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復(fù)雜多變的信道環(huán)境下，由于受地球弧度和海浪、船只、海浪等的遮擋，以及存在深衰落和多徑效應(yīng)，設(shè)計(jì)海上通信系統(tǒng)時(shí)需要充分考慮這些不利因素的影響。本文只就海面反射以及大氣吸收損耗做出簡(jiǎn)單的海上通信信道模型，通過(guò)Matlab進(jìn)行信道仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。關(guān)鍵詞 海上信道特性；海面反射；大氣吸收損耗；信道建模與仿真海上通信同陸地上通信相比，具有自己的環(huán)境特點(diǎn)。首先，在地形上，海上障礙物遮擋比較少，這樣導(dǎo)致的直接結(jié)果就是電波傳播余隙大，所以電波在海上傳播時(shí)，繞射損耗比陸地上小。同時(shí)，傳播余隙增大，增加了電波反射。并且電磁波在海上傳播時(shí)，如果掠射角很

2、小，在微波波段內(nèi)反射系數(shù)就比較大。這樣反射波的影響也比在陸地上大。本文僅考慮海上通信信道為海面反射以及大氣吸收損耗的簡(jiǎn)單模型，沒(méi)有考慮繞射損耗、云霧衰減、雨衰、海浪高度以及海洋惡劣環(huán)境等因素的影響，對(duì)海面反射以及大氣吸收損耗的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行仿真運(yùn)算。2 信道傳播特性2.1 自由空間傳播損耗在海上通信傳播模型當(dāng)中，一般將電波視作自由空間傳播，由參考文獻(xiàn)可知自由空間傳播損耗為： (1)式中，為工作頻率（MHz），為收發(fā)天線之間的距離（km）。圖1 空間傳播損耗與收發(fā)天線距離之間關(guān)系曲線 自由空間傳播損耗仿真結(jié)果如圖1，可以看出自由空間損耗與天線間收發(fā)距離基本上是成對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，隨著天線間距離的增加，

3、自由空間損耗呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。2.2 海面反射傳播損耗目前，在移動(dòng)通信的海面?zhèn)鞑p耗預(yù)測(cè)中，一般都把海面的電波視作自由空間傳播，這與實(shí)際情況有較大的誤差。因?yàn)?，在海面上接收的信?hào)除了直接的視距信號(hào)外，還有海面反射信號(hào)。地球是個(gè)球體，所以在地面和海面都不是平面，而是球面，因此電波通過(guò)海面的反射，實(shí)際上是光滑球面對(duì)電波的反射。總的接收信號(hào)應(yīng)是直射與海面反射的合成信號(hào)。一般情況下在考慮海面?zhèn)鞑p耗時(shí)應(yīng)考慮這兩條路徑的信號(hào)損耗。電波在光滑球面上面的反射，見圖2.其中C是路徑的發(fā)射點(diǎn)，虛線AB是過(guò)C點(diǎn)得切線。同電波在平面上發(fā)射的情形一樣，電波在光滑球面上的反射以滿足入射角等于反射角的反射條件。因此當(dāng)路徑兩端的

4、天線高度為,和站距確定之后，反射點(diǎn)位置C就是一個(gè)確定的值，C點(diǎn)的位置必須符合下面的方程式所表示的條件： (2)公式（1）中，為站距（km）；為反射點(diǎn)離一端的距離（km）；，為等效地球半徑系數(shù)，設(shè) (3) (4) (5)則 (6)圖2 反射點(diǎn)計(jì)算圖過(guò)反射點(diǎn)C得切線AB把兩端的天線高度和截為兩部分。由于地球的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線的高度，因此和可用下面近似式表示： (7) (8)式中：、為天線高度；為地球半徑；和為天線有效高度。對(duì)于電波在球面上的反射，只要用通過(guò)反射點(diǎn)所作的切面來(lái)代替球面，以天線的有效高度代替天線的實(shí)際高度，就可以簡(jiǎn)化為在平面上的反射。在計(jì)算時(shí)只要把天線有效高度和代替天線高度和就行。這樣

5、所得到的反射衰落損耗為 (9)其中是地面等效反射系數(shù)。在海上傳播時(shí)，一般比較大，當(dāng)掠射角很小時(shí)，取到1.這樣就造成比較大的衰落。圖3是基站高度為100m，頻率為3000MHz，移動(dòng)臺(tái)高度為50m，通信距離為0到80km，地球半徑為6400km，地球等效半徑系數(shù)=，地面等效反射系數(shù)=1時(shí)反射損耗與收發(fā)天線距離的曲線關(guān)系。圖3 反射損耗與收發(fā)距離關(guān)系曲線2.3 大氣吸收損耗大氣中對(duì)電波的吸收起作用的主要是氧氣和水蒸氣，以下主要考慮這兩項(xiàng)：氧分子損耗率，對(duì)于57GHz以下頻段，可按下式近似計(jì)算： (10)水蒸氣分子損耗率與頻率和水蒸氣密度有關(guān)可以用下式計(jì)算： (11)上式中取值為7.5。在微波頻段，

6、電波傳播路徑靠近地面，所以對(duì)微波能量的大氣吸收損耗可以按下式計(jì)算，其中為視距傳輸距離： (12)大氣吸收損耗仿真結(jié)果如圖4所示：大氣吸收損耗與收發(fā)天線間距離基本上是成直線關(guān)系，隨著天線間距離的增加，大氣吸收損耗也越來(lái)越大。圖4 大氣吸收損耗與收發(fā)天線距離關(guān)系曲線 3 結(jié)論無(wú)線移動(dòng)信道復(fù)雜多變，對(duì)它進(jìn)行深入的研究有利于減少信道衰落對(duì)通信系統(tǒng)的影響，改善通信質(zhì)量。本文針對(duì)海上環(huán)境建立了海上電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型?？紤]了自由空間傳播損耗和海面反射引起的路徑損耗，以及大氣吸收損耗。通過(guò)上文得出電波傳輸對(duì)信道的影響，其表達(dá)式如下： (13)式中、分別為發(fā)射天線增益和接受天線增益，為電波海上傳輸損耗。海上通

7、信信道模型仿真結(jié)果如圖5所示：傳輸損耗隨收發(fā)天線間距離呈波浪形增長(zhǎng)趨勢(shì)。圖5 未考慮天線增益的海上信道傳播損附錄：海上通信信道模型代碼%自由空間傳播損耗模型%f=3000; %頻率MHz%d=0:80; %收發(fā)天線間距離%Lp=32.45+20*log(f)+20*log(d); %自由空間傳播損耗%反射損耗模型%K=4/3; %地球半徑系數(shù)%D0=1; %地面等效反射系數(shù)%f=3000; %頻率MHz%a=6400; %地球半徑km%d=0：80; %收發(fā)天線間距離km%x1=3*102/f; %波長(zhǎng),km%h1=50; %接收天線實(shí)際高度m%h2=100; %發(fā)射天線實(shí)際高度m%P=1.5

8、925*K*d*(h2-h1);x2=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); %反射點(diǎn)到天線一端的距離%d2=d-d1; %反射點(diǎn)到另一端的距離%h11=h1-d1.2/(2*K*a); %接收天線等效高度%h22=h2-d2.2/(2*K*a); %發(fā)射天線等效高度%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); %發(fā)射損耗% %大氣吸收損耗模型%f=3000; %頻率MHz%d=0:80; %天線收發(fā)距離km%p=7.5; %水蒸氣密度g/m3%x1=f2+0.227;x2=(f-57)2+1.5;r0=(0.00719+6.09/x1+4.81/x2