海上通信信道模型

1海上通信信道模型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。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pL为：dfLplg20lg2045.32(1)式中，f为工作频率（MHz），d为收发天线之间的距离（km）。2图1空间传播损耗与收发天线距离之间关系曲线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3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1h,2h和站距d确定之后，反射点位置C就是一个确定的值，C点的位置1d必须符合下面的方程式所表示的条件：0223112212131KadhddhhKaddd(2)公式（1）中，d为站距（km）；1d为反射点离一端的距离（km）；12ddd，K为等效地球半径系数，设12125925.1hhhhKdP(3)122125.212hhKdQ(4)23cosQPar(5)则2403cos221Qdd(6)图2反射点计算图过反射点C得切线AB把两端的天线高度1h和2h截为两部分。由于地球的半径远远大于天线的高度，因此1h和2h可用下面近似式表示：4Kadhhhh22111'11(7)Kadhhhh22222'22(8)式中：1h、2h为天线高度；a为地球半径；'1h和'2h为天线有效高度。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'1h和'2h代替天线高度1h和2h就行。这样所得到的反射衰落损耗为dhhDDdLf'2'102024cos214lg10(9)其中0D是地面等效反射系数。在海上传播时，一般比较大，当掠射角很小时，取到1.这样就造成比较大的衰落。图3是基站高度2h为100m，频率f为3000MHz，移动台高度1h为50m，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=34，地面等效反射系数0D=1时反射损耗fL与收发天线距离的曲线关系。5图3反射损耗与收发距离关系曲线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：52220105.15781.4227.009.600719.0fff(10)水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度有关可以用下式计算：922103.73.2230073.6ffw(11)上式中取值为7.53mg。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：6dLw0(12)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3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：rtfpGGLLLL(13)式中tG、rG分别为发射天线增益和接受天线增益，L为电波海上传输7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MHz%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MHz%a=6400;%地球半径km%d=0：80;%收发天线间距离km%x1=3*10^2/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);8x2=2.125*K*(h2+h1);Q=(d.^2)/12+x2;A=acos(P/Q.^(3/2));d1=d./2+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.^2./yy;Lf=10*log(qq);%发射损耗%%大气吸收损耗模型%f=3000;%频率MHz%d=0:80;%天线收发距离km%p=7.5;%水蒸气密度g/m3%x1=f^2+0.227;x2=(f-57)^2+1.5;r0=(0.00719+6.09/x1+4.81/x2)*f^2*0.00001;%氧分子损耗%x3=(f-22.3)^2+7.3;r1=(6.73+300/x3)*f^2*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%