基于浮标的海面无线电波传输损耗研究

凌亮发，陈褒丹，任 佳，陈 挺

(海南大学信息与通信工程学院，海南 海口 570228)

1 引言

自我国步入社会主义新时代，我国对海洋资源日益重视，大力发展海洋信息化对于提高我国的经济和军事能力具有重要意义。海上的船舶与海岸基站以及空中的飞机通过无线通信来进行信息交换，海面受波浪和天气等影响导致海上通信的环境复杂，对电磁波的传播损耗比较严重。海上通信的覆盖范围大，距离远，因此采用浮标作为无线电中继器，将基站和船舶连接起来。

随着海洋通信的发展，浮标被赋予了更多的功能，可以用浮标来实现水文探测、海上预警和雷达测距等无线通信。本文用浮标作为海上通信的中继器，要求浮标体不能太大，其天线重量小，高度低，同时要求信号传输损耗不能太高。由于海面的反射以及海面雾气浓度和湿度较大，浮标的无线通信受到影响，因此对海面浮标的电磁波传播损耗建立可靠模型具有重要意义，为实际的工程设计提供理论依据。

2 海上无线电波传输模型选择

2.1 海上电磁波传播特点

无线电波在复杂的海面进行传播时，除了直射，还有海面反射、障碍物绕射以及对流层散射三种传播机理，导致电波的传播产生损耗。海上电波传播机理如图1。

图1 海上电波传播机理

2.2 基于浮标的海上无线电波传播路径

海上电波在基站、浮标和舰船之间传播。海岸基站是建立在海边的高山上或者在岸边建立高塔，通常情况，基站高度可达200多米，而舰船上的天线高度一般为10m～50m不等[1]，而浮标高度一般不超过3m。由于海面上障碍物很少，故可忽略绕射传播。对流层距离海平面较高，而浮标和舰船的天线高度远小于对流层高度，因此对流层散射传播也不必考虑。因此，无线电波在海平面传播时，传播路径主要通过空气传播的直达波和经过水面反射的反射波[1]。海面浮标的无线电波传播路径如图2。

图2 浮标电波传播路径图

2.3 浮标电波传输损耗预测模型选择

电波传播模型是用来预测电磁波传播损耗的模型，其模型参数受地貌、环境等因素影响很大，因此需要针对不同区域使用不同的传播模型参数[2]。电磁波传播损耗预测模型可分为基于无线传播理论的确定性模型和基于数据统计的经验模型[3]。

目前常用的无线电传播模型有Longley-Rice模型、Okumura-Hata模型[4]、COST231-Hata模型[5]等。Okumura-Hata模型和COST231-Hata 模型不适用于海上传输环境。Longley-Rice模型是Longley和Rice共同提出的一种统计模型，该模型可以用于海面环境，但是此模型对于基于浮标的预测模型来说是不合适的，因为：浮标天线高度对Longley-Rice模型的预测结果影响较大，在浮标天线高度很小时，Longley-Rice模型的损耗较大，而本文浮标的天线是很短的，如果采用Longley-Rice模型预测，则会产生比较大的误差；Longley-Rice模型对于传播距离小于5km范围内的预测有较大误差；海面环境相对来说比较规则，而Longley-Rice模型对于非常不规则的地形具有较好的预测效果。

因此本文选择SPM模型来对基于浮标的海上电波传输进行预测，同时提出了一种加入双径反射、云雾衰减和水汽吸收的SPM改进模型。

3 SPM模型

SPM模型广泛用于CDMA和LTE网络频段的传播损耗预测，该模型基于Hata模型发展而来[3]。

SPM模型的解析式为

Ls=K1+K2lg(d)+K3lg(Hb)+K4Diffraction

+K5lg(d)lg(Hb)+K6Hm+K7*Clutter

(1)

式中，Ls为传播损耗，K1为偏移常量，K2为lgd的乘积因子，K3为基站天线的高度因子，K4为衍射的乘积因子，K5为lg(d)*lg(Hb)的乘积因子，K6为浮标高度增益乘积因子，K7为地貌损耗乘积因子，d为基站和浮标之间的距离(km)，Hb为基站天线有效高度(m)，Diffraction为遇到障碍物发生衍射损耗，Clutter为地貌加权平均损耗，Hm为浮标天线高度。

由经典Hata模型的计算公式及其公式参数对SPM模型适当化简，得如下关系式

Ls=K1+K2lg(d)+K3lg(Hb)+

K5lg(d)lg(Hb)+K6Hm+K7lg(Hm)

(2)

可以将海面看作开阔地貌[6]，故由Hata模型可得

Clutter=-40.98-4.78[lg(f)]2+18.33lg(f)

(3)

忽略衍射和移动台高度增益带来的影响[7]，当f分别为900MHz和1800MHz时可将SPM模型参数初始化见表1。

表1 SPM模型参数

4 SPM模型不同参数仿真对比

用matlab对SPM模型进行仿真，研究频率f、海岸基站天线高度Hb、浮标天线高度Hm对海面无线电波传输损耗的影响。

1)当海岸基站天线高度Hb=200m，浮标天线高度Hm=3m，无线电波频率f分别为900MHz和1800MHz时，路径损耗图如图3。

从图3可知，SPM模型下，无线电波在海上传输的损耗随传播距离的增大而增大，其它条件一致的情况下，频率越高，路径损耗越大。

图3 不同频率的路径损耗图

2)当海岸基站天线高度Hb=200m，无线电波频率f为900MHz，浮标天线高度Hm分别为3m和200m时以及当海岸基站天线高度Hb=200m，无线电波频率f为1800MHz，浮标天线高度Hm分别为3m和200m时，路径损耗图如图4。

图4 不同浮标天线高度路径损耗图

由图4可知，不管频率是900MHz还是1800MHz，浮标天线分别是3m和200m时，两条曲线几乎重叠，所以浮标天线高度对路径损耗的影响几乎可以忽略不计，而实际情况，浮标天线的高度是远远小于200m的，这正好证实了SPM模型对于浮标通信电波传输损耗预测的适用性。

3)当浮标天线Hm=3m，频率f=900MHz，海岸基站天线高度Hb分别为30m和200m时以及当浮标天线Hm=3m，频率f=1800MHz，海岸基站天线高度Hb分别为30m和200m时，路径损耗图如图5。

从图5可知，海岸基站天线高度对于路径损耗影响较大，海岸基站天线高度越高，路径损耗越小。

图5 不同基站天线高度路径损耗图

5 改进的SPM模型

5.1 双径反射模型

在标准传播模型(SPM)的基础上加入双径反射模型[8]，可以更好地预测海面距离为0～5km范围内的路径损耗[9]，双径反射模型如图6。

图6 双径反射模型图

如图6所示，在双径反射模型中，视距和海面反射的路径差为[9]

(4)

式中，r1是视距传输路径长度，r2是反射路径长度；Hb是海岸基站天线高度，Hm是浮标天线高度，d为海岸基站到浮标的距离。两处场强相位差为

(5)

式中，θΔ为相位差，λ为无线电波波长。

双径反射模型损耗为Lh，其对数形式为

(6)

当频率f为4000MHz，基站天线高度Hb为200m，浮标天线高度为3m时，双径反射模型路径损耗仿真如图7。

图7 双径反射模型路径损耗仿真图

由图7可知，在无线电波在海面传播的距离小于30km时，会出现较大的波动，可见双径反射模型对于无线电波近距离的海上传输损耗影响较大，因此很有必要将双径反射模型加入到SPM传输模型中去。

5.2 云雾衰减

海面雾气对于无线电波的传输会产生衰减损耗，将云雾衰减模型加入SPM模型中来研究海面无线电波的传输损耗是非常有必要的。云雾衰减模型如图8。

图8 云雾衰减模型

云雾衰减模型公式如下

Lw=deκρ

(7)

式中，de为无线电波在云雾中所经历的实际路径长度，单位为km；κ为衰减率系数，单位为(dB/km)/(g/m3)；ρ为液态水[10]密度，单位为g/m3。在ITU-RP.840-6建议书中指出，对中等雾而言，雾中液态水密度通常为约0.05g/m3，浓雾则为[11]0.5g/m3。

模型中相关参数计算公式为

(8)

(9)

ΔH=Hb-Hm

(10)

最后可求得

(11)

其中，θ为倾斜仰角，衰减率系数可由下式计算得出

(12)

(13)

式中，f为无线电波频率，以GHz计；ε′、ε″分别为水的复介电常数的实项和虚项

(14)

(15)

式中

(16)

ε1=5.48，ε2=3.51

(17)

(18)

(19)

以上公式中，T为绝对温度，单位为K；fp为主弛豫频率，单位为GHz；fs为次弛豫频率[12]，单位为GHz。

频率f=5000MHz，海岸基站天线高度为40m，浮标天线为1.5m，雾气液态水密度取0.5(g/m3)，海面云雾温度为17摄氏度(290.15K)时，云雾衰减损耗如图9。

图9 云雾衰减损耗

5.3 水汽吸收

海面湿度较大，常常伴有大量水汽，水汽会吸收无线电波，导致无线电波产生衰减损耗，海面浮标的天线高度很矮，更易受水汽的影响，因此研究水汽吸收对浮标无线电波传输损耗的影响是十分必要的。本文用Gibbins模型[13]计算水汽吸收的衰减率。

Gibbins模型指出，当大气压为1013hPa，大气温度为15℃时水汽吸收衰减率γw的计算公式为[14]

γw=(0.05+0.0021ρ+t1+t2+t3)f2ρ×10-4

(20)

其中

(21)

(22)

(23)

γw的单位为dB/km；ρ表示绝对湿度，单位为g/；f为无线电波频率，单位是GHz。若大气温度不为15℃，那么水汽吸收衰减按温度每升高1℃，γw减小0.6%计算，海面低空大气压变化很小，可忽略不计[14]。

气象仪测量的湿度主要为相对湿度，因此要将相对湿度转变为绝对湿度，转化公式如下[14]

(24)

(25)

其中RH为相对湿度；T为大气温度，单位为K；Ra为干空气的气体常数，其值为287.5J·kg-1·K-1；es(T)为气温T时的饱和水气压，单位为hPa[14]。

水汽吸收衰减损耗Ly的计算公式为

Ly=γwd

(26)

式中，Ly为水汽吸收衰减损耗，单位为dB，d为传播距离，单位为km。

湿度对水汽吸收衰减的影响很大，图10左边部分显示了相对湿度为50%、65%、80%和95%时，水汽衰减率γw随无线电波频率f的变化曲线，曲线表明，γw随f的增大而逐渐增大，在f为22.235GHz左右时，γw有一个极大值；此外，曲线还表明相对湿度越大，γw的增幅越大，同一频率，相对湿度越大，γw越大。图10右边部分显示相对湿度对γw的影响，从曲线中可得，相对湿度越大，γw越大。

图10 水汽衰减率变化曲线

5.4 改进的SPM模型

将双径反射、云雾衰减和水汽吸收加入SPM模型得到改进的SPM模型，具体公式如下

(27)

式(27)中，L为改进SPM模型的海面传输损耗，Ls为SPM传输损耗，Lh为双径反射传输损耗，Lw为云雾衰减损耗，Ly为水汽吸收衰减损耗，a、b为修正参数。

当频率f=5000MHz，海岸基站天线高度为40m，浮标天线为1.5m，液态水密度取0.5(g/m3)，海面云雾温度为17摄氏度(290.15K)时，只加入双径反射损耗的SPM模型和SPM模型的路径损耗对比如图11所示；同时加入双径反射损耗、云雾衰减损耗和水汽吸收衰减损耗的SPM改进模型和标准SPM模型的路径损耗对比如图11。

图11 SPM模型和SPM改进模型仿真对比

由图11左边对比图可知，在近距离传输时，加入双径反射损耗SPM模型出现比较大的波动；由图11右边对比图可知，加入云雾衰减损耗和水汽吸收衰减损耗之后，损耗曲线随传播距离出现了不同程度的波动，路径损耗也增大了，可见海面云雾衰减和水汽吸收对海面无线电波的传输损耗有一定影响。改进的SPM模型更切实的反映出了无线电波在海上的传输损耗。

6 结语

本文采用浮标作为海上无线通信的中继系统，通过研究对比，选择适用于海面传输的SPM模型来对无线电波传输损耗进行研究分析。用matlab对SPM模型进行仿真，研究频率f、海岸基站天线高度Hb、浮标天线高度Hm对海面无线电波传输损耗的影响，仿真结果显示频率f越大，损耗越大，基站天线高度Hb越高，损耗越小，而浮标天线高度Hm对路径损耗的影响可以忽略不计。本文还提出一种加入双径反射、云雾衰减损耗和水汽吸收衰减损耗的SPM改进模型，仿真显示该模型更好的描述了无线电波在海面的传输损耗。因此，在进行基于浮标的海上无线通信工程项目设计时，可以用SPM模型及其改进模型，对浮标设计时应增加浮标体的稳定性，减小海面波浪对浮标的冲击，同时应尽可能增大基站天线的高度。