南海環(huán)境下基于白頻譜的WLAN超遠距離覆蓋

陳褒丹，任 佳，莫惠芳

(海南大學信息科學技術(shù)學院，海南?？?70228)

責任編輯:薛 京

海洋信息化建設(shè)是國家海洋經(jīng)濟發(fā)展和海洋領(lǐng)土管控的重要需求，也是實施我國海洋可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的技術(shù)支撐。海洋信息化是陸地信息化的延伸，實現(xiàn)基礎(chǔ)為海上無線通信技術(shù)。海上無線通信技術(shù)不是陸地通信技術(shù)的簡單移植，需要對陸地通信技術(shù)進行改造，以適應(yīng)海上無線電傳播特征、遠距離高速率傳輸和低使用成本等要求。

目前海上無線通信方式主要有單邊帶短波電臺、甚高頻無線電話、超短波對講機、海岸蜂窩移動通信網(wǎng)和衛(wèi)星移動通信網(wǎng)等［1］。但上述通信方式下無法達到超遠距離高速率傳輸和低使用成本等要求。例如:海上甚高頻無線電話主要用于船—岸和船舶間近距離(小于20海里，1海里=1.852 m)話音通信;蜂窩移動通信價格較低，主要用于近海、湖泊、長江小型船舶的日常通信問題;海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(如INMASAT-F系統(tǒng)、Fleet-Broadband海事寬帶網(wǎng))適合遠洋公海船舶通信，但終端設(shè)備購置費用、維護更新費用和通信資費較高。

針對上述問題，文獻［2］利用微波實現(xiàn)岸—海無線寬帶通信，分析了20 km傳輸距離內(nèi)微波接收功率和通信誤碼率，但無法滿足遠距離覆蓋要求。文獻［3-4］分析了蒸發(fā)波引起的微波超視距傳輸損耗情況。文獻［5-6］討論了利用160 MHz VHF頻段構(gòu)造海事數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想，但該方案和現(xiàn)有船載通話設(shè)備會產(chǎn)生干擾。此外這些研究尚缺乏工程實現(xiàn)的具體技術(shù)途徑。本文主要針對南海海域頻譜占用度的特點以及海面?zhèn)鬏斕匦?，采用“空白電視波段”彌補海上通信頻譜的缺口，設(shè)計了一種基于空頻譜的海上無線電波傳輸損耗模型，以尋找適合超遠距離覆蓋且損耗盡可能低的無線傳輸方式。

1 基于白頻譜的南海寬帶超遠距離覆蓋

1．1 南海海域電視空白頻段占用度分析

空白電視頻段是指在分配給各個電視頻道之間未被使用的空白頻率資源，本質(zhì)是間隔電視頻道、避免傳輸干擾的頻率段［7］。電視頻率規(guī)劃時，受保護信號的要求，電視頻率分配不管是地理上或者頻域上來看都非常稀疏，大片區(qū)域是空置的，由此產(chǎn)生了電視空白頻段。

數(shù)字電視由于頻譜效率的提高，在實現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)變之后，將釋放UHF頻段高端頻率資源［8］。讓出的電視空白頻段頻率均低于1 GHz，相對于現(xiàn)行2.4 GHz或5.8 GHz頻段，其頻率低、電波衰減小，非常適合海上遠程無線傳輸。

我國南海海域面積廣，人口稀少，廣播電視覆蓋只能采用直播衛(wèi)星電視覆蓋技術(shù)實現(xiàn)。而南海海域面積達356萬平方千米，海域形狀近似圓形，周邊城市的廣播電視信號已基本無法覆蓋到，因此南海海域廣播電視VHF/UHF頻段的頻譜占用度很低，甚至為零。未來南海海域廣播電視的覆蓋從技術(shù)角度和經(jīng)濟角度研究也不可能采用開路的VHF/UHF電視頻段進行覆蓋。所以，利用“電視空白頻段”等優(yōu)質(zhì)頻率資源用于構(gòu)建南海海島的超遠距離覆蓋的無線局域網(wǎng)絡(luò)是可行的，是非常適合進行“電視空白頻段”無線電頻率資源利用開發(fā)研究試驗的。

表1是電視波段頻率劃分表，由表1可知:空白電視頻段的資源相當豐富，可以為無線網(wǎng)絡(luò)提供合適的頻段，特別是UHF頻段，該頻段頻率較高，相對于VHF頻段，視距傳播距離更遠，傳輸損耗也不是很高。

表1 我國電視波段頻率劃分表

一般空白電視頻段選擇UHF波段700 MHz，與傳統(tǒng)WiFi設(shè)備使用的2.4 GHz頻段相比，同樣的功率下傳播距離要大的多，空白電視頻段無線網(wǎng)絡(luò)速度比目前3G或者4G移動寬帶技術(shù)都要快，一般是400～800 Mbit/s。并且只需原WiFi的無線接入點數(shù)量的1/4～1/5，這樣會大大減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

FCC的法令要求，所有免執(zhí)照電視空白頻段設(shè)備必須通過互聯(lián)網(wǎng)查詢“頻率使用數(shù)據(jù)庫”，以便保護電視頻道和無線話筒免受干擾并確定何時何地使用該空白頻段。免執(zhí)照的設(shè)備時刻偵測本頻段的使用環(huán)境狀況，一經(jīng)感知有電視或者無線話筒信號出現(xiàn)，必須停止使用該空白頻段。由于南海海上傳播距離比較遠，傳輸損耗也很難干擾到周邊城市的正常廣播電視節(jié)目，無需檢查頻段使用度，可以放心使用該空白頻段進行無線電通信。

1．2 空白電視頻段傳輸特性分析

由于采用1 GHz以下的電視頻段頻率進行海上傳輸覆蓋，與現(xiàn)在采用的2.4 GHz或5.8 GHz的WLAN系統(tǒng)相比，傳輸距離是現(xiàn)在的3倍，覆蓋范圍是現(xiàn)在的10倍，按采用700 MHz傳輸頻率試驗，在4W的有效全向輻射功率EIRP條件下，單站傳輸距離可達30 km，多站接力傳輸可達100 km，可實現(xiàn)南海各海島之間的WLAN傳輸覆蓋。

為解決通信速率和抗干擾，采用正交頻分多址(OFDMA)調(diào)制方式，其頻譜效率可做到3 bit·s-1·Hz-1以上，這樣一個空白廣播電視頻道(頻率帶寬8 MHz)上總的物理層速率可以達到24 Mbit/s以上。此外，利用OFDMA技術(shù)子載波可分配的優(yōu)勢，可方便整合物理上不連續(xù)的頻率資源，讓認知無線電高效利用空白電視頻段成為可能。OFDMA調(diào)制可用于WLAN上行和下行信道傳輸?？紤]到WLAN應(yīng)用于海面通信時的傳播時延在25～50μs的數(shù)量級內(nèi)，為減小循環(huán)前綴時延對OFDMA同步的影響，在每個電視信道內(nèi)采用2K FFT的OFDMA。

1．3 南海島嶼WLAN超遠距離覆蓋方案

采用Ad Hoc和Mesh組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建無基礎(chǔ)設(shè)施的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個節(jié)點既是終端也是轉(zhuǎn)發(fā)基站，提供了網(wǎng)絡(luò)高冗余性，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母呖煽啃裕瑹o線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持高速移動，支持終端速度在80 km/h的無線通信，即使是漁船用戶在移動過程中仍然可以保持無線連接不間斷。以永興島為系統(tǒng)中心，它負責向附近島嶼，諸如東島(距離40 km)、永樂島(距離70 km)、金銀島(距離90 km)，通過高功率接入點(AP)以及高增益天線傳輸重要及實時的信息，如圖1所示。

圖1 南海島嶼WLAN超遠距離覆蓋(截圖)

由于這些島嶼與永興島之間沒有其他的障礙物，因此是最佳的Mesh路徑。各個島嶼的無線節(jié)點既是終端也是轉(zhuǎn)發(fā)基站，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以收發(fā)信號，都可同時作為AP和路由與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。如果某個節(jié)點由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣?，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以自動選擇到另一個流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。為了使無線覆蓋的范圍更廣，以及應(yīng)對總調(diào)度區(qū)的突發(fā)故障，采取在遠距離的島嶼上增加高功率接入點的方案，獲得備用Mesh路徑。

2 電磁波在海面?zhèn)鬏敁p耗的特點

2．1 海面無線電波傳輸損耗模型分析

海上移動通信和陸地移動通信大不相同，海洋表面是一個不可預(yù)測的模型，由于風吹起的海浪使信號傳輸表面不平坦，船舶本身的存在使信號具有反射、衍射、多徑效應(yīng)、多普勒頻移現(xiàn)象，并且地球曲率也影響信號傳輸，隨著電波傳播距離增加，球面波的自然擴散會引起衰減。因此海上移動通信并不認為是一個直射波傳播模型，當發(fā)送機發(fā)出信號時，應(yīng)該考慮到散射、衍射和反射，并認為海面是一個不規(guī)則的地形。

目前，針對海上移動信道特點，文獻［9］認為海上無線電波可以看作自由空間傳播;文獻［10］在福建漳州對海面1 800 MHz信號進行了岸—海的海上無線傳播特征的測試;文獻［11］提出Okumura-Hata模型和Irregular Terrain Methodology(ITM)模型，預(yù)測海上移動信道的損耗。Okumura-Hata模型具有一般通用性，在幾千米到幾百千米范圍內(nèi)被廣泛用來預(yù)測接收信號的場強;ITM模型不僅考慮了介電常數(shù)、海面導(dǎo)電率、海面折射率以及海面粗糙度等與地形有關(guān)的因素，還考慮了不同的氣候類型和天線的位置標準等，更適合海上傳輸損耗預(yù)測。然而，面對海上移動信道的實際情況，Okumura-Hata模型受到地形特征、周圍環(huán)境等的限制，雖然ITM模型適合海上傳輸損耗預(yù)測，但是ITM模型不能夠預(yù)測短距離1 km以內(nèi)的場強，同時也沒有考慮到接收機周圍環(huán)境的影響因素。

為了能夠更好地預(yù)測海上移動信道傳輸路徑損耗值，提出了基于改進的ITM信道傳輸模型進行海上無線電波傳播的損耗中值預(yù)測。改進的方法主要是利用雙徑模型對ITM模型進行修正。

2．2 基于ITM模型下的雙徑反射模型

ITM模型頻率適用范圍為20～40 000 MHz，收發(fā)天線高度為0.5～3 000m，覆蓋半徑1～2 000 km，表面折射率為250～400 Ns。本文主要在ITM模型的基礎(chǔ)上考慮近島區(qū)域內(nèi)海面存在一條較強的直射波信號和一條海面反射波的雙徑反射情況，該雙徑反射預(yù)測模型示意如圖2所示。

圖2 雙徑反射模型示意圖

如圖2所示，在該情況下，ITM模型中的中視距和海面反射的路徑差為

式中:r1，r2分別是視距傳輸路徑長度、反射路徑長度;ht，hr是發(fā)送端天線高度、接收端天線高度;d是收發(fā)端間距。

因此，兩電場成分的相位差為

所以，路徑增益等于式(1)乘以自由空間損耗為

式中:pL(dB)是路徑傳播損耗的分貝表示形式。

2．3 仿真實驗

按照第2節(jié)設(shè)計的海島無線寬帶覆蓋方案，做出如下假設(shè):

1)島嶼基站高度為200 m，頻率700 MHz，船舶加天線高度為10 m，覆蓋范圍為50～100 km，每間隔1 km作為測試點;

2)海上氣候類型為亞熱帶海洋性氣候，存在云霧衰減;

3)海面粗糙度為1，即海面風速12～19 km/h;

4)海面介電常數(shù)為81，海面導(dǎo)電率為5，海面折射率為320 Ns;

5)天線極化方式為水平極化。

為了增加模型的可信度，采用文獻［10］的實測數(shù)據(jù)與改進的ITM模型比較，利用MATLAB軟件仿真，獲得的無線電海面?zhèn)鞑p耗如圖3所示。

圖3 實測數(shù)據(jù)與改進的ITM模型比較

如圖3所示，改進后的ITM模型的損耗預(yù)測(用實線表示)與實測數(shù)據(jù)(用星號表示)相吻合，平滑掉幾個測試數(shù)據(jù)毛刺點后模型仿真曲線與實測數(shù)據(jù)一致，由于考慮地球曲率影響，二者都在65 km處均出現(xiàn)變陡增大拐點，在超視距范圍內(nèi)傳輸損耗快速增加。而其他稍高頻段點的非視距傳播轉(zhuǎn)折點則在更遠的傳輸距離處。該實驗證明利用改進的ITM模型能夠準確反映出海面?zhèn)鬏斕匦?，為尋找合適超遠距離覆蓋且損耗盡可能低的無線傳輸方式提供幫助。

3 結(jié)束語

在無線通信快速發(fā)展的今天，頻譜的占用度日益增長，空白電視頻段的出現(xiàn)為無線通信的發(fā)展開辟了道路，WLAN作為南海海域無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的選擇，利用空白頻段傳輸信息，達到遠距離傳輸信息的目的。無線網(wǎng)絡(luò)是一個設(shè)計復(fù)雜的工程，其信號覆蓋的可規(guī)劃性要求較高，需要建立無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建模工具，科學地對無線網(wǎng)絡(luò)部署和信號覆蓋進行設(shè)計，而不僅僅依靠人力的現(xiàn)場測點來進行規(guī)劃設(shè)計。

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