海上VHF无线通信传输损耗

陈 亮， 金永兴， 胡勤友， 汤可成， 高万明(.上海海事大学 商船学院，上海 0306； .交通运输部 东海航海保障中心，上海 00086)

海上VHF无线通信传输损耗

陈 亮1， 金永兴1， 胡勤友1， 汤可成2， 高万明2
(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306； 2.交通运输部 东海航海保障中心，上海 200086)

以海上甚高频(Very High Frequency, VHF)宽带数据通信网络为研究对象，结合海上通信环境的特有属性，利用电磁波相关理论，在合理选用和优化现有独立分散数学模型的基础上，设计完整而简洁的海上VHF通信传输损耗模型、确定有效可行的海上VHF通信传输损耗计算流程。对影响传输损耗的相关物理因素进行建模，给出相应的计算结果，并分析其与传输损耗间的关系。计算结果表明：随着传输距离增加，海上VHF通信传输损耗的增长幅度在不同的距离区段内具有不同的波动特征。计算结果有助于在具有较少的先验信息的条件下快捷地计算出海上VHF通信传输损耗，为提升海上无线通信质量、设计并建立海上VHF宽带数据通信系统提供技术支撑。

船舶工程；海上VHF；海上通信；传输损耗；传输模型

伴随着经济全球化不断深入，我国海上船舶运输与港口物流事业迅速发展，海上无线数据通信业务量和船岸之间、船舶之间的数据业务交流需求快速增加。目前，海上通信存在海事卫星通信系统的通信费用太高而制约其使用范围、海上无线电通信系统的数据传输速率不能满足高速数据传输需要等问题；此外，海上无线通信的发展需求与有限的频率资源之间的矛盾制约现代化港口和近岸船舶高速数据通信发展的问题也越来越突出。甚高频(Very High Frequency，VHF)作为近距离语音通信的主要手段已有几十年海上应用的历史，在海上通信中发挥着巨大的作用，但存在频带窄、通信容量小等问题，无法很好地适应多种高速率应用数据的传输。随着新一代无线通信技术[1]不断发展，海上VHF宽带数据通信将得以实现。

海上VHF宽带数据通信有别于传统的语音通信，对通信系统误码率的标准[2]要求较高，实际通信效果依赖于不同海上媒介和海况条件下传播的电磁波。电磁波在海上传输过程中会受多种物理因素影响而造成传输损耗，这将直接影响海上船舶接收VHF数据通信信号的效果。对于海上VHF数据通信的发展研究而言，海上的电波传播无线信道损耗模型是最基本的，因此在设计海上VHF宽带数据通信系统时，有必要对海上无线信号的传输损耗进行分析，根据信号在海上传输时的损耗合理设计VHF数据通信系统的相关参数，以获得较好的通信效果。

1 电磁波的传输损耗

电磁波从发射天线辐射出去后，需通过某一自然环境区域传输至相关设备的接收天线上，以完成通信、导航和雷达探测等。[3]电磁波在不同介质中传输时，将不可避免地产生衰减、时延和畸变等，使信号的传输质量下降。电磁波在传输过程中产生的衰减是因传输距离增加产生的自然扩散，传输介质与障碍物等对电磁波的吸收及其造成的电磁波散射、绕射、折射和反射等引起的。[4]

目前已有的电磁波传输的场强预测模型是通过在不同区域和自然地形条件下实测得到大量数据，并运用数值统计方法获得的，主要包括平面大地模型、OM模型、Bullington模型、Okumura-Hata模型、CCIR模型、AM模型、LR模型、SK模型、Lee模型、ATP模型和神经网络模型等。[5]这些模型中，有的是由经验公式组成的，有的是由经验曲线组成的，例如CCIR模型是由国际无线电咨询委员会推荐的一簇曲线，适合短波和超短波较远距离传输情况的场强预测，模型较简单，具有国际通用性。

电磁波的传输损耗不仅与频率、距离、收发天线的高度、地形和地物有关，而且还是时间、季节及经纬度位置等诸多实时变化因素的函数，对其进行精确计算非常困难。[6]有关电磁波传输损耗的计算已有一些经验公式[7]，但是关于设计一个适用于计算海上VHF通信传输损耗的简洁有效的模型的研究还很少。对此，利用电磁波相关理论成果，合理选用和优化各种电磁波传输模型，给出完整而简洁的海上VHF通信传输损耗的计算流程，从而为建立相应的实用模型提供支撑。

2 海上VHF通信传输损耗计算模型

海上VHF无线信号最主要的传输方式是视距传输，有较多因素对传输损耗和接收点场强有影响。导致海上VHF通信传输损耗的物理原因主要有自由空间传输损耗、海面反射传输损耗、海面空气吸收损耗以及海面恶劣环境导致的额外传输损耗等。[8]由于海洋环境复杂多变，较难通过仿真确定其对传输损耗的影响程度，因此仅逐一分析前述相关损耗的计算模型，在此基础上确定有效可行的海上VHF通信传输损耗计算流程。

2.1海上VHF频段特性

海上VHF使用的频段为156～174 MHz，该频段电磁波波长为1.72～1.92 m。由于海上可遮挡信号的障碍物较少，因此VHF无线信号在海上传输时余隙大，绕射损耗比在陆地上传输时小；同时，传输余隙增大，增加了海上VHF无线信号的反射。[9]由于电离层不会反射VHF频段的电磁波信号，因此VHF无线信号又被限制在一定的范围内，不会对距离较远的传输设备产生干扰。此外，其还不易受大气噪声及其他频率较低的电磁波信号的干扰。

2.2海上自由空间传输损耗

在海上VHF通信传输模型中，VHF无线信号主要通过视距传输，可视为自由空间传输。自由空间传输的损耗是由无线电波逐渐远离信号发射点，传输的能量在自由空间扩散引起的。海上自由空间传输损耗Lbf为

Lbf=32.45+20lgf+20lgd

(1)

式(1)中：f为信号工作频率，MHz；d为收发天线之间的距离，km。根据海上VHF的工作频段，f均取157 MHz，收发天线之间最远距离取海上视距(约为50 km)。

海上自由空间传输损耗计算结果见图1，根据传输损耗曲线，可近似认为海上自由空间传输损耗与收发天线间的距离呈对数增长关系，即随着收发天线间的距离增加，自由空间传输损耗呈对数增长。

图1 海上自由空间传输损耗计算结果

2.3海面反射传输损耗

实际海上无线电波传输过程中接收到的VHF无线信号除了直接的视距传输信号以外，还有海面反射来的信号。海面与地面一样是球面，具有宽阔无遮挡的特性，无线电波在海上传输时会发生反射，因此在接收端接收到的信号实际上是视距直射与海面反射的合成信号。在考虑海面传输损耗时，除了考虑自由空间传输损耗以外，还应考虑海面反射传输损耗。

海上VHF无线电波在海面的反射路径见图2，其中：C点为传输路径的反射点，虚线AB为过C点的切线。无线电波在海面的反射满足入射角等于反射角的反射条件[10]，因此当收、发天线的高度h1和h2及天线间的距离d确定之后，反射点位置C即为一个确定的值，C点的位置d1必须满足式(2)。

图2 海上VHF无线电波在海面的反射路径

(2)

式(2)中：d为收发天线间的距离，km；d1为反射点与发射端间的距离，km；d2=d-d1；K为等效地球半径系数。设

(3)

则

(4)

过反射点C的切线AB把收发天线截为Δh1和Δh2两部分。由于地球的半径远远大于天线的高度，因此h1和h2可用式(5)与式(6)近似表示。

(5)

(6)

(7)

式(7)中：D0为地面等效反射系数，信号在海上传输时该值一般比较大，当掠射角很小时可取1，且会导致信号传输产生较大的衰落。设海岸电台基站天线高度h2为50 m，工作频率f为157 MHz，船台天线高度h1为10 m，通信距离d为0～50 km，地球半径a为6 400 km，地球等效半径系数K=4/3，地面等效反射系数D0=1时，通过MATLAB计算得到反射传输损耗Lf与收发天线间距离的关系(见图3)。

图3 海面反射传输损耗与收发天线间距离的关系

2.4海面空气吸收损耗

海面空气中对电波起吸收作用的主要是氧气和水蒸气，其中：氧分子损耗率可根据式(8)近似计算(对于海上VHF频段而言)；水蒸气分子损耗率可用式(9)计算。

(8)

(9)

式(9)中：水蒸气密度ρ取海面水蒸气在15℃时的密度，取值为12.8 g/m3。

在海上VHF无线信号传输过程中，信号的主要传输路径距离海面较近，因此VHF无线信号的海面空气吸收损耗Lα可用式(10)计算，其中d为收发天线间的距离。

Lα=(γ0+γw)d

(10)

海面空气吸收损耗与收发天线间距离的关系见图4。空气吸收损耗与收发天线间距离基本上呈线性关系，随着天线间距离增加，大气吸收损耗越来越大。

2.5海上VHF通信传输损耗

除了上述3种损耗以外，还有海上恶劣天气等其他因素引起的损耗，统称为额外系统损耗Yp。由于额外系统损耗不是一个稳定的参数，准确地计算其值较困难，因此在工程计算中，通常根据具体情况，用经过反复校核的统计值来估算。综合考虑前述几种损耗，即可构成针对海上VHF通信传输损耗的计算模型，其表达式为

图4 海面空气吸收损耗与收发天线间距离的关系

L=Lbf+Lf+Lα+Yp

(11)

L即为海上VHF通信传输损耗，当不考虑额外系统损耗时，通过MATLAB计算可得到海上VHF通信传输损耗与收发天线间距离的关系(见图5)。

图5 海上VHF通信传输损耗与收发天线间距离的关系

由计算结果可知：海上VHF无线信号在0～10 km传输距离中，传输损耗随传输距离的增加近似呈线性增加；在10～25 km传输距离中，传输损耗随传输距离的增加呈小幅波动增长；在25～50 km传输距离中，随着传输距离增加，传输损耗增长幅度的波动较大。

3 结束语

针对海上VHF通信环境的特性，利用电磁波的相关理论，设计了完整而简洁的海上VHF通信传输损耗模型和传输损耗计算流程，并给出了相应的计算结果。运用该模型，可在具有较少的先验信息的条件下快捷地计算出海上VHF通信传输损耗，为提升海上无线通信质量、设计海上VHF宽带数据通信系统提供了有力的技术支撑，具有良好的工程实用价值和实际意义。

[1] BOLAS E D, CARVALHO N B, VIEIRA J N,etal. Opportunistic Usage of Maritime VHF Band——Deployment Challenges for a New Regulatory Framework[J]. Wireless Engineering and Technology, 2014(1): 1.

[2] KAMALI B. An Overview of VHF Civil Radio Network and the Resolution of Spectrum Depletion[C]. Integrated Communi-Cations Navigation and Surveillance Conference, 2010.

[3] 杨大成. 移动传播环境[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003：35-36.

[4] 任晓涛,赵胜辉,匡镜明. 基于场强预测模型的无线通信网络规划软件包的设计与实现[J]. 北京理工大学学报, 2003(5):625-628.

[5] 罗佳,张文明,王雪松. 通信对抗中短波天波传输损耗的仿真建模[J]. 计算机仿真,2007，24(8):28-31.

[6] 袁晓波. 短波天波传播损耗预测与场强预测分析[J]. 信息通信,2013(5):11-12.

[7] 胡绘斌. 预测复杂环境下电波传播特性的算法研究[D]. 长沙：国防科学技术大学,2006.

[8] 何群,黄云鹏. 关于海面无线传播模型的探讨[J]. 邮电设计技术,2004(2):36-39.

[9] 徐东华. 海上无线电通信[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 1999：56-57.

[10] 谢益溪. 无线电波传播原理与应用[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008：2-4, 53-56.

TransmissionLossinMaritimeVHFCommunicationsSystem

CHENLiang1，JINYongxing1，HUQinyou1，TANGKecheng2,GAOWanming2
(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China；2.Donghai Navigation Safety Administration MOT, Shanghai 200086, China)

The specific attributes of the maritime communications environment are studied from the angle of broadband Very High Frequency(VHF) communication and a concise comprehensive model and the calculation process of maritime VHF communication transmission loss is designed base on the combination of a selection of optimized existing seperate mathematical models. The effects of the physical factors which influence the transmission loss are simulated and the relation between the transmission loss and these factors is found. The calculation results show that the maritime VHF communication transmission loss presents different fluctuation features in different range sections. The calculation results can be used to estimate maritime VHF communication transmission loss when detailed environment data are not available.

ship engineering; maritime VHF； maritime communication； transmission loss； transmission model

2015-04-18

交通运输部应用基础研究(2015329810030)；上海市人才发展资金(201436);上海海事大学优秀博士学位论文培育项目(2014bxlp003)

陈 亮(1987—)，男，江苏连云港人，博士生，研究方向为载运工具运用工程。E-mail:kcliang669@163.com

1000-4653(2015)03-0001-04

U675.75

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