近岸海陸結(jié)合場景６ ＧＨｚ 以下頻段無線信道測量與建模

摘 要：海洋通信是６Ｇ 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵場景。海洋信道特性分析與建模對海上通信系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和部署規(guī)劃具有重要意義。關(guān)注海岸邊的岸－船通信場景，介紹了在５． ８０、５． ４５、３． ９０、３． ００ ＧＨｚ 頻段開展的無線信道測量活動，提取并建模了岸邊發(fā)射機(jī)與運(yùn)動船舶之間無線鏈路的關(guān)鍵信道參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)存在于近岸區(qū)域的散射體以及沿海岸線分布的建筑群會對信道造成差異化影響?；趯?shí)測數(shù)據(jù)給出了時變抽頭延遲線（Ｔａｐｐｅｄ ＤｅｌａｙＬｉｎｅ，ＴＤＬ）架構(gòu)參數(shù)化模型。針對多徑分量豐富的近岸區(qū)采用５ 抽頭模型，并通過設(shè)置隨機(jī)時變抽頭表征了場景中偶然存在的高時延多徑分量。仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)概率密度分布的科爾莫戈洛夫－ 斯米爾諾夫檢驗(yàn)（ＫｏｌｍｏｇｏｒｏｖＳｍｉｒｎｏｖ，Ｋ-Ｓ）統(tǒng)計(jì)量為０． １１，ＫＬ 散度為０． ６５，研究結(jié)果可為近岸場景岸－船通信技術(shù)的設(shè)計(jì)和部署提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋信道；信道測量；路徑損耗；抽頭延遲線模型；信道仿真

中圖分類號：ＴＮ９２９． ５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０５－０８５４－１４

０ 引言

隨著通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，新一代移動通信技術(shù)為各行業(yè)提供了快速可靠的通信服務(wù)，如高速鐵路通信［１］、車載通信［２］。海洋產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也需要依托新一代移動通信技術(shù)向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。作為擁有３００ 多萬平方千米管轄海域和１． ８ 萬千米大陸海岸線的海洋大國，我國陸續(xù)出臺了數(shù)字海洋、智慧海洋、智能航運(yùn)等政策。同時，由于重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)一般沿近岸水域設(shè)立，這些水域承擔(dān)著許多重要的國家任務(wù)和海洋活動，例如近岸水域養(yǎng)殖和漁業(yè)、石油和天然氣的勘探與生產(chǎn)。因此，需要建立高速可靠的無線通信系統(tǒng)以保證船舶與船舶、船舶與地面之間的穩(wěn)定無線連接。

傳統(tǒng)的近海通信系統(tǒng)主要包括海上無線電通信、海上衛(wèi)星通信和基于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基移動通信［３］。海上無線電通信覆蓋范圍小、數(shù)據(jù)速率低；衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于空地距離限制導(dǎo)致傳播時延大、實(shí)施成本高。現(xiàn)有的海上無線通信系統(tǒng)難以滿足智慧海洋的建設(shè)需求，根據(jù)６Ｇ 愿景［４－５］，未來近岸的海洋用戶應(yīng)能夠無縫接入高速的陸地通信網(wǎng)絡(luò)［６－７］，因此在陸地通信基礎(chǔ)上為近海建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想愈發(fā)受到關(guān)注。

先前研究發(fā)現(xiàn)，水上無線信號的傳播和地面通信存在差異。從無線傳播的角度來看，近岸無線信道特性會受到陸地和水域混合因素的影響［８］，考慮到水上通信與陸地通信的差異，有必要通過實(shí)際信道測量提取典型信道特征并建立信道模型。

針對近岸海陸通信場景，當(dāng)前的信道測量活動通常采用的頻段為２ ～ ８ ＧＨｚ，其中５ ～ ８ ＧＨｚ 為歐洲郵電行政會議（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｏｓｔａｌ ａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｓ，ＣＥＰＴ）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＳｔａｎｄａｒｄｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＴＳＩ）推薦的海上寬帶無線通信頻段［９］。

Ｙａｎｇ 等［１０］以５． ９０ ＧＨｚ 為中心頻率，設(shè)計(jì)了船對岸上基站的臨時移動通信網(wǎng)絡(luò)，并在膠州灣進(jìn)行了信道測量，得到了路徑損耗、功率時延譜（Ｐｏｗｅｒ ＤｅｌａｙＰｒｏｆｉｌｅ，ＰＤＰ）等信道參數(shù)的測量結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，在無其他障礙物的船－岸信道中，水面的反射、散射以及遮蔽效應(yīng)是影響時延擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。此外，采用２． ０７５ ＧＨｚ 的中心頻率，實(shí)現(xiàn)了長距離（１５、４５ ｋｍ）的岸－船通信，測量了多種信道統(tǒng)計(jì)特性，并提出了多種大尺度路徑損耗模型［１１］。南京信息工程大學(xué)團(tuán)隊(duì)在中國南海地區(qū)針對觀測平臺與船之間的信道進(jìn)行了相關(guān)測量，并利用多種分布對測量得到的小尺度和大尺度衰落數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示對數(shù)距離模型的預(yù)測結(jié)果誤差最小，萊斯分布對小尺度衰落數(shù)據(jù)擬合效果最佳［１２］。Ｓａｎｄｒａ等［１３］采用５． ６０ ＧＨｚ 中心頻率，在開闊海域進(jìn)行了信道測量，得到了萊斯Ｋ 因子和相干帶寬等信道參數(shù)，驗(yàn)證了海陸場景下船－ 岸信道的快時變特性。

盡管已經(jīng)開展一些關(guān)于近岸信道測量的工作，但對海陸場景相關(guān)的信道特性依然了解較少。一方面，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開展的幾項(xiàng)測量活動，主要集中在２． ４０、５． ２０、５． ８０ ＧＨｚ 頻段［１４－１５］，對其他頻段傳播特性的研究不足。此外針對海面散射多徑和岸上建筑物散射多徑等的小尺度測量研究也不充分。另一方面，近岸無線電傳播條件具有不同于陸地電磁環(huán)境的特點(diǎn)，３ＧＰＰ 等５Ｇ 標(biāo)準(zhǔn)制定組織發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃參考模型不能用于海陸通信場景，也沒有適用于海洋信道的參數(shù)化模型，這將限制海陸通信系統(tǒng)性能的優(yōu)化和可靠性的提升，不利于未來近岸通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署。

為了解決上述問題，在我國福建省沿海進(jìn)行了近岸寬帶信道測量，獲得了４ 個頻段的信道數(shù)據(jù)。測量的中心頻率包括近岸通信推薦頻段５． ４５ ＧＨｚ和５． ８０ ＧＨｚ，同時對３． ００ ＧＨｚ 和３． ９０ ＧＨｚ 頻段進(jìn)行了補(bǔ)充測量，以填補(bǔ)該頻段研究的不足。本文主要貢獻(xiàn)如下：

① 詳細(xì)討論了近岸場景中兩條測試路線，以及５． ４５、３． ００、５． ８０、３． ９０ ＧＨｚ 四個頻段的無線傳播特性，提供了路徑損耗、陰影衰落、小尺度衰落分布、萊斯Ｋ 因子、ＰＤＰ、多普勒功率譜等信道參數(shù)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)性建模。

② 為表征海陸場景下的寬帶多徑信道，提出了基于時變抽頭的改進(jìn)馬爾可夫抽頭延遲線（ＴａｐｐｅｄＤｅｌａｙ Ｌｉｎｅ，ＴＤＬ）模型。發(fā)現(xiàn)歸一化的抽頭幅值符合對數(shù)正態(tài)分布，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)均方根時延擴(kuò)展的概率密度函數(shù)對比，時變抽頭模型的科爾莫戈洛夫－斯米爾諾夫檢驗(yàn)（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ-Ｓｍｉｒｎｏｖ，ＫＳ）統(tǒng)計(jì)量和ＫＬ 散度分別達(dá)到０． １１ 和０． ６５，相較于無時變抽頭模型，仿真結(jié)果有更好的準(zhǔn)確度。