包志强, 王　博, 高　帆

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121；　 2.航天科工集团 第四研究院第九总体部， 湖北 武汉 430040)



海上浮标间多径衰减因素的改进模型

包志强1, 王博1, 高帆2

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121； 2.航天科工集团 第四研究院第九总体部， 湖北 武汉 430040)

为探究浮标天线较低时的通信情况，建立了一种引入地球曲率作为新参量的海上浮标通信模型，并推导出接收场强与地球曲率半径Rc的关系。改进模型中从发射频率和天线高度两个方面，对大尺度损耗和多径衰减的影响进行仿真。仿真结果显示，对于浮标天线高度较低(1 m左右)的情况下，地球曲率半径存在对信号传输影响大，并且可以得出信号传输的最大通信距离。

浮标通信；频率；天线高度；大尺度损耗；场强

海洋浮标可在恶劣的海洋环境条件下和浮标工作寿命时间内，对海洋进行自动、连续、长期的同步监测[1]，海洋浮标是海洋观测中最重要、最可靠、最稳定的手段之一,是海洋观测资料四大来源之一[2-3]。研究浮标的通信情况，对海洋信息传递、海洋环境监测等多种海洋工程意义重大。

在海上浮标的通信技术中，通常采用多个浮标[4]，让浮标与浮标之间进行通信，以达到对相关信号更全面精确分析处理。文献[5-6]研究了浮标通信过程中数据传输对距离的要求以及不同的传输速率下对误码率的影响，文献[7]建立了不同等级海况的信道模型，研究了不同海况对通信链路的传输性能影响。

在浮标模型的建立和仿真中，尚未有提及地球曲率存在对信号传播的影响，本文拟引入地球曲率，建立多径传播模型，并通过计算机仿真，得出发射频率和天线高度对传播过程中多径衰减的影响。

1　模型建立

海面存在反射作用，信号在通信中存在多径影响，如果只考虑两路传播的影响作用，一般的传输模型如图1所示。

图1　海面电波传播两径模型

如果在浮标天线高度较低的情况下，在信号传输过程中，地球曲率的存在就会对信号传播造成影响，就不能忽略地球曲率的存在。通过参考文献[8]对上述模型进行改进，建立一个新的改进模型如图2所示。

图2　考虑地球曲率下的海面电波传播两径模型

图中h1和h2为两个天线的高度，D为两天线的直视距离，h为直视路径距地面的垂直高度，当h<0时为不可通信距离，θ为入射角，Rc表示地球半径。根据几何关系可求出直接传输路径距地面高度为

h=(Rc+h1)cosφ - Rc。

(1)

其中

入射角可表示为

(2)

由于浮标在海上通信时会发生反射作用,可求出海水的反射系数R为[9]

(3)

在天线垂直极化或水平极化时，分别有

式中ε0=ε-60σλj, ε0为反射介质的复介电常数， ε为介电常数，σ为电导率，λ为工作波长。

接收天线的总场强可表示为[10-11]

E=E0(1+RejΔφ)=

E0(1+|R|e-j(φ+Δφ))。

(4)

2　信道选择

一般设计天线高度与天线工作频率的关系为：天线高度h1=c/(2f)其中c表示光速，f表示天线的工作频率。天线工作频率指天线的共振频率，或中心频率。每个天线都有一定的频率范围，在这个范围内，天线阻抗最小，效率最高，这个范围的中间最佳点即中心频率，驻波比最小，功耗最小，信号最强。所以浮标在天线高度在米为单位的情况下，工作频率应该选取在百兆频率。选择3个频率值：100 MHz，300 MHz，500 MHz进行仿真。根据Friis传输公式，接收功率为[12]

(5)

式中Pr(d)是接收功率，d为发射机到接收机之间的距离，Pt为发射功率，Gt和Gr分别为发射天线和接收天线的天线增益，λ为波长，L为传播环境无关的系统损耗系数。总的来说，L>1，但是如果假设系统硬件没有损耗，则L=1。从上式可以明显看到接收功率随距离d呈指数衰减。对于无任何损耗的系统，自由空间路径损耗为

(6)

根据式(6)，可仿真出自由空间传播损耗,如图3所示。图3中，参数Gt=Gr=1，得到三种频率情况下的自由空间传播损耗。可以看到传输载波频率越高，对于同样的通信距离，大尺度损耗越严重，通过减小载波频率可以降低传输损耗。但是，减小载波频率会对天线的尺寸要求更大，而对于浮标这样的小型通信设备来说很难做到。

图3　不同频率下自由空间传播损耗

3　仿真结果及分析

为探究不同频率、不同极化方式下可视通信距离内的归一化场强的变化情况，浮标天线的高度为0.6 m，海水的介电常数为ε=80 F/m、电导率σ=4 S/m，工作频率在100 MHz，300 MHz和500 MHz中选择。仿真结果如图4所示。

(a) 天线垂直极化

(b) 天线水平极化

当浮标天线的高度为5米，其他条件不变的情况下，仿真结果如图5所示。

(a) 天线垂直极化

(b) 天线水平极化

从图4中可见，不同极化方式下，得到的归一化场强是不同的，对于垂直极化来说，频率小的发射信号衰减相对较慢，而水平极化刚好相反。相比较而言，水平极化相对垂直极化情况恶劣许多，两者相差30～40 dB的差距。另外，对于不同的频率来说，垂直极化和水平极化差距都有一些不同，那么大多数情况下，这3种频率的归一化场强相差不大，因此对于反射损耗来说，与我们选择的这几种频率关系不大。

对比图4和图5对比可知，天线高度越高时，衰减越小，但实际中浮标天线不可能做得太高，只能选取适合的天线高度进行通信。并且，仿真结果还表明信号传输存在一个极限传输距离，天线高度不同，极限传输距离也不同，如天线高度为0.6 m时，最大传输距离为5.5 km。当距离超过极限传输距离时，发射天线和接收天线的直视路径距地面高度小于零，浮标间不能进行通信。

4　结语

在浮标通信过程中浮标天线高度较低的情况下，地球曲率存在对信号传输影响较大，加入地球曲率参量，分析仿真了发射频率和天线高度两个方面对信号损耗的影响。结果表明，加入地球曲率后的模型，不仅可得到信号衰减规律，而且可得出浮标通信时的极限通信距离。本结论适用于浮标天线较低的情况下，如果在天线高度很高时，地球曲率存在对信号传输损耗影响不大可忽略，用一般模型分析即可。

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[责任编辑:陈文学]

An improved model on sea buoy multipath fading factors

BAO Zhiqiang1,WANG Bo1,GAO Fan2

(1.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China；2. The Ninth General Department of the fourth Research Institute, Aerospace Science and Technology Group, Wuhan 430040,China)

To explore the communication condition of the buoy antenna, the earth’s curvature as a new parameter is introduced to establish the buoy communication model, and the relationship between the received field strength and the earth’s curvature is derived. Effects on the large-scale losses and strength of the magnetic field are simmulated in the improved model from the transmission frequency and transmitting antenna height. Simulation results show that, where the buoy antenna height is lower (around 1 m), the existence of the earth’s curvature has great influence on the signal transmission, and the maximum communication distance between the two antennas is also be calculated.

buoy communication, frequency, an antenna height, large-scale loss, field

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.05.002

2015-10-30

国家自然科学基金资助项目(61271276)；陕西省自然科学基金资助项目(2012JQ8011)

包志强(1978-)，男，博士，副教授，从事通信信号处理研究。E-mail:baozhiqiang@xupt.edu.cn

王博(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为信号与信息处理。E-mail:479801490@qq.com

TN911.4

A

2095-6533(2016)05-0011-04