白频谱下考虑船体晃动的电波传播特性研究

黄 芳，杜文才，白 勇

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

白频谱下考虑船体晃动的电波传播特性研究

黄 芳，杜文才，白 勇

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

为设计基于空白电视频段的海上无线传输系统，需要了解在该频段下无线电波在海面传播特性。在海上环境下，海面波动会引起船体晃动，导致发射和接收天线间的角度变化，从而影响海上电波传播损耗和通信链路性能。对海浪波动引起的船体晃动进行了三维建模，然后考虑地球曲率并结合晃动时天线角度改变引起的天线接收增益变化改进了海上电波传播损耗模型。借助该模型仿真分析了空白电视频段下不同船体晃动类型和在不同传播距离时对海上无线电波传输路径增益的影响程度。

海洋通信；信道建模；电波传播

空白电视频段的开放和利用在近年来已不断成为一种发展趋势。在海上环境下，空白的电视频段将会更加丰富。当其用于海上无线传输时，需要研究考虑船体晃动情况下的无线电波传播特性。海面波动导致船体晃动，引起天线俯仰角、横摇角的改变，会导致沿不同方向的天线发射和接收增益发生变化。需要研究这种情况对海上无线电波传输损耗的影响，从而指导海上无线传输和通信链路的分析与设计。

关于海面电波传播模型，目前的研究大都集中在大气效应和多径分量。文献[1]详细讨论了由于氧气、水蒸气、云、雾和雨等引起的无线电波被吸收或衰减。文献[2]分析了3类波导效应，表面波导，悬空波导和蒸发波导。其中蒸发波导是最常见的。文献[3]提出了蒸发波导大都出现在下午且平均管道厚度是15 m。文献[4]提出评估多路径效应的分析方法并对使用该分析方法预测的多路径数据与使用宽带测量雷达得到的实测数据进行了对比。该模型只考虑由海面引起的多路径效应对电波传播损耗的影响而没有考虑船体晃动所带来的影响。文献[5-6]分析了蒸发波导引起的微波超视距电波传播损耗情况，但未考虑船体晃动的影响。文献[7]提出了船体晃动对接收端电波损耗影响的初步模型，但没有考虑地球曲率对电波传播损耗模型的影响。在海洋环境下收发距离较远，地球曲率是一个不可忽略的考虑因素。为使模型更加精确，本文通过考虑地球曲率对入射擦海角进行修正对该模型进行了改进，并通过软件仿真700 MHz空白电视频段[8]下，无线电波传播损耗的程度。在文中的仿真分析部分， 量化了船体晃动对海上无线电波传输路径损耗的影响情况， 比较了收发距离不同时的结果， 从而得出路径损耗与不同船体晃动类型(上下浮动、左右横摇、前后俯仰)之间关系的一些结论。

1 海上电波传播环境

无线电波在海面传播时，收发端在可视距离以内在接收

端的接收到的信号包括直达波和经海面反射的反射波；收发端在可视距离以外，即地球阴影区域，无线电波可经过绕射效应传播的可视距离以外的地方，这时就要考虑绕射损耗。通常根据收发端的距离，将传播距离分为3个区域[9]，如图1所示。

图1 分段的海域传播距离

A段指从发射天线基站T到基站可视点RA，距离为d1；B段指从在基站可视点RA到视距可视点RB，距离为d2；C段指超过视距可视点RB范围的地球阴影区域，距离为d3。

如图1所示，假设收发天线的高度分别为Ht和Hr，根据简单的几何关系可知

d12+Re2=(Ht+Re)2

(1)

则

(2)

由于Re≫Ht可得出近似公式

(3)

同理

(4)

2 改进的双径模型

船载天线在海面上接收的信号除了直达波外，还有海面的反射波。根据反射面即海面的粗糙程度，反射信号可以分为相干的镜面反射分量和非相干的漫反射分量[10]。文献[11]利用粗糙度判决法、瑞利判决法、修正系数函数法等分析了海上电磁波的反射特性，得出了在海情为3到7级情况下，入射擦海角φg比较小时镜面反射信号占据绝对优势，漫反射可以忽略不计的结论。即设表面起伏高度为Δh，若

(5)

一般可认为反射面是平坦的，其反射信号主要成分是镜面反射分量，漫反射分量可以忽略。其中λ为入射波波长。本文假设海面比较平静，只考虑镜面反射的影响。镜面反射的简单模型[10]如图2所示。其中P为镜面反射点，φg为入射擦海角，ht、hr为发射天线高度、接收天线高度。R1和R2为反射路径，Rd为直射路径。为使传播模型更加精确，必须考虑地球曲率的影响[12]。

图2 考虑地球曲率的镜面反射双径模型

一般情况下，根据时间延迟可计算出直达路径距离Rd，再根据余弦定理求α

(6)

式中：Re为地球的有效半径，水平距离l=Reα，要求得反射路径长度r1和r2，首先要确定反射点。当天线高度和天线尺寸都远小于地球半径时，可利用下面的方程求出l1[13]

(7)

根据l1得到

α1=l1/Re

(8)

α2=(l-l1)/Re

(9)

根据余弦定理求得

(10)

(11)

则考虑了地球曲率的入射擦海角为

(11)

3 考虑船体晃动的海上无线电波传播损耗模型

3.1 船体晃动模型

海面的波动一般分为3种情况：风力引起的海浪，重力及离心力引起的潮汐和大地构造引起的海啸[14]。本文只考虑风力引起的海浪所产生的影响。

船体在海浪上随着波浪上下、左右、前后的晃动而运动。这样可抽象出船体的六自由度的运动模型(x,y,z,α,β,γ)。建立一个地球基准的球坐标系(o,x,y,z)，o为地球的中心。其他坐标系下的坐标也可以转换成该坐标系下的坐标[15]。所以船的运动可以表示为：

1)高度的变化沿着Z轴上下变化；

2)左右的晃动以X轴为中心旋转；

3)前后的倾斜以Y轴为中心旋转。

船载天线与船体是相对静止的，所以也可以将天线的位置，辐射角度，接收角度放在这个球坐标系里描述。船体的三维坐标系如图3所示。

图3 船体的三维坐标系

因为没有船体运动的实测数据，文献[2]利用近似几何关系来推导垂直极化天线的最大角度偏差，即船体晃动角度的最大值

(13)

式中：Hmax为海浪的最大高度；λsea为海浪波长。

3.2 结合船体晃动的海上信道模型

在电波传播模型中结合晃动时天线的俯仰角、横摇角的改变，来分析不同方向上天线增益的变化。本文使用辐射向量参数G来表示沿着不同方向的天线增益和它的分量状态[16]。G(θ,φ)表示在一系列发射角度和接收角度下天线的实际增益。

(14)

式中：θ是天线的仰角；φ代表天线的方位角；U是个单位向量，表示天线增益沿着Uθ和Uφ方向的分配比例。天线增益的数据表可通过全波三维电磁仿真软件HFSS得到。

其中，图4为天线坐标系下的单位向量，图5为镜面反射路径定义的单位向量。

图4 天线坐标系下的单位向量

图5 镜面反射路径定义的单位向量

在同一个坐标系下，使用单位向量写出信道矩阵，直达路径信道矩阵CD，uθ和uφ方向为角度θ，φ变化方向的单位向量。

(15)

式中：“·”为向量点乘运算。镜面反射路径信道矩阵CR为

(16)

(17)

式中：ρr为镜面反射系数[18]，用贝塞尔函数修正，它是海面均方根波高σh，入射擦海角φg及波长λ的函数

(18)

g=(σhsinφg)/λ

(19)

所以，路径增益为

(20)

在A段，采用考虑船体晃动的双径模型进行描述，在B段，采用考虑船体晃动的单径模型进行描述，即只考虑直达路径。写成式(9)的形式为

La=147.558 2-20lgf+β(f,d)=

(21)

(22)

当船体不晃动时，直达路径信道矩阵和反射路径的信道矩阵可以写成如下形式

(23)

(24)

4 仿真分析

利用以上天线最大角度偏差，入射擦海角和路径损耗计算方法对无线电波传播损耗进行了仿真。假设发送端位于岸边，接收端位于海面，距离Rd分别设为1km，5km，10km， 20km， 收发天线高度都为10m，海情为道格拉斯5海情，海面波动周期为7s，天线最大的角度偏差为7.6，采用垂直极化的偶极子天线，最大增益为2.1dBi。根据式(1)～(5)计算出基站可视范围A段为13km，视距可视范围B段为23km。利用MATLAB软件仿真，获得载波频率为700MHz时，船体晃动的3种类型(上下浮动、左右横摇、前后俯仰)对无线电波海面传播损耗影响的对比情况，如图6～图10所示。

图6 船体不晃动时接收功率损耗随时间变化图

图7 fc=700 MHz船体上下浮动接收功率损耗随时间变化的三维对比图

图8 fc=700 MHz船体上下浮动接收功率损耗随时间变化对比图

图9 fc=700 MHz船体横摇晃动接收功率损耗随时间变化对比图

图10 fc=700 MHz船体俯仰晃动接收功率损耗随时间变化对比图

在收发端距离为1 km,5 km,10 km时，使用A段模型公式。在收发端距离为20 km>13 km时，使用B段模型公式。随着收发距离的变化，不考虑船体晃动时接收功率的变化情况如图6所示，随着收发距离和时间的变化，接收功率的变化情况如图7所示。对比收发端距离1 km，5 km，10 km，20 km，可以看出随着收发端距离的增大，传播损耗的波动幅度越来越小，船体的晃动对传播损耗的影响越来越小。

对比图8～图10的a图，可明显看出船体横摇和俯仰与上下浮动相比导致的损耗较低，如图8a所示上下浮动导致传播损耗波动约有9 dB，而船体横摇和俯仰导致的损耗波动只有约0.2 dB。可得出在A段，在船体晃动的3种形式，上下浮动、左右横摇、前后俯仰中，船体上下浮动相比于其他两种晃动形式对海面传播损耗的影响最大，占主导作用。

对比图8至图10中的d图，接收端功率损耗的波动浮动均比较小，可得出在B段，船体的晃动对接收功率损耗影响比较小，可以忽略不计。

5 小结

当空白电视频段用于海上无线传输时，其无线传播特性的认识将有助于无线传输系统的设计。海浪波动导致的船体晃动是影响海上无线电波传输损耗的一个重要因素。本文首先建立了船体晃动的三维模型，然后在较平静海面的镜面反射双径模型中结合了船体晃动模型和天线方向增益模型并考虑地球曲率得到改进的海上电波传播损耗模型。利用该改进模型仿真分析了不同船体晃动类型(上下浮动、左右横摇、前后俯仰)下700 MHz空白电视频段无线电波传输损耗的影响程度。得出收发端距离越小，船体随海浪上下浮动导致接收功率损耗波动越大的结论。

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杜文才(1952— )，博士，教授，博士生导师，主研计算机网络、海洋通信；

白 勇(1970— )，博士，教授，博士生导师，主研移动通信、无线通信。

责任编辑：时 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

【本文献信息】黄芳，杜文才，白勇.白频谱下考虑船体晃动的电波传播特性研究[J].电视技术,2015，39(13).

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.13.032

国家自然科学基金项目(61062006；61261024)

黄 芳(1990— )，女，硕士生，主研海洋通信，无线通信；

2014-12-22