海面移动通信系统无线电波传播模型

海面移动通信系统无线电波传播模型 王亚迅1  谭启泉2  王善进2  （1. 东莞理工学院计算机科学系，广东东莞 523106； 2. 东莞理工学院电子工程系，广东东莞 523106） 摘 要  本文给出了800/900MHz频段无线电波的近海海面传播模型。模型对海面电波传播的路径损耗的理论预测与实测的结果符合良好。本工作对近海海面无线通信系统网络的和优化具有一定的指导意义。 关键词  海面移动通信系统；传输损耗；传播模型 A Propagation Model for Ocean-mobile Radio Communication Systems WANG  Yaxun1  TAN  Qiquan2  WANG  Shanjin2 (1.Department of Computer Science, Dongguan University of Technology, Dongguan,Guangdong 523106, China； 2. Department of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan,Guangdong 523106, China) Abstract: A propagation model which is fit for Ocean-Mobile Radio Communication Networks operating in the 800/900MHz frequency range is presented；The radio transmission loss prediction of the model about the radio electromagnetic wave propagating on the ocean is in agreement with the experimental results；The conclusion of this paper will have some helps in plan and optimization of Ocean-Mobile Radio Communication Networks. Key words: Ocean-mobile radio communication，Transmission loss，Propagation model 1．引言 在过去的几十年，随着无线通信系统的迅猛发展，人们对800/900MHz频段无线电波的传播特性进行了广泛的研究。通过研究无线电波的传播特性，获得所研究频段电波的传输损耗及接收场强信号的预测方法，建立所谓无线电波传播模型。经过分析与模型相关的电波传播环境、传播路径等因素，不断提高对所研究电波传输损失的预测能力，从而改善和提高移动通信系统的整体性能。目前，关于无线电波的传播模型已有数十种之多，如自由空间模型、Bullington模型和Okumura模型等等【1-3,5】，这些模型都是在特定的传播环境中获得的，具体应用时要根据环境条件的不同，增减相应的校正因子。 至今为止，虽然可供参考的电波传播模型有数十种之多，但绝大多数是针对陆地传播环境的。本文对800/900MHz无线电波在海面上的传播特性进行了分析研究，给出其海面近似传播模型，且与实测数据进行了对比，发现在一定传播距离内，符合良好。研究的结论对近海海面无线通信网络规划和优化具有一定的指导意义。 2. 近海海面无线电波传播模型 在一定范围和气候条件下的海面可以近似为一个光滑的球体。虽然由于地球面曲率的影响，导致直射信号在垂直面与基站天线主瓣方向成一定的夹角，但在一定的传播距离内，此夹角远远小于天线方向图的半功率角，因此，在后面的分析中没有考虑由此而引起的天线增益的变化。同时，借鉴陆地电波视距传播理论，若无线电波海面视距传播的距离为 ，根据接收点离开发射天线的距离，称小于0.7d的区域为明区，0.7d～(1.2～1.4)d的区域为半阴影区，大于(1.2～1.4)d的区域为阴影区【4】。实际上它们之间的分界也不是这样明显，往往是个渐变的过程，且随环境等因数而有所变化。 在研究电磁波海面传播特性时，为简洁起见，我们假设在明区的大部分范围内接收机所接收的电波信号近似由直射电波信号和海面的一次反射波信号组成。虽然海面上有波浪，但根据雷利准则，在一般情况下，在距离基站十公里以外的海面区域，海面反射就可以看作是镜面反射【7】。而通常海面近海覆盖的目标区域在10Km～120Km范围内，是可以满足近似要求的。 2.1海面明区无线电波的传播损耗 2.1.1在明区的范围内，从基站到十公里的较近一段区域，根据雷利准则，由于海面反射不能视为镜面反射，但到达接收机的信号以直射波为主，我们以自由空间传播模型为基础描述之。传播的路径损耗的近似公式为【6】： (1) 式中 为传播距离， 为电波频率， 为海面修正因子。 2.1.2从十公里到0.7倍的视距范围内，到达接收机的信号由直射波和海面的一次反射波信号组成。传播的路径损耗的近似公式为【6】： (2) 和 分别为发射天线及接收天线的高度， 为传播距离， 为海面修正因子。 2.2海面半阴影、阴影区无线电波的传播损耗 进入半阴影区以后，到达接收机的电磁波已难以区分直射波和反射波，此时远处的电磁场应通过绕射法获得。设 和 分别为发射天线及接收天线的高度，D为传播距离，R为地球半径，球坐标的球心取在地心，发射天线位于极轴 上，在条件 下，绕射电磁场为【7】： (3) (4) (5) 其中 是天线的参量， 为电波波长， 为接收机在球坐标中的坐标参量， 为自由空间波数， 称为电波损耗因子，它反映了该区域环境导致电磁波的损耗情况： 是 对 的一阶导数 式中： 和 分别是发射点和接收点的高度增益函数。具体为： 是第一类Airy函数。 是方程 的根。 对超高频段的电磁波，考虑到 ， 是考虑到大气折射时，地球的等效半径， ＝4R/3。当令 时，电波损耗因子可表为： 其中 是方程 的根。如果把传播距离和收、发天线高度对应表示成无量纲的距离和高度L、 和 ，相应地无线电视距可表为 一般，天线架高 总是比波长大得多，这时，上面电波损耗因子 的级数只需取到第一项【7】，即 (6) 单位是dB。其中 是参数 的函数。L为 因此该区域电磁波传播的路径损耗可描述为： (7) 其中 为传播距离， 为电波频率， 为海面修正因子。L和De可具体表为： W0则根据 的值，通过查图1得到【7】。 图1  与 的关系曲线 3. 实测验证 如前所述，在0.7倍的视距传播范围内，我们主要采用了基于自由空间模型和反射波模型的路径损耗模型，实测说明了我们假设是可行的。这里主要证实半阴影区的绕射理论模型的可行与否。图2给出的是绕射模型的理论预测与实测结果的对比分析图。横坐标表示传播距离，单位是km,纵坐标表示接收功率，单位是dB。实测数据来源于中兴通讯CDMA事业部的研究项目。测试地点位于海南的近海海面，测试条件：发射机功率：43dBm，频率:870MHz，发射天线高度:75m，接收天线高度:20m，发射天线增益:2.15dbi,馈线损耗3dB。海面修正因子 为4dB。图中的粗实线代表理论模型预测结果，细线表示实测数据。由图2可见，在进入半阴影区后，理论预测与实际测量的结果数据走势一致，符合良好。 图2  高频电磁波在海面半阴影区的传播特性 4.小结  本文给出了800/900MHz无线电波海面近海的传播模型，实测结果与模型的理论预测符合良好。该模型对移动通信系统的近海海面无线通信网络规划和优化具有一定的指导意义。 文中部分研究资料来源于作者在中兴通讯CDMA事业部工作时的课题项目—“800MHZ频段电磁波海面传播的研究”。同时，要感谢中兴通讯CDMA事业部网规仿真部王辉博士等许多同志，本文中的部分内容参考了与他们的合作研究成果。 参 考 文 献 [1]  Okumura S,Ohmori Y E, Kawano T. Field strength and its variability in VHF and UHF land-mobile radio service. Reviews of the Electrical Communications Laboratory(Japan), 1968,16:825~873 [2]  Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1980, 29:317~325 [3]  Bullington, K. Radio Propagation for Vehicular Communications. IEEE Trans. On Vehicular Technology, 1977,26:295~308 [4]  姚永炀 著，微波传播工程计算. 北京：人民邮电出版社，1992 [5]  马双久，800/900MHz频段移动无线通信系统的场强预测. 现代电信科技，1994，11：21~28 [6]  Jhong Sam Lee  Leonard E.Miller著，《CDMA系统工程手册》，人民邮电出版社，2001 [7]  熊皓 等编著. 无线电波传播. 北京：电子工业出版社，2000 王亚迅 男，1992年毕业于华南理工大学，获工学硕士学位。主要从事电磁场的数值计算等方面的研究。 谭启泉 男，2003年毕业于西南交通大学，获工学博士学位。主要从事磁浮列车、地铁通信和电磁兼容等方面的研究。 王善进 男，2002年毕业于东南大学，获工学博士学位。主要从事微波、毫米波电子学等方面的教学和研究。 图1 图2