对海移动无线微波传输特性研究

文│ 91550 部队 邵 凌 方 勇 李 燕

1 引言

舰艇对岸或潜艇（通过潜艇拖带浮筏）对岸的微波通信是属于海面移动站与陆地固定站之间的海面移动无线通信，是一种随机性较强的变参信道，具有不同延时的多径信号相叠加，会产生破坏性干扰，使链路性能不稳定。

2 海面上电波传播的反射系数

在舰/潜对岸的通信中，微波信号从空气传播到海水的分界面时，由于分界面两侧媒质的本征阻抗不同，将发生电磁波的反射与折射。

空气是一种理想介质，海水是一种非理想导体介质（相对介电常数εr=80，电导率σ=4Ω/m，磁导率μ0）。反射系数与入射角、电波极化方式、电波频率和反射介质的特性有关。根据反射定律和施耐尔定律，有：

水平极化波的反射系数：

垂直极化波的反射系数：

其中，Erm、Eim分别为水平或垂直极化波入射波和反射波电场的复振幅，θ为入射角，为海水相对复数介电常数，

3 海面移动通信的衰落分析

由于海面移动无线信道的复杂性，使得在该环境下传输的微波信号存在不同类型、不同程度的衰落，除了自由空间损耗外，还有小尺度的快速波动和大尺度的慢速波动。小尺度的波动是由于附近物体和海面的反射、漫反射所产生的多个路径引起的，是快衰落或多径衰落。信号的振幅除了快衰落以外，还存在一种缓慢的变化，即快衰落是叠加在慢衰落这种缓慢的变化之上的，这种缓慢的变化主要是由于海面站至岸站之间物体遮挡和大气折射系数变化造成的。

3.1 海面移动通信环境对微波信号的影响

在海面移动信道中，信号会受到如下几个方面的衰减损失。

（1）弥散损耗

当海面波浪较大，不能视为光滑水平面时，微波信号会受到波浪引起的散射。由于散射的存在，在电波传播过程中信号功率必然会受到损失，产生弥散损耗。

（2）多普勒效应

◆海面信道机与岸站信道机之间的相对运动使接收信号的频率发生偏移，产生随机频率调制；

◆环境物体（如海面波浪或附近船只）的运动会引起时变的多普勒频移。如果环境物体的速度大于海面移动站的速度，将对小尺度衰落起决定作用，否则，仅可考虑海面移动站的运动影响，忽略环境物体的运动影响。

（3）多径效应

由于海面、邻近物体、舰船本体和大气等的反射、散射、绕射作用，形成了不同路径，使合成信号在幅度、相位发生随机变化，产生多径效应，它可能引起码间干扰，降低信号的传输质量。

（4）深衰落

根据中断率计算公式：

其中，A为气候因子；Q为地形条件因子；b为频率因子，取值b=1.3；c为距离因子，取值c=3.1；h2-h1为收发天线高度差。中断率ρ与Q成正比，而Q与地面粗糙度S-1.3成正比（美国算法），海面越光滑，ρ越大。

海水的电导率较大，对电波传播的衰减较小，其反射系数接近于1，反射损耗非常小。所以，入射能量差不多全部转换成为反射能量对直接波进行干扰，这种干扰现象极易引起电平深度衰落，甚至导致中断。

3.2 海面多径衰落分析

3.2.1 镜面反射和漫反射

海面多径衰落是由于直接波和海面反射波之间的干涉引起的。反射波包括两种分量：镜面反射分量和不规则海浪子面的漫反射分量。在平静海面状况下，主要是镜面反射分量；在粗糙海面状况下，主要是漫反射分量。一般情况下，以Rayleigh准则区分平静海面和粗糙海面：

△h为有效浪高，λ为电磁波波长，θ为入射余角。

当海面的Fresnel反射区内粗糙程度满足Rayleigh准则时，所有海面来的反射可以认为是镜面反射，否则为漫反射。对于漫反射而言，天线接收的电磁波来自于包括镜面反射点在内的反射源与接收点之间的广阔海面，而不是Fresnel反射区。

3.2.2 衰落与分布类型的定界

（1）时延扩展

无线移动信道中多径特性的时延扩展，导致时域扩散，会使发射信号产生频率选择性衰落和平坦衰落。

无线信号码元宽度为Ts，多径信号时延扩散的宽度为τ，当Ts≥τ（τ/Ts→0）时，是平坦衰落；当Ts<τ即τ/Ts不可忽略时，产生频率选择性衰落。

工程上，可按下式计算τ和Ts，τ=△d /c，Ts=1/Bs。其中，△d为多径路程差，c为电波传输速率，B为信号带宽。按两径模型考虑时，△d =2h1h2/d（h1、h2为收发天线高度，d为站距）。实际应用中，一般认为在τ/Ts≤0.1的条件下，当平坦衰落处理；在τ/Ts＞0.1时要考虑频率选择性衰落的影响。必须指出，不能单以τ值判断是平坦衰落还是频率选择性衰落。即使τ值很大，但是当Ts→∞（即发射信号为单频时）也是平坦衰落；如果τ值很小，当高速传输时，需要较宽的信号带宽，使τ/Ts值不可忽略，也产生频率选择性衰落。

（2）多普勒扩展

无线移动信道中多普勒扩展，导致频域扩散，会使发射信号产生快衰落和慢衰落。

当Ts>Tc（Tc为相干时间）时，是快衰落；否则，为慢衰落。工程上，可将Tc按照如下公式计算：Tc=0.423/fm。fm为最大多普勒频移，fm=V/λ（V为发射机与接收机之间的相对运动速度，λ为信号波长）。实际上，快衰落信道是一个低速率信道，发生在数据率很低的情况下，而慢衰落信道是一个慢速度和高数据速率的信道。为了避免快衰落失真和多普勒影响引起的误码，信号速率（1/Ts）必须超过衰落速率（1/ Tc）的100～200倍，确切的倍数取决于调制方式、接收机设计和系统误码率要求。

（3）分布类型

虽然在舰/潜—岸通信中普遍存在一条视距路径，但是由于海水的强反射作用，使得这条直视路径并没有起到支配地位，所以其快衰落并不服从标准的Rician分布。

直接波和镜面反射波是相对平稳的相干分量，漫反射波是随机性非相干分量。漫反射波由海面前向散射分量形成，幅度服从Rayleigh分布，相位在[0，2π]区间均匀分布。如果把直接波和镜面反射波的和作为常矢量，那么常矢量与Rayleigh矢量作合成，接收功率将服从Nakagami—Rician分布。同时，由于阴影效应产生慢衰落，接收功率还服从对数正态分布。因此，总的接收信号可以认为是一种Suzuki过程。

3.3 多普勒频移

3.3.1 由于海面信道机运动引起的多普勒频移

由于海面信道机运动引起的多普勒频移与物体的移动速度、信号频率及移动的方向与来波方向的夹角有关。

其中，V1为海面信道机移动速度，λ为入射波长，α为信道机运动方向与电波入射方向的夹角。

3.3.2 由于海面波浪运动引起的多普勒频移

根据流体动力学原理，波浪运动速度V2为：V2=（gL/2π）1/2。其中，g为重力加速度，g=9.8m/s2，L为波浪重复间隔（m）。当满足布雷格谐振条件时，L=λ/（2sinθ），λ为入射波长，θ为入射角。

反射信号频率与发射载频之间的多普勒频移为:

其中，β为 海浪运动方向与电波入射方向的夹角。

4 海面移动通信抗多径干扰的工程措施

文献中经常提到的分集技术、自适应均衡技术、编码技术、OFDM等技术，本文不再描述。

4.1 极化方式的选择

圆极化波经反射后，会发生极化反转现象。如右旋圆极化波经海面反射后变为左旋，这样，接收端右旋圆极化天线对左旋来的反射波具有一定的抑制作用。从而，圆极化天线可以有效地减少反射径信号的影响，但是它的结构较为复杂，体积和重量较大。所以，如果搭载平台没有对天线体积和重量的要求，一般采用圆极化天线。

一方面，由（1）、（2）式可知，垂直极化波的海面反射系数小于水平极化波的海面反射系数。同时，对于水平极化波来说，存在布儒斯特角（令（1）式=0可求得），会发生全折射现象。这样，满足条件的电磁波能量会全部折射到海水中，而无反射波。对于垂直极化波，则没有全折射现象。另一方面，电波的特性决定了水平极化波在贴近海面时会在表面产生极化电流，极化电流因受海水阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。所以，如果搭载平台空间有限或对天线有较严格的体积和重量限制（如潜艇拖带浮筏），天线采用线极化方式时，一般采用垂直极化方式。

由（1）、（2）、（3）、（4）和（5）式可知，频率越高，反射系数越高，中断率越高，多普勒频移越大。同时，自由空间的传输损耗也是随着频率的提高而增大。所以，在进行频率设计时，在可选的频率范围内，应选较低频率。

另外，随着新技术的发展，一种±45°双极化天线开始使用。这种天线由于+45°和-45°正交极化，有效保证了分集接收的良好效果（其极化分集增益比单极化天线提高约2dB）。

4.2 增大天线高度差和调整天线仰角

根据两径传播模型，增大天线高度差，可以使反射点靠近路径端点，增加路径余隙，使产生的电波阻挡和吸收作用较小，从而有效地减少反射衰落。另外，从中断率的角度考虑，根据（3）式可知，增大收发天线高度差，可以降低中断率。

理论和工程实践表明，通过调整天线的仰角来减轻反射波的影响是有效的，但是这需要长时间的观察和反复调整。在天线的安装调试过程中，通过频谱仪监测收信电平，可看出收信电平受海面反射等多径传输的影响而上下波动。对天线的俯仰角做反复调整，兼顾接收电平和波动影响（因受接收电平的限制，调整范围不宜过大），选定最佳天线俯仰角，将海面反射波的影响进一步减小。

4.3 频域均衡单载波技术

时域均衡的单载波系统是一种很成熟的传输系统，但是不管是线性还是非线性均衡，传统的时域均衡器复杂度都与信道的最大时延扩展成正比，而且无法有效的抵抗多径干扰。多载波OFDM系统虽然采用较为理想的调制技术，但是也存在一些缺点，如：对频率偏移和相位噪声比较敏感；峰值与均值功率比相对较大，降低了射频放大器的功率效率；负载算法和自适应跳频技术会增加发射机和接收机的复杂度。

一种新颖的频域均衡单载波技术可以克服时域均衡单载波系统和多载波OFDM 系统的缺点。在多载波OFDM系统中，IFFT模块在发射端把频域映射后的数据转换成时域信号，而在频域均衡单载波系统中，IFFT模块在接收端把频域上均衡完的信号变回时域。频域均衡的单载波系统具有如下优点：

（1）与多载波OFDM系统相比，降低了峰值平均功率比，也就降低了功率放大器、A/D、D/A变换器的线性动态范围的要求，可以利用单载波成熟的射频技术，减少了模拟器件成本。

（2）与多载波OFDM系统相比，不需要保证子载波之间的严格同步与正交特性，降低了对载波频偏和相位噪声的敏感性。

（3）与传统单载波系统相比，具有与多载波性能相当的抗多径能力，而均衡器复杂度大大降低，其复杂度与信道最大时延扩展的对数成正比。

（4）可以与OFDM系统共存，只需通过IFFT模块位置的软切换，实现单载波信号与OFDM信号的发射和接收。

5 结束语

舰/潜对岸海面移动无线通信由于发射机的移动性和海水的反射性，加大了电波传播特性的复杂性，其衰落与分布类型需要从理论和实际工程的角度统一分析。对于抗衰落而采取的措施，也需要结合先进技术和工程特点，互相补充，确定最佳方案。

1 庄铭杰，郭东辉.移动通信中无线信道特性的研究[J].电讯技术，2004，05

2 许雪梅.克服海面多径衰落的有效措施[J].无线电工程，2005，02

3 肖善鹏，张蕾译.现代电子通信（第8版）[M].北京：清华大学出版社，2006，03