赵雨薇， 迟 迅， 任 佳

(海南大学 信息科学技术学院， 海南 海口570228)

： 针对海上复杂多变的电磁环境所导致的移动信道的传输路径损耗特性，提出Irregular Terrain Methodology(ITM)改进模型。该算法通过补充双径模型，来计算1 km范围内的海上移动信道传输损耗；通过加入雨衰模型来对出现下雨的海上电磁波传播进行修正；在此基础之上，采用仿真软件对ITM模型和改进后的ITM模型进行对比，分析发现，在海上移动信道传输下，该改进后的ITM模型较之ITM模型,能够更好地反映远海区域移动信道传输特征，并能够提高远海区域移动信道传输的质量。

: TN919文献标识码: A文章编号： 0258-7998(2014)07-0106-03

目前，针对海上移动信道特点，主要由两种方法来解决海上移动信道传输损耗预测，一种是实测，一种是仿真测试，仿真测试虽然无法取代实际的海上测试，但却为评估海上通信系统算法设计提供了一种有效地研究方法，能够提高实测的成功率。参考文献[1]认为海上无线电波可以看作自由空间传播；参考文献[2]在福建漳州对海面1 800 MHz信号进行了岸海的海上无线传播特征的测试;参考文献[3]提出Okumura-Hata模型和ITM模型的海上移动信道传输损耗预测。参考文献[4]指出路径损耗预测利用ITM模型更合适。但是没有考虑以下两个方面:(1)接收机周围环境的影响因素对电磁波传输的影响; (2)以上两个模型都不能预测路径长度在1 km以内的场强。

针对以上两点问题，本文提出了基于改进的ITM信道传输模型进行海上电波传播的损耗中值预测。改进的方法主要是利用双径模型雨衰模型对ITM模型进行修正。通过仿真实验平台验证该模型的有效性。

ITM模型预测了在自由空间中由地形的非规则性造成的中值传输衰落。该模型的中值传输损耗为距离的分布函数[5]，如下：

在ITM模型式(1)中，利用地貌地形的路径几何学和对流层的绕射性预测中值传输衰落。在1≤d≤dLS的视距范围内，采用地面双线模型计算；在 dLS≤d≤dx 的超视距范围内，采用绕射机制[6]；在d≥dx更远的距离上(超过无线电电平线)，则采用前向散射理论。超视距的路径参考衰落Acr是绕射衰落Ad或者散射衰落As中较小者，当绕射和散射损耗的距离相等时定义为dx[7]。

2 ITM的改进模型

2.1 双径传播预测模型

基于在1 km范围内的海面一般只存在一条较强的直射波信号和一条海面反射波，且传输距离较短可以看做平面传输，本文提出采用双径传播模型， 此模型在预测海上1 km范围内的大尺度信号强度时是非常准确的[8]，如图1所示。

视距和地面反射的路径差：

式(2)中，r1、r2是收发端与反射点间的距离，ht、hr是收发端天线高度，d是收发端间距。

因此，两电场成分的相位差为：

式(4)非常重要，它为双径模型提供了精确的接收电场强度，Erec是接收场强，Efs是自由空间场强值。

当d远远大于天线高度时，上式可简化为：

式(6)表明，当距离d很大时，接收功率随距离增大呈4次方衰减，这比自由空间中的损耗要快得多，表示路径增益。

2.2 雨衰

海洋环境下，降雨量普遍很大。电磁波进入雨层中会引起衰减，这就是雨衰。研究表明对于频率高于1 GHz的电波，雨衰是影响其传播的重要因素[8-10]。

采用HPM(High Power Microwave)模型,适用于350 GHz以下频率的电波[14]。具体算法如下：在长度为r0的路径上，雨衰AR与传播路径中降雨衰减率R(dB/km)有以下关系：

式(8)中，下标H、V分别表示响应参数在水平极化、垂直极化条件下的值，θ为路径仰角，τ为极化倾角(水平极化时为0°；垂直极化为 90°；圆极化为 45°)。

设路径仰角θ=20°，τ为0°(水平极化)，频率1≤f≤20 GHz,可以得出在此条件下降雨衰减率R与f电波频率的关系曲线，如图2所示。

3 仿真分析

本文对ITM模型进行改进，通过加入双径模型来计算1 km传输范围以内的信道传输损耗，同时考虑到雨衰的影响。

利用Matlab仿真平台进行仿真分析，如图3所示。

采用参考文献[2]的实测数据环境转换为计算机的模拟环境，利用Matlab仿真平台进行仿真分析，改进的ITM模型和标准ITM模型的对比图如图4所示。

由图4可知，改进后的ITM模型的损耗预测与实测数据相吻合，平滑掉几个测试数据野值点后仿真曲线与实测曲线一致，在65 km处均出现变陡增大拐点。与未改进的ITM模型相比较，其测量范围更大，更具有普遍性，更接近实测环境。

本文通过分析海上移动信道的传输路径损耗特性，提出基于ITM模型的改进修正传输模型，在1 km路径距离内采用双径模型预测损耗作为补充，充分考虑环境天气的影响因素，加入雨滴衰落的预测。通过对本文提出算法的仿真，发现其改进后的ITM模型符合实测数据环境，提高了预测海上移动信道传输路径损耗的准确度。因此，在海上进行信道传输损耗预测时，宜采用改进的ITM模型，可使预测计算更接近实际。

参考文献

[1] 王向敏.海上大气波导的预测方法 [D]. 南京：南京信息工程大学, 2007.

[2] 何群, 黄云鹏. 关于海面无线传播模型的探讨[J]. 邮电设计技术, 2004(2):011.

[3] MO H, CHEN B, SHEN C. Radio propagation predictionmodel for maritime mobile communication[C]. WirelessCommunications and Applications(ICWCA 2012), IET Inter-national Conference on. IET, 2012.

[4] JEON S, YIM Z, SEO J S. Path loss model for couplingloop interference with multiple reflections over single fre-quency network[J]. IETE Technical Review, 2012, 29(6)：499-500.

[5] TSE D. Fundamentals of wireless communication[M]. Cam-bridge:Cambridge university press, 2005.

[6] 肖蒙, 刘佳佳, 林俊亭, 等. 高速铁路的 GSM—R 无线传播模型校正[J].电子技术应用, 2012,38(2):113-116.

[7] LONGLEY A G, RICE P L. Prediction of troposphericradio transmission loss over irregular terrain[R].A computermethod-1968. Institute for Telecommunication Science Bou-lder Co, 1968.

[8] SHIFENG K, HONGGUANG W. Analysis of microwaveover-the-horizon propagation on the sea[C]. MicrowaveConference, 2009. APMC 2009. Asia Pacific. IEEE, 2009:1545-1548.

[9] SHARMA D, SINGH R K. Validation of modified approachto estimate the propagation path loss in urban area to sus-tain the QoS during dust storms[J]. Wireless Communica-tion, 2013,5(1):5-11.