测。然而，面对海上移动信道的实际情况，Okumura-Hata模型受到地形特征、周围环境等的限制，虽然ITM模型适合海上传输损耗预测，但是ITM模型不能够预测短距离1 km以内的场强，同时也没有考虑到接收机周围环境的影响因素。

为了能够更好地预测海上移动信道传输路径损耗值，提出了基于改进的ITM信道传输模型进行海上无线电波传播的损耗中值预测。改进的方法主要是利用双径模型对ITM模型进行修正。

2．2 基于ITM模型下的双径反射模型

ITM模型频率适用范围为20～40 000 MHz，收发天线高度为0.5～3 000m，覆盖半径1～2 000 km，表面折射率为250～400 Ns。本文主要在ITM模型的基础上考虑近岛区域内海面存在一条较强的直射波信号和一条海面反射波的双径反射情况，该双径反射预测模型示意如图2所示。

图2 双径反射模型示意图

如图2所示，在该情况下，ITM模型中的中视距和海面反射的路径差为

式中:r1，r2分别是视距传输路径长度、反射路径长度;ht，hr是发送端天线高度、接收端天线高度;d是收发端间距。

因此，两电场成分的相位差为

所以，路径增益等于式(1)乘以自由空间损耗为

式中:pL(dB)是路径传播损耗的分贝表示形式。

2．3 仿真实验

按照第2节设计的海岛无线宽带覆盖方案，做出如下假设:

1)岛屿基站高度为200 m，频率700 MHz，船舶加天线高度为10 m，覆盖范围为50～100 km，每间隔1 km作为测试点;

2)海上气候类型为亚热带海洋性气候，存在云雾衰减;

3)海面粗糙度为1，即海面风速12～19 km/h;

4)海面介电常数为81，海面导电率为5，海面折射率为320 Ns;

5)天线极化方式为水平极化。

为了增加模型的可信度，采用文献［10］的实测数据与改进的ITM模型比较，利用MATLAB软件仿真，获得的无线电海面传播损耗如图3所示。

图3 实测数据与改进的ITM模型比较

如图3所示，改进后的ITM模型的损耗预测(用实线表示)与实测数据(用星号表示)相吻合，平滑掉几个测试数据毛刺点后模型仿真曲线与实测数据一致，由于考虑地球曲率影响，二者都在65 km处均出现变陡增大拐点，在超视距范围内传输损耗快速增加。而其他稍高频段点的非视距传播转折点则在更远的传输距离处。该实验证明利用改进的ITM模型能够准确反映出海面传输特性，为寻找合适超远距离覆盖且损耗尽可能低的无线传输方式提供帮助。

3 结束语

在无线通信快速发展的今天，频谱的占用度日益增长，空白电视频段的出现为无线通信的发展开辟了道路，WLAN作为南海海域无线通信网络覆盖的选择，利用空白频段传输信息，达到远距离传输信息的目的。无线网络是一个设计复杂的工程，其信号覆盖的可规划性要求较高，需要建立无线网络规划建模工具，科学地对无线网络部署和信号覆盖进行设计，而不仅仅依靠人力的现场测点来进行规划设计。

［1］ IEEE 802.22Working Group on Wireless Regional Area Networks［EB/OL］.［2013-11-01］.http://ieee802.org/22/.

［2］林开泉，曹岳海，黄玉林.2.4GHz微波海上传播特性研究［J］.舰船电子工程，2013，33(3):53-55.

［3］潘越，杨坤德，马远良.粗糙海面对微波蒸发波导超视距传播影响［J］. 计算机仿真，2008，25(5):324-328.

［4］陈超，张业荣.海上蒸发波导多径传输建模［J］.南京邮电大学学报:自然科学版，2013，33(2):65-71.

［5］ PULLIN A J，PRESLAND S，PATTINSON C.Using ship movement in the Irish sea for MANET evaluation［C］//Proc.Second UKSIM European Symposium on Computer Modeling and Simulation.Liverpool:IEEE Press，2008:394-399.

［6］吴华锋，孙文力，彭静.海上移动通信环境下的MP2P网络体系结构［J］.大连海事学院学报，2009，35(2):93-96.

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