海上VHF無線通信傳輸損耗

陳 亮， 金永興， 胡勤友， 湯可成， 高萬明(.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 0306； .交通運(yùn)輸部 東海航海保障中心，上海 00086)

海上VHF無線通信傳輸損耗

陳 亮1， 金永興1， 胡勤友1， 湯可成2， 高萬明2
(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306； 2.交通運(yùn)輸部 東海航海保障中心，上海 200086)

以海上甚高頻(Very High Frequency, VHF)寬帶數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)為研究對象，結(jié)合海上通信環(huán)境的特有屬性，利用電磁波相關(guān)理論，在合理選用和優(yōu)化現(xiàn)有獨(dú)立分散數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完整而簡潔的海上VHF通信傳輸損耗模型、確定有效可行的海上VHF通信傳輸損耗計(jì)算流程。對影響傳輸損耗的相關(guān)物理因素進(jìn)行建模，給出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，并分析其與傳輸損耗間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明：隨著傳輸距離增加，海上VHF通信傳輸損耗的增長幅度在不同的距離區(qū)段內(nèi)具有不同的波動特征。計(jì)算結(jié)果有助于在具有較少的先驗(yàn)信息的條件下快捷地計(jì)算出海上VHF通信傳輸損耗，為提升海上無線通信質(zhì)量、設(shè)計(jì)并建立海上VHF寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

船舶工程；海上VHF；海上通信；傳輸損耗；傳輸模型

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化不斷深入，我國海上船舶運(yùn)輸與港口物流事業(yè)迅速發(fā)展，海上無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量和船岸之間、船舶之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)交流需求快速增加。目前，海上通信存在海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信費(fèi)用太高而制約其使用范圍、海上無線電通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率不能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需要等問題；此外，海上無線通信的發(fā)展需求與有限的頻率資源之間的矛盾制約現(xiàn)代化港口和近岸船舶高速數(shù)據(jù)通信發(fā)展的問題也越來越突出。甚高頻(Very High Frequency，VHF)作為近距離語音通信的主要手段已有幾十年海上應(yīng)用的歷史，在海上通信中發(fā)揮著巨大的作用，但存在頻帶窄、通信容量小等問題，無法很好地適應(yīng)多種高速率應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸。隨著新一代無線通信技術(shù)[1]不斷發(fā)展，海上VHF寬帶數(shù)據(jù)通信將得以實(shí)現(xiàn)。

海上VHF寬帶數(shù)據(jù)通信有別于傳統(tǒng)的語音通信，對通信系統(tǒng)誤碼率的標(biāo)準(zhǔn)[2]要求較高，實(shí)際通信效果依賴于不同海上媒介和海況條件下傳播的電磁波。電磁波在海上傳輸過程中會受多種物理因素影響而造成傳輸損耗，這將直接影響海上船舶接收VHF數(shù)據(jù)通信信號的效果。對于海上VHF數(shù)據(jù)通信的發(fā)展研究而言，海上的電波傳播無線信道損耗模型是最基本的，因此在設(shè)計(jì)海上VHF寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)時，有必要對海上無線信號的傳輸損耗進(jìn)行分析，根據(jù)信號在海上傳輸時的損耗合理設(shè)計(jì)VHF數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，以獲得較好的通信效果。

1 電磁波的傳輸損耗

電磁波從發(fā)射天線輻射出去后，需通過某一自然環(huán)境區(qū)域傳輸至相關(guān)設(shè)備的接收天線上，以完成通信、導(dǎo)航和雷達(dá)探測等。[3]電磁波在不同介質(zhì)中傳輸時，將不可避免地產(chǎn)生衰減、時延和畸變等，使信號的傳輸質(zhì)量下降。電磁波在傳輸過程中產(chǎn)生的衰減是因傳輸距離增加產(chǎn)生的自然擴(kuò)散，傳輸介質(zhì)與障礙物等對電磁波的吸收及其造成的電磁波散射、繞射、折射和反射等引起的。[4]

目前已有的電磁波傳輸?shù)膱鰪?qiáng)預(yù)測模型是通過在不同區(qū)域和自然地形條件下實(shí)測得到大量數(shù)據(jù)，并運(yùn)用數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法獲得的，主要包括平面大地模型、OM模型、Bullington模型、Okumura-Hata模型、CCIR模型、AM模型、LR模型、SK模型、Lee模型、ATP模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。[5]這些模型中，有的是由經(jīng)驗(yàn)公式組成的，有的是由經(jīng)驗(yàn)曲線組成的，例如CCIR模型是由國際無線電咨詢委員會推薦的一簇曲線，適合短波和超短波較遠(yuǎn)距離傳輸情況的場強(qiáng)預(yù)測，模型較簡單，具有國際通用性。

電磁波的傳輸損耗不僅與頻率、距離、收發(fā)天線的高度、地形和地物有關(guān)，而且還是時間、季節(jié)及經(jīng)緯度位置等諸多實(shí)時變化因素的函數(shù)，對其進(jìn)行精確計(jì)算非常困難。[6]有關(guān)電磁波傳輸損耗的計(jì)算已有一些經(jīng)驗(yàn)公式[7]，但是關(guān)于設(shè)計(jì)一個適用于計(jì)算海上VHF通信傳輸損耗的簡潔有效的模型的研究還很少。對此，利用電磁波相關(guān)理論成果，合理選用和優(yōu)化各種電磁波傳輸模型，給出完整而簡潔的海上VHF通信傳輸損耗的計(jì)算流程，從而為建立相應(yīng)的實(shí)用模型提供支撐。

2 海上VHF通信傳輸損耗計(jì)算模型

海上VHF無線信號最主要的傳輸方式是視距傳輸，有較多因素對傳輸損耗和接收點(diǎn)場強(qiáng)有影響。導(dǎo)致海上VHF通信傳輸損耗的物理原因主要有自由空間傳輸損耗、海面反射傳輸損耗、海面空氣吸收損耗以及海面惡劣環(huán)境導(dǎo)致的額外傳輸損耗等。[8]由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，較難通過仿真確定其對傳輸損耗的影響程度，因此僅逐一分析前述相關(guān)損耗的計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上確定有效可行的海上VHF通信傳輸損耗計(jì)算流程。

2.1海上VHF頻段特性

海上VHF使用的頻段為156～174 MHz，該頻段電磁波波長為1.72～1.92 m。由于海上可遮擋信號的障礙物較少，因此VHF無線信號在海上傳輸時余隙大，繞射損耗比在陸地上傳輸時??；同時，傳輸余隙增大，增加了海上VHF無線信號的反射。[9]由于電離層不會反射VHF頻段的電磁波信號，因此VHF無線信號又被限制在一定的范圍內(nèi)，不會對距離較遠(yuǎn)的傳輸設(shè)備產(chǎn)生干擾。此外，其還不易受大氣噪聲及其他頻率較低的電磁波信號的干擾。

2.2海上自由空間傳輸損耗

在海上VHF通信傳輸模型中，VHF無線信號主要通過視距傳輸，可視為自由空間傳輸。自由空間傳輸?shù)膿p耗是由無線電波逐漸遠(yuǎn)離信號發(fā)射點(diǎn)，傳輸?shù)哪芰吭谧杂煽臻g擴(kuò)散引起的。海上自由空間傳輸損耗Lbf為

Lbf=32.45+20lgf+20lgd

(1)

式(1)中：f為信號工作頻率，MHz；d為收發(fā)天線之間的距離，km。根據(jù)海上VHF的工作頻段，f均取157 MHz，收發(fā)天線之間最遠(yuǎn)距離取海上視距(約為50 km)。

海上自由空間傳輸損耗計(jì)算結(jié)果見圖1，根據(jù)傳輸損耗曲線，可近似認(rèn)為海上自由空間傳輸損耗與收發(fā)天線間的距離呈對數(shù)增長關(guān)系，即隨著收發(fā)天線間的距離增加，自由空間傳輸損耗呈對數(shù)增長。

圖1 海上自由空間傳輸損耗計(jì)算結(jié)果

2.3海面反射傳輸損耗

實(shí)際海上無線電波傳輸過程中接收到的VHF無線信號除了直接的視距傳輸信號以外，還有海面反射來的信號。海面與地面一樣是球面，具有寬闊無遮擋的特性，無線電波在海上傳輸時會發(fā)生反射，因此在接收端接收到的信號實(shí)際上是視距直射與海面反射的合成信號。在考慮海面?zhèn)鬏敁p耗時，除了考慮自由空間傳輸損耗以外，還應(yīng)考慮海面反射傳輸損耗。

海上VHF無線電波在海面的反射路徑見圖2，其中：C點(diǎn)為傳輸路徑的反射點(diǎn)，虛線AB為過C點(diǎn)的切線。無線電波在海面的反射滿足入射角等于反射角的反射條件[10]，因此當(dāng)收、發(fā)天線的高度h1和h2及天線間的距離d確定之后，反射點(diǎn)位置C即為一個確定的值，C點(diǎn)的位置d1必須滿足式(2)。

圖2 海上VHF無線電波在海面的反射路徑

(2)

式(2)中：d為收發(fā)天線間的距離，km；d1為反射點(diǎn)與發(fā)射端間的距離，km；d2=d-d1；K為等效地球半徑系數(shù)。設(shè)

(3)

則

(4)

過反射點(diǎn)C的切線AB把收發(fā)天線截為Δh1和Δh2兩部分。由于地球的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線的高度，因此h1和h2可用式(5)與式(6)近似表示。

(5)

(6)

(7)

式(7)中：D0為地面等效反射系數(shù)，信號在海上傳輸時該值一般比較大，當(dāng)掠射角很小時可取1，且會導(dǎo)致信號傳輸產(chǎn)生較大的衰落。設(shè)海岸電臺基站天線高度h2為50 m，工作頻率f為157 MHz，船臺天線高度h1為10 m，通信距離d為0～50 km，地球半徑a為6 400 km，地球等效半徑系數(shù)K=4/3，地面等效反射系數(shù)D0=1時，通過MATLAB計(jì)算得到反射傳輸損耗Lf與收發(fā)天線間距離的關(guān)系(見圖3)。

圖3 海面反射傳輸損耗與收發(fā)天線間距離的關(guān)系

2.4海面空氣吸收損耗

海面空氣中對電波起吸收作用的主要是氧氣和水蒸氣，其中：氧分子損耗率可根據(jù)式(8)近似計(jì)算(對于海上VHF頻段而言)；水蒸氣分子損耗率可用式(9)計(jì)算。

(8)

(9)

式(9)中：水蒸氣密度ρ取海面水蒸氣在15℃時的密度，取值為12.8 g/m3。

在海上VHF無線信號傳輸過程中，信號的主要傳輸路徑距離海面較近，因此VHF無線信號的海面空氣吸收損耗Lα可用式(10)計(jì)算，其中d為收發(fā)天線間的距離。

Lα=(γ0+γw)d

(10)

海面空氣吸收損耗與收發(fā)天線間距離的關(guān)系見圖4?？諝馕論p耗與收發(fā)天線間距離基本上呈線性關(guān)系，隨著天線間距離增加，大氣吸收損耗越來越大。

2.5海上VHF通信傳輸損耗

除了上述3種損耗以外，還有海上惡劣天氣等其他因素引起的損耗，統(tǒng)稱為額外系統(tǒng)損耗Yp。由于額外系統(tǒng)損耗不是一個穩(wěn)定的參數(shù)，準(zhǔn)確地計(jì)算其值較困難，因此在工程計(jì)算中，通常根據(jù)具體情況，用經(jīng)過反復(fù)校核的統(tǒng)計(jì)值來估算。綜合考慮前述幾種損耗，即可構(gòu)成針對海上VHF通信傳輸損耗的計(jì)算模型，其表達(dá)式為

圖4 海面空氣吸收損耗與收發(fā)天線間距離的關(guān)系

L=Lbf+Lf+Lα+Yp

(11)

L即為海上VHF通信傳輸損耗，當(dāng)不考慮額外系統(tǒng)損耗時，通過MATLAB計(jì)算可得到海上VHF通信傳輸損耗與收發(fā)天線間距離的關(guān)系(見圖5)。

圖5 海上VHF通信傳輸損耗與收發(fā)天線間距離的關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可知：海上VHF無線信號在0～10 km傳輸距離中，傳輸損耗隨傳輸距離的增加近似呈線性增加；在10～25 km傳輸距離中，傳輸損耗隨傳輸距離的增加呈小幅波動增長；在25～50 km傳輸距離中，隨著傳輸距離增加，傳輸損耗增長幅度的波動較大。

3 結(jié)束語

針對海上VHF通信環(huán)境的特性，利用電磁波的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了完整而簡潔的海上VHF通信傳輸損耗模型和傳輸損耗計(jì)算流程，并給出了相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。運(yùn)用該模型，可在具有較少的先驗(yàn)信息的條件下快捷地計(jì)算出海上VHF通信傳輸損耗，為提升海上無線通信質(zhì)量、設(shè)計(jì)海上VHF寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支撐，具有良好的工程實(shí)用價值和實(shí)際意義。

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TransmissionLossinMaritimeVHFCommunicationsSystem

CHENLiang1，JINYongxing1，HUQinyou1，TANGKecheng2,GAOWanming2
(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China；2.Donghai Navigation Safety Administration MOT, Shanghai 200086, China)

The specific attributes of the maritime communications environment are studied from the angle of broadband Very High Frequency(VHF) communication and a concise comprehensive model and the calculation process of maritime VHF communication transmission loss is designed base on the combination of a selection of optimized existing seperate mathematical models. The effects of the physical factors which influence the transmission loss are simulated and the relation between the transmission loss and these factors is found. The calculation results show that the maritime VHF communication transmission loss presents different fluctuation features in different range sections. The calculation results can be used to estimate maritime VHF communication transmission loss when detailed environment data are not available.

ship engineering; maritime VHF； maritime communication； transmission loss； transmission model

2015-04-18

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究(2015329810030)；上海市人才發(fā)展資金(201436);上海海事大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育項(xiàng)目(2014bxlp003)

陳 亮(1987—)，男，江蘇連云港人，博士生，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程。E-mail:kcliang669@163.com

1000-4653(2015)03-0001-04

U675.75

A