关于S矢量信号源与频谱分析仪的海域无线通信系统测试分析和介绍

由于海洋经济的发展和海事活动的需求，具备高速率和稳健性的海域无线通信系统亟待研究。海浪波动、海水蒸发等独特的海洋环境特点使得现有陆地通信模型无法适用于海上。为了综合研究多种因素对海域信道的影响，一次5.8 GHz频段的海域通信测量实验于黄海进行。本次实验最大测量距离为33千米，通信带宽为20 MHz。对接收信号强度的测试结果分析表明，在南通市黄海海岸冬季气象条件下，两径模型即可较好地体现海域信道特性。

Abstract：Due to the development of the Marine economy and the need for maritime activities, wireless communication systems for maritime environment that secure robustness and high data rate are still in high demand. Different from the land, marine environment has particular channel characteristics caused by sea waves fluctuation, water vapor evaporation, etc., making the terrestrial wireless channels ineffective. In order to study the influence of various factors on the sea channel, the maritime communication measurement experiment at a 5.8 GHz frequency band was carried out in Nantong, Jiangsu. The maximum measurement distance of this experiment is 33 km, and the communication bandwidth is 20MHz. According to the received signal strength analysis of the test results, the 2-Ray model can well reflect the characteristic of maritime channel under the winter conditions in the Yellow Sea coast of Nantong City.

Key words: maritime communication, channel path loss, multipath effect

1. 引言

近年来，由于海域通信需求日渐旺盛，对海域通信网络的研究受到了广泛关注。随着滨海旅游业和海洋运输业等产业的迅猛发展，海域通信网络需要进一步完善以提供更高速率的多媒体数据传输服务、更稳定的通信质量和更低的通信成本。在对海域通信网络的研究中，无线信道特性对通信质量起到了决定性的作用。相比陆地信道，海面上散射体较少且电磁传播环境受到海面状况、大气状况等多种天气因素影响，呈现出不同于地面环境的信道特性。因此，现有的陆地信道模型并不适用于海上通信。

海域信道模型不仅与信号频率、传输距离、天线高度和移动速度等参数有关，还受到海洋气象和海面波动的影响。此前研究均未综合考虑多种海上影响因素，针对海域宽带通信网络，海域信道的测量和建模势在必行。

2. 海域无线通信系统原理

无线通信系统是利用无线电磁波实现信息和数据传输的系统，主要由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成。针对海域无线信道，接收信号强度变化可以大致分为大尺度衰落与小尺度衰落。大尺度衰落描述了在发射机与接收机距离较远时接收信号强度的缓慢变化，小尺度衰落则特指在很短距离（数个波长长度）或很短时间（数秒）上，信道的幅度、相位及多径时延的快速波动。大尺度衰落主要由路径损耗和阴影衰落造成，小尺度衰落主要由海面波动和大气散射等因素导致。为了建立一个精确的海域信道模型，需要进一步的海域信道测量实验以获取更全面的实验数据。

图1 海域通信主要衰落方式（示意）

3. 研究现状

目前，美、韩、新加坡、挪威等国家的高校和科研机构已开始海域信道的测量和建模工作。K. Yang等人对远海的发射天线和岸上的接收天线之间的信道进行了测量，并根据接收信号电平和功率时延谱，分析了天线位置对于信号传播的重要影响；Y. Bai等人研究了地面曲率对海域信号传播特性的影响，并针对WCDMA系统进行了链路预算。Y. Zhao等人考虑了海面反射和天线高度等因素，并提出了一种适用于海域信道的两径模型。J. C. Reyes-Guerrero等人针对非视距场景下的海域信道进行了测量，并与自由空间模型和两径模型进行了比较。

海洋大气环境中，特殊的大气折射率结构容易形成蒸发波导，从而使得电磁波能够传播到更远距离。Y. H. Lee等人针对视距场景下的近海海域信道进行了测量，分析结果表明当收发端距离超过阈值（与收发天线高度相关）时，蒸发波导的存在会影响路损模型。此外，Y. H. Lee等人提出了三径路损模型，该模型与蒸发波导高度、收发天线高度相关。A.Coker等人仿真分析了蒸发波导高度对信号衰减和分集的影响。

除路径损耗外，海域信道模型还需考虑由于海面波动和大气散射等因素导致的小尺度衰落。Jae-Hyun Lee等人测量并分析了小尺度衰落概率分布函数，提出相对于Nakagami-m分布和瑞利分布，小尺度衰落概率分布函数更接近莱斯分布。Kun Yang等人测试和分析了多普勒频移。Fang Huang等人考虑光滑海面和粗糙海面，通过分析得到了由直射径、镜像多径和漫射多径组成的信道脉冲响应，且该模型适用于不同载频、传输距离和海面状态。

以上研究均未综合考虑蒸发波导、海洋气象、海面波动等因素对信道的影响，因而需要进一步开展对近海海域信道的测量和建模研究。

4. 链路预算

信号在海域环境下传播时，视距内的主要传播路径有两种，即收发站点之间的直射信号和海面造成的反射信号。此外，由于地球曲率的影响，超远距离的无线电波传播在视距以外需要考虑电波绕射的损耗。海域通信网络的海面无线传播环境按照距离分为三段，以A、B、C指代，具体如下[1]：

A段为从基站到基站可视距离点，距离设为d1，该段路径损耗约为LA = 32.44+20 lg f+10γ1 lgd其中LA为路径损耗 (dB)，f为载波频率 (MHz)，d为测试位置与发射基站的距离 (km)，γ1为路径损耗斜率，取值为2。

B段为从基站可视距离点到基站和终端合并可视距离点，距离设为d2，该段路径损耗为LB=32.44+20 lg f+10γ1 lgd+10γ2 lg(d-d1)其中γ2 > γ1，取值为3。

C段为视距之外的信号作用范围，距离设为d3，该段路径损耗为LC=32.44+20 lgf+10γ1 lgd+10γ2 lg(d-d1)+10γ3 lg(d-d1-d2)其中γ3 > γ2 > γ1，取值为3.4。

假设发射天线高度ht为25米，接收天线高度hr为4米，载波频率f为5.8 GHz，最大测量距离33千米，则可估计路径损耗(见表1)。若发射功率为15 dBm，则最小接收功率仍有-63.6dBm，可见当前系统增益满足测量需要。

表1 链路预算

5. 系统架构及测试平台

本次测试搭建单入单出测试系统 (见图2)，测试蒸发波导、海面波动、海洋气象等因素对信道的影响，分析路径损耗、阴影衰落、时延扩展等参数。其中，在发射端向矢量信号源SMW200A输入Zadoff-Chu序列，实现信号的调制、数模变换和带通滤波等处理，经由喇叭天线完成发射；在接收端由全向天线接收信号，并通过信号分析仪FSW43实现信号的滤波、解调等处理。电脑设置于船舱内，通过FSW43的Remote Control功能连通信号分析仪，以控制数据收取、实时验证结果并存储数据。在发射端与接收端之间，通过GPS时钟模块提供的10 MHz信号完成同步。与此同时，由船载的天气计记录当前海域的温度、湿度等气象条件。测试系统各项关键参数见表2。

表2 测量系统参数表

(a) 矢量信号源SMW200A及其他发射端组件 (b) 信号分析仪FSW43及其他接收端组件

图3 仪器设备实地图

经过实地考察，测试系统的发送端设置在南通市如东县海岸，发送天线海拔高度25米。接收端布置在渔船上，接收天线高度4米 (距离海平面高度，忽略海洋潮汐)。船只在黄海海域按固定航线向东匀速行驶，最大测试距离为33 km。

图4 海域信道测量实验航线轨迹

6. 实验结果

由于发射端循环发送样值数为65535的Zadoff-Chu序列，在接收端可以收到周期性的功率时延谱 (见图6)。对任意时间截面的功率时延谱分析可知，其主峰最大高度对应的即是当前接收信号功率。其时延则表示发射信号经不同路径到达船载接收天线时产生的时间色散，体现了海域无线通信环境下的多径效应。

图5 某一时刻的功率-时延-时域图

当发射天线与接收天线之间同时存在反射径与直射径时，路径损耗可以通过两径损耗模型预测[2]。在测量实验近掠入射条件下，垂直极化波的反射系数接近-1。因此，两径路损模型可以简化为

其中，L2Ray为路径损耗的dB值，λ为波长 (米)，ht和hr为发射、接收天线高度 (米)，d为发射、接收天线距离 (米)。两径模型是在自由空间损耗模型的基础上提出的修正模型，通过图6(a)可知，相比于原始的自由空间损耗模型 (图中绿色虚线)，两径模型 (图中红色虚线) 对实际接收信号强度 (图中蓝色散点) 的预测效果更佳。

由于海上异常大气折射率结构导致蒸发波导的存在，一个包含直射径、反射径和散射径的三径路损模型可能取得更好的预测效果[3]。三径模型的应用条件需要通过记录的温度、湿度等多种海域气象条件综合判定，此处不再赘述。类似地，一个三径路损模型可以简化为

其中，he表示通过气象参数计算得到的蒸发波导高度 (米)，其他参数含义同上。两径模型与实际接收信号强度的对比可以参照图6(b)。通过模型预测效果初步判断，测试场景下波导信号能量较弱，三径模型没有表现出明显优势。考虑到测试时间在冬季，海面蒸发强度不高，大气湿度变化较小，因而可能使得蒸发波导信号不明显。在后续的分析处理中，将借助Palus-Jeske经验模型给出当前条件下的蒸发波导高度，并综合海洋气象、海面波动等印象因素，给出适用于当前海域的最优模型。

(a)接收信号强度与两径模型对比 (b) 接收信号强度与三径模型对比

图6 接收信号强度随距离的变化

7. 结束语

为了迎合当前对海域无线通信网络的发展需求，经过对现有文献和实验成果的优缺点总结，以及综合考虑各项影响因素，一次海域无线通信实验于南通市黄海海岸进行。本文中采用R&S公司的矢量信号源SMW200A与信号分析仪FSW43搭建了海域无线通信系统测试平台，在黄海海域测量了33公里距离上5.8GHz频段信号的传播特性。实验结果表明，两径模型可以较好地预测接收信号强度的变化趋势；同时，丰富的实验数据也为进一步分析与模型优化奠定了基础。