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 商船學院，上海 0306； .交通運輸部 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 商船學院，上海 201306； 2.交通運輸部 東海航海保障中心，上海 200086)

以海上甚高頻(Very High Frequency, VHF)寬帶數據通信網絡為研究對象，結合海上通信環境的特有屬性，利用電磁波相關理論，在合理選用和優化現有獨立分散數學模型的基礎上，設計完整而簡潔的海上VHF通信傳輸損耗模型、確定有效可行的海上VHF通信傳輸損耗計算流程。對影響傳輸損耗的相關物理因素進行建模，給出相應的計算結果，并分析其與傳輸損耗間的關系。計算結果表明：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段內具有不同的波動特征。計算結果有助于在具有較少的先驗信息的條件下快捷地計算出海上VHF通信傳輸損耗，為提升海上無線通信質量、設計并建立海上VHF寬帶數據通信系統提供技術支撐。

船舶工程；海上VHF；海上通信；傳輸損耗；傳輸模型

伴隨著經濟全球化不斷深入，我國海上船舶運輸與港口物流事業迅速發展，海上無線數據通信業務量和船岸之間、船舶之間的數據業務交流需求快速增加。目前，海上通信存在海事衛星通信系統的通信費用太高而制約其使用范圍、海上無線電通信系統的數據傳輸速率不能滿足高速數據傳輸需要等問題；此外，海上無線通信的發展需求與有限的頻率資源之間的矛盾制約現代化港口和近岸船舶高速數據通信發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用的歷史，在海上通信中發揮著巨大的作用，但存在頻帶窄、通信容量小等問題，無法很好地適應多種高速率應用數據的傳輸。隨著新一代無線通信技術[1]不斷發展，海上VHF寬帶數據通信將得以實現。

海上VHF寬帶數據通信有別于傳統的語音通信，對通信系統誤碼率的標準[2]要求較高，實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數據通信信號的效果。對于海上VHF數據通信的發展研究而言，海上的電波傳播無線信道損耗模型是最基本的，因此在設計海上VHF寬帶數據通信系統時，有必要對海上無線信號的傳輸損耗進行分析，根據信號在海上傳輸時的損耗合理設計VHF數據通信系統的相關參數，以獲得較好的通信效果。

1 電磁波的傳輸損耗

電磁波從發射天線輻射出去后，需通過某一自然環境區域傳輸至相關設備的接收天線上，以完成通信、導航和雷達探測等。[3]電磁波在不同介質中傳輸時，將不可避免地產生衰減、時延和畸變等，使信號的傳輸質量下降。電磁波在傳輸過程中產生的衰減是因傳輸距離增加產生的自然擴散，傳輸介質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的場強預測模型是通過在不同區域和自然地形條件下實測得到大量數據，并運用數值統計方法獲得的，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模型和神經網絡模型等。[5]這些模型中，有的是由經驗公式組成的，有的是由經驗曲線組成的，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距離傳輸情況的場強預測，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、收發天線的高度、地形和地物有關，而且還是時間、季節及經緯度位置等諸多實時變化因素的函數，對其進行精確計算非常困難。[6]有關電磁波傳輸損耗的計算已有一些經驗公式[7]，但是關于設計一個適用于計算海上VHF通信傳輸損耗的簡潔有效的模型的研究還很少。對此，利用電磁波相關理論成果，合理選用和優化各種電磁波傳輸模型，給出完整而簡潔的海上VHF通信傳輸損耗的計算流程，從而為建立相應的實用模型提供支撐。

2 海上VHF通信傳輸損耗計算模型

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場強有影響。導致海上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境導致的額外傳輸損耗等。[8]由于海洋環境復雜多變，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損耗的計算模型，在此基礎上確定有效可行的海上VHF通信傳輸損耗計算流程。

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，不會對距離較遠的傳輸設備產生干擾。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。自由空間傳輸的損耗是由無線電波逐漸遠離信號發射點，傳輸的能量在自由空間擴散引起的。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為收發天線之間的距離，km。根據海上VHF的工作頻段，f均取157 MHz，收發天線之間最遠距離取海上視距(約為50 km)。

海上自由空間傳輸損耗計算結果見圖1，根據傳輸損耗曲線，可近似認為海上自由空間傳輸損耗與收發天線間的距離呈對數增長關系，即隨著收發天線間的距離增加，自由空間傳輸損耗呈對數增長。

圖1 海上自由空間傳輸損耗計算結果

2.3海面反射傳輸損耗

實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生反射，因此在接收端接收到的信號實際上是視距直射與海面反射的合成信號。在考慮海面傳輸損耗時，除了考慮自由空間傳輸損耗以外，還應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點為傳輸路徑的反射點，虛線AB為過C點的切線。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]，因此當收、發天線的高度h1和h2及天線間的距離d確定之后，反射點位置C即為一個確定的值，C點的位置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為收發天線間的距離，km；d1為反射點與發射端間的距離，km；d2=d-d1；K為等效地球半徑系數。設

(3)

則

(4)

過反射點C的切線AB把收發天線截為Δh1和Δh2兩部分。由于地球的半徑遠遠大于天線的高度，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，信號在海上傳輸時該值一般比較大，當掠射角很小時可取1，且會導致信號傳輸產生較大的衰落。設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K=4/3，地面等效反射系數D0=1時，通過MATLAB計算得到反射傳輸損耗Lf與收發天線間距離的關系(見圖3)。

圖3 海面反射傳輸損耗與收發天線間距離的關系

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式(8)近似計算(對于海上VHF頻段而言)；水蒸氣分子損耗率可用式(9)計算。

(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)計算，其中d為收發天線間的距離。

Lα=(γ0+γw)d

(10)

海面空氣吸收損耗與收發天線間距離的關系見圖4?？諝馕論p耗與收發天線間距離基本上呈線性關系，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，統稱為額外系統損耗Yp。由于額外系統損耗不是一個穩定的參數，準確地計算其值較困難，因此在工程計算中，通常根據具體情況，用經過反復校核的統計值來估算。綜合考慮前述幾種損耗，即可構成針對海上VHF通信傳輸損耗的計算模型，其表達式為

圖4 海面空氣吸收損耗與收發天線間距離的關系

L=Lbf+Lf+Lα+Yp

(11)

L即為海上VHF通信傳輸損耗，當不考慮額外系統損耗時，通過MATLAB計算可得到海上VHF通信傳輸損耗與收發天線間距離的關系(見圖5)。

圖5 海上VHF通信傳輸損耗與收發天線間距離的關系

由計算結果可知：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 結束語

針對海上VHF通信環境的特性，利用電磁波的相關理論，設計了完整而簡潔的海上VHF通信傳輸損耗模型和傳輸損耗計算流程，并給出了相應的計算結果。運用該模型，可在具有較少的先驗信息的條件下快捷地計算出海上VHF通信傳輸損耗，為提升海上無線通信質量、設計海上VHF寬帶數據通信系統提供了有力的技術支撐，具有良好的工程實用價值和實際意義。

[1] BOLAS E D, CARVALHO N B, VIEIRA J N,etal. Opportunistic Usage of Maritime VHF Band——Deployment Challenges for a New Regulatory Framework[J]. Wireless Engineering and Technology, 2014(1): 1.

[2] KAMALI B. An Overview of VHF Civil Radio Network and the Resolution of Spectrum Depletion[C]. Integrated Communi-Cations Navigation and Surveillance Conference, 2010.

[3] 楊大成. 移動傳播環境[M]. 北京: 機械工業出版社, 2003：35-36.

[4] 任曉濤,趙勝輝,匡鏡明. 基于場強預測模型的無線通信網絡規劃軟件包的設計與實現[J]. 北京理工大學學報, 2003(5):625-628.

[5] 羅佳,張文明,王雪松. 通信對抗中短波天波傳輸損耗的仿真建模[J]. 計算機仿真,2007，24(8):28-31.

[6] 袁曉波. 短波天波傳播損耗預測與場強預測分析[J]. 信息通信,2013(5):11-12.

[7] 胡繪斌. 預測復雜環境下電波傳播特性的算法研究[D]. 長沙：國防科學技術大學,2006.

[8] 何群,黃云鵬. 關于海面無線傳播模型的探討[J]. 郵電設計技術,2004(2):36-39.

[9] 徐東華. 海上無線電通信[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 1999：56-57.

[10] 謝益溪. 無線電波傳播原理與應用[M]. 北京:人民郵電出版社, 2008：2-4, 53-56.

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

交通運輸部應用基礎研究(2015329810030)；上海市人才發展資金(201436);上海海事大學優秀博士學位論文培育項目(2014bxlp003)

陳 亮(1987—)，男，江蘇連云港人，博士生，研究方向為載運工具運用工程。E-mail:kcliang669@163.com

1000-4653(2015)03-0001-04

U675.75

A