海面环境700 MHz频段传输特性测试与模型校正

李　媛，任　佳，崔亚妮

(海南大学 信息科学技术学院， 海南 海口 570228)



海面环境700 MHz频段传输特性测试与模型校正

李媛，任佳，崔亚妮

(海南大学 信息科学技术学院， 海南 海口 570228)

摘要:在海面环境下通过船-岸测量方式对700 MHz频段的无线传输特性进行测量。基于实测数据分析，引入海面双径传输损耗模型对ITU-R P.1546-5标准传输模型进行校正，该校正模型可实现700 MHz频段无线传输损耗预测。在仿真中，分别利用自由空间模型、ITU-R P.1546-5模型和ITU-R P.1546-5校正模型对700 MHz频段的海面无线传输损耗进行预测，通过与实测数据对比分析，证明ITU-R P.1546-5校正模型预测结果准确性更高，能够为海面无线通信系统的设计提供重要依据。

关键词:海面无线传输损耗；ITU-R P.1546-5标准模型；双径传输损耗模型；模型校正

海洋资源的开发与利用，需要借助丰富的信息获取、传输与处理手段。相较于信息获取与信息处理环节，海洋环境下的信息远距离传输难度大、手段单一，多以海事卫星通信为主。目前，海事卫星通信系统(如INMARSAT系统[1]、Fleet-Broadband海事宽带网[2])能够满足远洋船舶通信要求，但终端设备购置费用、维护更新费用和通信资费较高，无法满足海洋环境监测、海洋工程作业、海洋资源开发等领域频繁、海量信息传输的需求。为此，研究开发适用于海洋工程多领域的无线通信技术成为关键。

海面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，以适应海面无线传输特征、远距离高速率传输和低使用成本等要求。尤其掌握海面无线传输特征，是构建标准化的海面无线传输预测模型是研究海面传输技术的前提。目前无线电传输预测模型主要有Okumura-Hata模型[3]、Longley-Rice模型(即Irregular Terrain Model, ITM)[4]、Durkin模型[5]以及ITU-R P.1546模型[6]等，然而上述模型的主要应用领域为预测陆地环境无线传输损耗。其中，Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型广泛用于预测城市及周边的地区工作频率在150 MHz至1 920 MHz的无线传输路径损耗，预测精度较高。特别是Longley-Rice模型能够在山区环境下，十分准确地预测VHF和UHF电视频段内的接收场强[7]。当传输距离大于50 km时，Longley-Rice模型的预测结果与实测数据相吻合[8]。此外，Okumura-Hata模型、Longley-Rice模型以及ITU-R P.1546模型还具备一定的海上移动信道的传输损耗预测能力[9]。在海上无线传输损耗的预测过程中，Longley-Rice模型考虑了更多影响因素，包括海面折射率、海面导电率、介电常数以及海浪汹涌度等[10]，对无线电传输损耗预测情况比Okumura-Hata模型和自由空间模型更加精确[11]。但相比于Longley-Rice模型和Okumura-Hata模型，ITU-R P.1546模型的应用范围更广阔[12]。且相较于Okumura-Hata模型和自由空间模型，ITU-R P.1546-5模型对路径损耗的预测情况与南海环境中的测量情况更加吻合[13]，因此，本文将借鉴ITU-R P.1546-5模型来预测南海的无线传输损耗值。

然而，ITU-R P.1546-5模型是在自由空间条件下完成海上无线传输损耗预测，未考虑通信距离较小时，海面无线信号传输中出现的直射波信号和反射波信号传输损耗预测问题[14]。针对该问题，本文提出利用双径传输模型对ITU-R P.1546-5模型进行修正，然后预测海上无线电的传输损耗值，并通过仿真实验与真实测量值进行对比，从而验证该模型的有效性。

1无线传输模型研究

1.1海面测量场景

南海素有“亚洲地中海”之称，海洋资源丰富，是我国海上石油和贸易的生命线，因此，海洋石油开采、海上运输以及发展渔业等海上作业也日趋繁多，由此进一步提高了及时准确地进行海洋通信的重要性，这就要求能够获得准确度高的海上数据资料。因此，2014年10月，海南大学环海南岛频谱测量团队进行了一次海上数据采集，测量段为西岛至三亚湾的往返航程，此次环岛测量所用仪器为安捷伦科技(中国)有限公司生产的频谱测量仪，型号为N9342C，路线图如图1所示。

图1　实测线路图

此次测量过程中将发射天线架设在开阔的高层楼顶上，总高度约为65 m。接收天线架设在测量船上，海拔高度约为2 m，但由于海浪的影响，接收天线海拔高度是在不断变化的。图2为无线信号的收发方式。

图2　信号发送端与测量船间信号收发方式

测量所得部分数据如表1所示。

表1　部分实测数据表

1.2ITU-R P.1546-5模型

ITU-R P.1546-5模型是以实测数据为基础，对距离、天线高度、频率、时间百分数等进行内插或外推的半理论半经验模型，其作用的频率范围是30～3 000 MHz，有效发射基站高度小于3 000 m，路径长度在1～ 1 000 km之间的陆地路径、海面路径和/或陆地-海面混合路径上的对流层无线电电路。要将其应用到海上无线传输模型中，则场强必须不超过如下最大值Emax，即

Emax=Efs+EsedB(μV/m)

(1)

式中：Efs为1 kW e.r.p.的自由空间场强，由如下公式计算得出，即

Efs=106.9-20logddB(μV/m)

(2)

海面曲线的增强值Ese的计算公式如下

Ese=2.38{1-exp(-d/8.94)}log(50/t)dB(3)

式中：d为距离(km)；t为时间百分比。

此外，海上无线传输情况还需考虑如下两个方面的校正：

1)接收天线高度h2校正

由于海浪的影响，测量船在航行过程中的海拔高度是不断变化的，从而导致了接收天线的高度也是时时改变的，为保证海上无线传输损耗预测结果的准确性，此时还需考虑接收天线高度的校正问题。对于海面路径而言，h1是指海面上方天线的物理高度，本文中指发射天线的海拔高度，h2指接收天线的海拔高度。“邻近海面”适用于接收天线在海面上或是紧邻海面并且在发射/基站方向上没有显著障碍物的场合。

当接收天线邻近海面且h2≥10 m时，校正量计算公式为

Cor=Kh2log(h2/R′)dB

(4)

式中：f为频率(MHz)，且

R′=10 m

Kh2=3.2+6.2logf

当接收天线临近海面且h2<10 m，符合在0.6倍第一菲涅尔区的路径长度内的海面上完全无障碍物的条件时，该路径长度计算公式为

(5)

式中：f为频率(MHz)，且

Df=0.000 038 9 fh1h2

D06(f,h1,10)表示对于所需h1值和h2=1m路径恰为0.6倍菲涅尔间隔的距离，记为d10，D06(f,h1,h2)可记为dh2。

若传输距离大于或等于d10，则采用公式(4)计算校正量。

若传输距离小于d10，则校正量的计算公式为

当d≤dh2时，

Cor=0.0dB

(6)

当dh2

(7)

式中：C10为式(4)中R′=10m时传输距离d10处所需h2值的校正量。

当接收天线高度h2邻近陆地时小于1m或邻近海面时小于3m的场合下，该模型无效。以上接收天线高度校正流程如图3所示。

图3　接收天线高度校正流程图

此外，收发天线之间会存在高度差异，修正公式为

(8)

式中：d为两天线间的水平距离，斜坡距离dslope为

(9)

式中：htter和hrter分别表示发射基站和接收天线的高出海平面的地面高度，单位为m。

2)对流层散射校正

由于海上环境中各处的温度、压强、湿度等要素水平分布不均，造成对流层中分布着大量的散射体，因此对流层是一种随机不均匀介质。当无线信号通过该不均匀介质时，除发生折射外，还会被不均匀介质再次辐射，对流层散射由此形成。因此，为保证无线传输损耗预测结果的准确性，还需考虑对对流层散射因素进行校正。

路径散射角计算公式为

(10)

式中：d为路径长度(km)；有效地球半径系数k=4/3；地球半径a=6 370km。

对流层散射场强公式为

Ets=24.4-20logd-10θs-Lf+0.15N0+

GtdB(μV/m)

(11)

其中，频率相关损耗为

(12)

综合考虑上述两个校正因素，则标准ITU-RP.1546-5模型的场强EITU的计算公式为

EITU=Efs+EtsdB(μV/m)

(13)

则对应的基本传输损耗计算公式为

LbITU=139.3-EITU+20logf+CordB

(14)

式中：f为频率(MHz)。

综上所述，将ITU-RP.1546-5模型应用到实际南海环境中时还需考虑接收天线高度和对流层散射两个因素的校正，但在传输距离较短的情况下，海面还会存在一条直射信号和一条反射信号，与双径模型特征相吻合，因此在短距离无线信号传输过程中还需添加双径传输模型对ITU-RP.1546-5模型进行校正。

1.3双径传输模型

双径传输模型中只存在一条较强的直射波信号和一条海面反射波，且短距离内可视为平面传输[9]，模型图如图4所示。

图4　双径传输模型图

图中的反射波和直射波的路径差为

(15)

如图4所示，r1、r2是收发端到反射点的距离，h1、h2分别为发射基站和接收天线的高度，d为收发端之间的水平距离。由此可得两电场的相位差计算公式为

(16)

式中：λ为波长。

因此，接收场强与自由空间场强的关系为

(17)

式中：Erec是接收场强；Efs是自由空间场强。此公式为双径模型提供了精确的接收场强计算方法。

当传输距离d远远大于天线高度时，式(17)可简化为

(18)

即接收场强为

(19)

ITU-RP.1546-5改进模型同样需要考虑接收天线高度和对流层散射两个校正因素，因此该模型的场强EproITU为

EproITU=Erec+EtsdB(μV/m)

(20)

其中，对流层散射场强Ets的计算公式如式(11)所示，单位为dB(μV/m)，与其特定场强对应的基本传输损耗计算公式为

LbproITU=139.3-EproITU+20logf+Cor

(21)

自由空间的传输损耗计算公式为

Lbfs=-27.56+20logf+20logd

(22)

式中：传输损耗Lb和Lbfs的单位为dB，场强E的单位为dB(μV/m)，频率f的单位为MHz，传输距离d的单位为km。

2仿真结果分析

本文采用加入了双径模型校正后的ITU-RP.1546-5模型对海南大学环海南岛频谱测量团队环岛测得的数据进行海面无线传输损耗的预测计算，其中，从三亚湾至西岛航段的测量频率是780MHz，西岛返回至三亚湾航段中接收天线接收的是730MHz的信号，然后利用MATLAB仿真平台进行分析。由于本文讨论的是信息收发距离较短时的情况，且当信息收发距离过大时，实测数据不能准确反映真实情况，因此模拟仿真选取的是收发距离为3～8km之间的数据，仿真结果如图5和图6所示。

图5　频率为780 MHz的传输损耗对比图

图6　频率为730 MHz的传输损耗对比图

由图5、图6可得如下结论：

1)在700 MHz频段内，自由空间模型的传输损耗最小；

2)ITU-R P.1546-5改进模型的预测传输损耗点比较分散，这是因为该模型的预测结果与传输距离和接收天线高度等因素有关。当频率分别为780 MHz和730 MHz时，相比于自由空间模型和标准ITU-R P.1546-5模型，改进后的ITU-R P.1546-5模型的传输损耗预测结果更符合实测传输损耗范围；

3)在780 MHz和730 MHz的频率下，当传输距离范围在5.5～8 km时，改进后的ITU-R P.1546-5模型对海面传输损耗的预测更为准确，原因分析如下：当传输距离小于5.5 km时，沿岸有较多的障碍物(如高楼等)遮挡，影响到实测数据的采集效果，导致实测数据偏大，由此影响到模型对海面无线传输损耗预测的准确性。但结合整体仿真效果来看，加入双径模型后的ITU-R P.1546-5更符合700 MHz频段下的南海海面实测环境，可用来预测海上无线信号的传输损耗情况。

3结束语

由于岸边发射天线信号强度的范围有限，无线信号的收发距离不可过大，但沿岸存在有众多如高楼等障碍物的遮挡，会影响到无线信号的接收，因此信号收发距离也不可太小。由于原ITU-R P.1546-5模型是建立在自由空间基础上，未全面考虑到近海海域存在海面反射波的情况，因此本文将双径传输模型引入到标准ITU-R P.1546-5模型中对其加以改进。与原ITU-R P.1546-5模型相比，改进后的ITU-R P.1546-5模型更符合南海实际情况。通过仿真结果表明，改进后的ITU-R P.1546-5预测的传输损耗比原ITU-R P.1546-5和自由空间模型预测的更接近西岛到三亚湾的实测值，证明改进后的ITU-R P.1546-5对700 MHz频段下的海面无线传输损耗的预测结果更为准确。

参考文献：

[1]WANG J L, LIU C S. Development and application of INMARSAT satellite communication system[C]//Proc. International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control. Beijing, China: IEEE, 2011:619-621.

[2]Fleet-Broadband. [EB/OL]. [2015-09-10]. https:// en.wikipedia.org/wiki/Fleet-Broadband.

[3]FARHOUD M, EL-KEYI A, SULTAN A. Empirical correction of the Okumura-Hata model for the 900 MHz band in Egypt[C]//Proc. Third IEEE International Conference on Communications and Information Technology (ICCIT). Beirut, Lebanon: IEEE, 2013:386 - 390.

[4]Longley-Rice Model. [EB/OL]. [2015-09-10]. http:// www.awe-communications.com/Propagation/Rural/ITM/index.htm.

[5]HASSAN R, AMIN F M. Comparative study on radio wave propagation models for 4G network[C]//Proc. 15th IEEE International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT). Pyeongchang, Korea: IEEE, 2013:480-483.

[6]Method for point to area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz[R].[S.l.]: ITU-R Recommendation P.1546-4,2009.

[7]HESAMI P, NOORI N. Evaluation and improvement of the field prediction method in recommendation ITU-R P.1546-3[C]//Proc. 3rd European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Berlin, Germany: IEEE,2009:2276-2279.

[8]KASAMPALIS S, LAZARIDIS P , ZAHARIS Z D, et al. Comparison of Longley-Rice, ITU-R P.1546 and Hata-davidson propagation models for DVB-T coverage prediction[C]//Proc. 2014 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB) . Beijing, China: IEEE, 2014:1-4.

[9]MO H, CHEN B, SHEN C. Radio propagation prediction model for maritime mobile communication[C]//Proc. International Conference on Wireless Communications & Applications IET Digital Library. Kuala Lumpur, Malaysia: IEEE, 2012:1-5.

[10]王祖良, 樊文生, 郑林华. 海面电波传播损耗模型研究与仿真[J]. 电波科学学报, 2008, 23(6):1095-1099.

[11]CHANG T W, LIN M S. Performance measurement of IEEE 802.15.4 MAC on different 3D terrains[C]//Proc. Third International Conference on Innovations in Bio-Inspired Computing and Applications (IBICA) . Kaohsiung, China: IEEE,2012:246-251.

[12]WANG H, DU W, CHEN X. Evaluation of radio over sea propagation based ITU-R recommendation P. 1546-5[J]. Journal of communications, 2015, 10(4): 54-61.

[13]Method for point to area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz Method for point to area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz[EB/OL].[2015-06-05].http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.1546-5-201309-I!!PDF-E.pdf.

[14]严匡武, 贺知明, 黄强. 双径模型在PCM/FM再入遥测系统分析中的应用[J]. 电子科技大学学报, 2006, 35(6):865-868.

责任编辑：薛京

Measurement of radio propagation characteristics and model correction over sea at 700 MHz band

LI Yuan, REN Jia, CUI Yani

(CollegeofInformationScience&Technology,HainanUniversity,Haikou570228，China)

Abstract:Radio propagation characteristics in the maritime environment are measured at 700 MHz band through the ship-shore method. According to the measured data, an offing two-path transmission loss model is introduced to correct the standard ITU-R P.1546-5 model. And the correction model can predict the radio transmission loss at 700MHz band. In the simulation, the radio transmission loss at 700 MHz is predicted by free space model, ITU-R P.1546-5 model and ITU-R P.1546-5 correction model, respectively. And compared with the measured data, the prediction result obtained by ITU-R P.1546-5 correction model has a better accuracy. So the model can be used for the design of the maritime wireless communication system.

Key words:radio transmission on sea surface; standard ITU-R P.1546-5 model; two-path transmission loss model; model correction

中图分类号：TN929

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.018

基金项目：国家自然科学基金项目(61440048；61562018)；国家国际科技合作专项(2015DFR10510)；河南省自然科学基金项目(614227)

作者简介：

李媛(1991— )，女，硕士生，主研海洋通信；

任佳(1981— )，博士，教授，硕士生导师，主研海洋通信、人工智能；

崔亚妮(1990— )，女，博士，主研多无人机协同研究。

收稿日期：2015-10-30

文献引用格式：李媛，任佳，崔亚妮. 海面环境700 MHz频段传输特性测试与模型校正[J]. 电视技术，2016，40(5)：82-90.

LI Y, REN J, CUI Y N. Measurement of radio propagation characteristics and model correction over sea at 700 MHz band [J]. Video engineering，2016,40(5)：82-90.