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1、海上通信信道模型The Model of Communications Channel in Marine摘 要 海上的通信通常工作在复杂多变的信道环境下，由于受地球弧度和海浪、船只、海浪等的遮挡，以及存在深衰落和多径效应，设计海上通信系统时需要充分考虑这些不利因素的影响。本文只就海面反 射以及大气吸收损耗做出简单的海上通信信道模型，通过Matlab进行 信道仿真，并对仿真结果进行了简要的分析。关键词 海上信道特性；海面反射；大气吸收损耗；信道建模与仿真Abstract Maritime communications typically work in the complex channel
2、environment, due to the Earths curvature and waves, boats, waves and the presence of deep fading and multipath effects, maritime communications system design take full account of these adverse factors. This paper only reflected on the sea surface and atmospheric absorption loss made simple maritime
3、communications channel model, the channel through Matlab simulation, and simulation results are briefly discussed. Key words Offing channel; sea reflection; atmospheric absorption; channel modeling and simulation 1引言海上通信同陆地上通信相比，具有自己的环境特点。首先，在地 形上，海上障碍物遮挡比较少，这样导致的直接结果就是电波传播余 隙大，所以电波在海上传播时，绕射损耗比陆地上小。
4、同时，传播余 隙增大，增加了电波反射。并且电磁波在海上传播时，如果掠射角很 小，在微波波段内反射系数就比较大。这样反射波的影响也比在陆地 上大。本文仅考虑海上通信信道为海面反射以及大气吸收损耗的简单 模型，没有考虑绕射损耗、云雾衰减、雨衰、海浪高度以及海洋恶劣 环境等因素的影响，对海面反射以及大气吸收损耗的简单模型进行仿 真运算。2 信道传播特性2.1 自由空间传播损耗在海上通信传播模型当中，一般将电波视作自由空间传播，由参 考文献可知自由空间传播损耗 L 为：pL 二 32.45 + 20lg f + 20lg d（1）p式中，f为工作频率（MHz）, d为收发天线之间的距离（km）。图1
5、空间传播损耗与收发天线距离之间关系曲线(里)巔岸耙e回阳田皿自由空间传播损耗仿真结果如图1，可以看出自由空间损耗与天线间收发距离基本上是成对数增长关系，随着天线间距离的增加，自 由空间损耗呈对数增长。2.2 海面反射传播损耗目前，在移动通信的海面传播损耗预测中，一般都把海面的电波 视作自由空间传播，这与实际情况有较大的误差。因为，在海面上接 收的信号除了直接的视距信号外，还有海面反射信号。地球是个球体， 所以在地面和海面都不是平面，而是球面，因此电波通过海面的反射， 实际上是光滑球面对电波的反射。总的接收信号应是直射与海面反射 的合成信号。一般情况下在考虑海面传播损耗时应考虑这两条路径的 信号
6、损耗。电波在光滑球面上面的反射，见图2.其中C是路径的发射点，虚 线AB是过C点得切线。同电波在平面上发射的情形一样，电波在光滑 球面上的反射以满足入射角等于反射角的反射条件。因此当路径两端 的天线高度为h ,h和站距d确定之后，反射点位置C就是一个确定的12值，C点的位置d必须符合下面的方程式所表示的条件：13d3 dd2 121Ka(h + h )-吐1 2 2d + K a d h 011(2)公式（1）中，d为站距（km）； d为反射点离一端的距离（km）；1d hdd ， K 为等效地球半径系数，设21P = 1.5 9 2Kd （h h ）h h2 1 2 1d212+ 2.125
7、K(h + h )21(4)(5)P申=ar co s(6)过反射点C得切线AB把两端的天线高度h和h截为两部分。由于 12(7)地球的半径远远大于天线的高度，因此h和h可用下面近似式表示： 12h = h + AhAh =1 1 1 12 Kah = h + Ah2 2 2Ah =222 Ka(8)式中：h、h为天线高度；a为地球半径；h和h为天线有效高1 2 1 2度。对于电波在球面上的反射，只要用通过反射点所作的切面来代替 球面，以天线的有效高度代替天线的实际高度，就可以简化为在平面 上的反射。在计算时只要把天线有效高度h和h代替天线高度h和h1 2 1 2就行。这样所得到的反射衰落损耗
8、为L = 10lgf1 + D 2 一 2D cos00(9)(4 兀 d X)24兀h h、1-2dX丿其中 D 是地面等效反射系数。在海上传播时，一般比较大，当掠射0角很小时，取到1.这样就造成比较大的衰落。图3是基站高度h为100m，频率f为3000MHz，移动台高度h为2150m,通信距离d为0到80km，地球半径a为6400km，地球等效半径系数K =43，地面等效反射系数D =1时反射损耗L与收发天线距离/30f的曲线关系。2.3 大气吸收损耗大气中对电波的吸收起作用的主要是氧气和水蒸气，以下主要考 虑这两项：氧分子损耗率，对于57GHz以下频段，可按下式近似计算：Y 二 0.00
9、719 + 609 +4 x f 2 x 10-5(10)0f 2 + 0.227(f - 57)2 +1.5 _水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度p有关可以用下式计算:3006.73 +Vf - 22.3上 + 7.3X f 2 p x 10 -9(11)上式中p取值为7.5 gm3。在微波频段，电波传播路径靠近地面，所以对微波能量的大气吸收损耗L可以按下式计算，其中d为视距传输距离:(12)aL = & +丫 力a 0 w大气吸收损耗仿真结果如图4所示：大气吸收损耗与收发天线间距离基本上是成直线关系，随着天线间距离的增加，大气吸收损耗也越来越大。图4 大气吸收损耗与收发天线距离关系曲线S3
10、巔星婪客旷H3 结论无线移动信道复杂多变，对它进行深入的研究有利于减少信道衰 落对通信系统的影响，改善通信质量。本文针对海上环境建立了海上 电波传播损耗预测模型。考虑了自由空间传播损耗和海面反射引起的 路径损耗，以及大气吸收损耗。通过上文得出电波传输对信道的影响，其表达式如下：L 二 L + L + L + G + G(13)pfatr式中G、G分别为发射天线增益和接受天线增益，L为电波海上传输 tr损耗。海上通信信道模型仿真结果如图5所示：传输损耗随收发天线间距离呈波浪形增长趋势。图5 未考虑天线增益的海上信道传播损附录：海上通信信道模型代码%自由空间传播损耗模型% f=3000; % 频率
11、 M Hz% d=0:80; %收发天线间距离%Lp=32.45+20*log(f)+20*log(d); %自由空间传播损耗% %反射损耗模型%K=4/3; %地球半径系数%D0=1; %地面等效反射系数%f=3000; % 频率 M Hz% a=6400; %地球半径km% d=0： 80; %收发天线间距离km%x1=3*10A2/f; % 波长,km%h1=50; %接收天线实际高度m% h2 = 100; %发射天线实际高度m%P=1.5925*K*d*(h2-h1); x2=2.125*K*(h2+h1);Q=(d.2)/12+x2;A=acos(P/Q(3/2);d1=d./2+
12、2*Q(1/2)*cos(A/3+240); % 反射点到天线一端的距离% d2=d-d1; %反射点到另一端的距离%h11=h1-d1/2/(2*K*a); %接收天线等效高度h22=h2-d2/2/(2*K*a); %发射天线等效高度 bb=4*3.14*d./x1;nn=d*x1;cc=4*3.14*h11.*h22./nn;dd=cos(cc);yy=2-2*D0*dd;qq=bb.A2./yy;Lf=10*log(qq); %发射损耗%大气吸收损耗模型%f=3000; % 频率 M Hz% d=0:80; %天线收发距离km% p=7.5; %水蒸气密度g/m3%x1=fA2+0.227;x2=(f-57)八2+1.5;r0=(0.00719 + 6.09/x1 + 4.81/x2)*f2*0.00001;% 氧分子损耗 x3=(f-22.3)入2+7.3;r1=(6.7 3 + 300/x3)*fT*p*0.000000001; % 水分子损耗 La=(r0+r1)*d; %大气吸收损耗%海上通信传输损耗模型%L=Lp+Lf+La; %传输损耗%
