關(guān)于S矢量信號源與頻譜分析儀的海域無線通信系統(tǒng)測試分析和介紹

由于海洋經(jīng)濟的發(fā)展和海事活動的需求，具備高速率和穩(wěn)健性的海域無線通信系統(tǒng)亟待研究。海浪波動、海水蒸發(fā)等獨特的海洋環(huán)境特點使得現(xiàn)有陸地通信模型無法適用于海上。為了綜合研究多種因素對海域信道的影響，一次5.8 GHz頻段的海域通信測量實驗于黃海進行。本次實驗最大測量距離為33千米，通信帶寬為20 MHz。對接收信號強度的測試結(jié)果分析表明，在南通市黃海海岸冬季氣象條件下，兩徑模型即可較好地體現(xiàn)海域信道特性。

Abstract：Due to the development of the Marine economy and the need for maritime activities, wireless communication systems for maritime environment that secure robustness and high data rate are still in high demand. Different from the land, marine environment has particular channel characteristics caused by sea waves fluctuation, water vapor evaporation, etc., making the terrestrial wireless channels ineffective. In order to study the influence of various factors on the sea channel, the maritime communication measurement experiment at a 5.8 GHz frequency band was carried out in Nantong, Jiangsu. The maximum measurement distance of this experiment is 33 km, and the communication bandwidth is 20MHz. According to the received signal strength analysis of the test results, the 2-Ray model can well reflect the characteristic of maritime channel under the winter conditions in the Yellow Sea coast of Nantong City.

Key words: maritime communication, channel path loss, multipath effect

1. 引言

近年來，由于海域通信需求日漸旺盛，對海域通信網(wǎng)絡(luò)的研究受到了廣泛關(guān)注。隨著濱海旅游業(yè)和海洋運輸業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，海域通信網(wǎng)絡(luò)需要進一步完善以提供更高速率的多媒體數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)、更穩(wěn)定的通信質(zhì)量和更低的通信成本。在對海域通信網(wǎng)絡(luò)的研究中，無線信道特性對通信質(zhì)量起到了決定性的作用。相比陸地信道，海面上散射體較少且電磁傳播環(huán)境受到海面狀況、大氣狀況等多種天氣因素影響，呈現(xiàn)出不同于地面環(huán)境的信道特性。因此，現(xiàn)有的陸地信道模型并不適用于海上通信。

海域信道模型不僅與信號頻率、傳輸距離、天線高度和移動速度等參數(shù)有關(guān)，還受到海洋氣象和海面波動的影響。此前研究均未綜合考慮多種海上影響因素，針對海域?qū)拵ㄐ?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)，海域信道的測量和建模勢在必行。

2. 海域無線通信系統(tǒng)原理

無線通信系統(tǒng)是利用無線電磁波實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，主要由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無線信道三大部分組成。針對海域無線信道，接收信號強度變化可以大致分為大尺度衰落與小尺度衰落。大尺度衰落描述了在發(fā)射機與接收機距離較遠時接收信號強度的緩慢變化，小尺度衰落則特指在很短距離（數(shù)個波長長度）或很短時間（數(shù)秒）上，信道的幅度、相位及多徑時延的快速波動。大尺度衰落主要由路徑損耗和陰影衰落造成，小尺度衰落主要由海面波動和大氣散射等因素導(dǎo)致。為了建立一個精確的海域信道模型，需要進一步的海域信道測量實驗以獲取更全面的實驗數(shù)據(jù)。

圖1 海域通信主要衰落方式（示意）

3. 研究現(xiàn)狀

目前，美、韓、新加坡、挪威等國家的高校和科研機構(gòu)已開始海域信道的測量和建模工作。K. Yang等人對遠海的發(fā)射天線和岸上的接收天線之間的信道進行了測量，并根據(jù)接收信號電平和功率時延譜，分析了天線位置對于信號傳播的重要影響；Y. Bai等人研究了地面曲率對海域信號傳播特性的影響，并針對WCDMA系統(tǒng)進行了鏈路預(yù)算。Y. Zhao等人考慮了海面反射和天線高度等因素，并提出了一種適用于海域信道的兩徑模型。J. C. Reyes-Guerrero等人針對非視距場景下的海域信道進行了測量，并與自由空間模型和兩徑模型進行了比較。

海洋大氣環(huán)境中，特殊的大氣折射率結(jié)構(gòu)容易形成蒸發(fā)波導(dǎo)，從而使得電磁波能夠傳播到更遠距離。Y. H. Lee等人針對視距場景下的近海海域信道進行了測量，分析結(jié)果表明當收發(fā)端距離超過閾值（與收發(fā)天線高度相關(guān)）時，蒸發(fā)波導(dǎo)的存在會影響路損模型。此外，Y. H. Lee等人提出了三徑路損模型，該模型與蒸發(fā)波導(dǎo)高度、收發(fā)天線高度相關(guān)。A.Coker等人仿真分析了蒸發(fā)波導(dǎo)高度對信號衰減和分集的影響。

除路徑損耗外，海域信道模型還需考慮由于海面波動和大氣散射等因素導(dǎo)致的小尺度衰落。Jae-Hyun Lee等人測量并分析了小尺度衰落概率分布函數(shù)，提出相對于Nakagami-m分布和瑞利分布，小尺度衰落概率分布函數(shù)更接近萊斯分布。Kun Yang等人測試和分析了多普勒頻移。Fang Huang等人考慮光滑海面和粗糙海面，通過分析得到了由直射徑、鏡像多徑和漫射多徑組成的信道脈沖響應(yīng)，且該模型適用于不同載頻、傳輸距離和海面狀態(tài)。

以上研究均未綜合考慮蒸發(fā)波導(dǎo)、海洋氣象、海面波動等因素對信道的影響，因而需要進一步開展對近海海域信道的測量和建模研究。

4. 鏈路預(yù)算

信號在海域環(huán)境下傳播時，視距內(nèi)的主要傳播路徑有兩種，即收發(fā)站點之間的直射信號和海面造成的反射信號。此外，由于地球曲率的影響，超遠距離的無線電波傳播在視距以外需要考慮電波繞射的損耗。海域通信網(wǎng)絡(luò)的海面無線傳播環(huán)境按照距離分為三段，以A、B、C指代，具體如下[1]：

A段為從基站到基站可視距離點，距離設(shè)為d1，該段路徑損耗約為LA = 32.44+20 lg f+10γ1 lgd其中LA為路徑損耗 (dB)，f為載波頻率 (MHz)，d為測試位置與發(fā)射基站的距離 (km)，γ1為路徑損耗斜率，取值為2。

B段為從基站可視距離點到基站和終端合并可視距離點，距離設(shè)為d2，該段路徑損耗為LB=32.44+20 lg f+10γ1 lgd+10γ2 lg(d-d1)其中γ2 > γ1，取值為3。

C段為視距之外的信號作用范圍，距離設(shè)為d3，該段路徑損耗為LC=32.44+20 lgf+10γ1 lgd+10γ2 lg(d-d1)+10γ3 lg(d-d1-d2)其中γ3 > γ2 > γ1，取值為3.4。

假設(shè)發(fā)射天線高度ht為25米，接收天線高度hr為4米，載波頻率f為5.8 GHz，最大測量距離33千米，則可估計路徑損耗(見表1)。若發(fā)射功率為15 dBm，則最小接收功率仍有-63.6dBm，可見當前系統(tǒng)增益滿足測量需要。

表1 鏈路預(yù)算

5. 系統(tǒng)架構(gòu)及測試平臺

本次測試搭建單入單出測試系統(tǒng) (見圖2)，測試蒸發(fā)波導(dǎo)、海面波動、海洋氣象等因素對信道的影響，分析路徑損耗、陰影衰落、時延擴展等參數(shù)。其中，在發(fā)射端向矢量信號源SMW200A輸入Zadoff-Chu序列，實現(xiàn)信號的調(diào)制、數(shù)模變換和帶通濾波等處理，經(jīng)由喇叭天線完成發(fā)射；在接收端由全向天線接收信號，并通過信號分析儀FSW43實現(xiàn)信號的濾波、解調(diào)等處理。電腦設(shè)置于船艙內(nèi)，通過FSW43的Remote Control功能連通信號分析儀，以控制數(shù)據(jù)收取、實時驗證結(jié)果并存儲數(shù)據(jù)。在發(fā)射端與接收端之間，通過GPS時鐘模塊提供的10 MHz信號完成同步。與此同時，由船載的天氣計記錄當前海域的溫度、濕度等氣象條件。測試系統(tǒng)各項關(guān)鍵參數(shù)見表2。

表2 測量系統(tǒng)參數(shù)表

(a) 矢量信號源SMW200A及其他發(fā)射端組件(b) 信號分析儀FSW43及其他接收端組件

圖3 儀器設(shè)備實地圖

經(jīng)過實地考察，測試系統(tǒng)的發(fā)送端設(shè)置在南通市如東縣海岸，發(fā)送天線海拔高度25米。接收端布置在漁船上，接收天線高度4米 (距離海平面高度，忽略海洋潮汐)。船只在黃海海域按固定航線向東勻速行駛，最大測試距離為33 km。

圖4 海域信道測量實驗航線軌跡

6. 實驗結(jié)果

由于發(fā)射端循環(huán)發(fā)送樣值數(shù)為65535的Zadoff-Chu序列，在接收端可以收到周期性的功率時延譜 (見圖6)。對任意時間截面的功率時延譜分析可知，其主峰最大高度對應(yīng)的即是當前接收信號功率。其時延則表示發(fā)射信號經(jīng)不同路徑到達船載接收天線時產(chǎn)生的時間色散，體現(xiàn)了海域無線通信環(huán)境下的多徑效應(yīng)。

圖5 某一時刻的功率-時延-時域圖

當發(fā)射天線與接收天線之間同時存在反射徑與直射徑時，路徑損耗可以通過兩徑損耗模型預(yù)測[2]。在測量實驗近掠入射條件下，垂直極化波的反射系數(shù)接近-1。因此，兩徑路損模型可以簡化為

其中，L2Ray為路徑損耗的dB值，λ為波長 (米)，ht和hr為發(fā)射、接收天線高度 (米)，d為發(fā)射、接收天線距離 (米)。兩徑模型是在自由空間損耗模型的基礎(chǔ)上提出的修正模型，通過圖6(a)可知，相比于原始的自由空間損耗模型 (圖中綠色虛線)，兩徑模型 (圖中紅色虛線) 對實際接收信號強度 (圖中藍色散點) 的預(yù)測效果更佳。

由于海上異常大氣折射率結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蒸發(fā)波導(dǎo)的存在，一個包含直射徑、反射徑和散射徑的三徑路損模型可能取得更好的預(yù)測效果[3]。三徑模型的應(yīng)用條件需要通過記錄的溫度、濕度等多種海域氣象條件綜合判定，此處不再贅述。類似地，一個三徑路損模型可以簡化為

其中，he表示通過氣象參數(shù)計算得到的蒸發(fā)波導(dǎo)高度 (米)，其他參數(shù)含義同上。兩徑模型與實際接收信號強度的對比可以參照圖6(b)。通過模型預(yù)測效果初步判斷，測試場景下波導(dǎo)信號能量較弱，三徑模型沒有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。考慮到測試時間在冬季，海面蒸發(fā)強度不高，大氣濕度變化較小，因而可能使得蒸發(fā)波導(dǎo)信號不明顯。在后續(xù)的分析處理中，將借助Palus-Jeske經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒o出當前條件下的蒸發(fā)波導(dǎo)高度，并綜合海洋氣象、海面波動等印象因素，給出適用于當前海域的最優(yōu)模型。

(a)接收信號強度與兩徑模型對比 (b) 接收信號強度與三徑模型對比

圖6 接收信號強度隨距離的變化

7. 結(jié)束語

為了迎合當前對海域無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，經(jīng)過對現(xiàn)有文獻和實驗成果的優(yōu)缺點總結(jié)，以及綜合考慮各項影響因素，一次海域無線通信實驗于南通市黃海海岸進行。本文中采用R&S公司的矢量信號源SMW200A與信號分析儀FSW43搭建了海域無線通信系統(tǒng)測試平臺，在黃海海域測量了33公里距離上5.8GHz頻段信號的傳播特性。實驗結(jié)果表明，兩徑模型可以較好地預(yù)測接收信號強度的變化趨勢；同時，豐富的實驗數(shù)據(jù)也為進一步分析與模型優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。