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

2、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为： (1)式中，为工作频率（MHz），为收发天线之间的距离（km）。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，

3、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

4、天线高度为,和站距确定之后，反射点位置C就是一个确定的值，C点的位置必须符合下面的方程式所表示的条件： (2)公式（1）中，为站距（km）；为反射点离一端的距离（km）；，为等效地球半径系数，设 (3) (4) (5)则 (6)图2 反射点计算图过反射点C得切线AB把两端的天线高度和截为两部分。由于地球的半径远远大于天线的高度，因此和可用下面近似式表示： (7) (8)式中：、为天线高度；为地球半径；和为天线有效高度。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和代替天线高度和就行。这样

5、所得到的反射衰落损耗为 (9)其中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是基站高度为100m，频率为3000MHz，移动台高度为50m，通信距离为0到80km，地球半径为6400km，地球等效半径系数=，地面等效反射系数=1时反射损耗与收发天线距离的曲线关系。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： (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： (11)上式中取值为7.5。在微波频段，

6、电波传播路径靠近地面，所以对微波能量的大气吸收损耗可以按下式计算，其中为视距传输距离： (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： (13)式中、分别为发射天线增益和接受天线增益，为电波海上传输损耗。海上通

7、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*102/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=1.5

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=f2+0.227;x2=(f-57)2+1.5;r0=(0.00719+6.09/x1+4.81/x2