《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ITM模型的海上移動(dòng)信道傳輸模型
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
趙雨薇， 遲 迅， 任 佳
海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,， 海南 海口570228
摘要： 針對(duì)海上復(fù)雜多變的電磁環(huán)境所導(dǎo)致的移動(dòng)信道的傳輸路徑損耗特性,，提出Irregular Terrain Methodology(ITM)改進(jìn)模型。該算法通過(guò)補(bǔ)充雙徑模型，來(lái)計(jì)算1 km范圍內(nèi)的海上移動(dòng)信道傳輸損耗；通過(guò)加入雨衰模型來(lái)對(duì)出現(xiàn)下雨的海上電磁波傳播進(jìn)行修正,；在此基礎(chǔ)之上，采用仿真軟件對(duì)ITM模型和改進(jìn)后的ITM模型進(jìn)行對(duì)比,，分析發(fā)現(xiàn),，在海上移動(dòng)信道傳輸下,，該改進(jìn)后的ITM模型較之ITM模型,能夠更好地反映遠(yuǎn)海區(qū)域移動(dòng)信道傳輸特征,，并能夠提高遠(yuǎn)海區(qū)域移動(dòng)信道傳輸?shù)馁|(zhì)量。
中圖分類號(hào): TN919
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)07-0106-03
Maritime mobile channel transmission model based on ITM
Zhao Yuwei,， Chi Xun,， Ren Jia
College of Information Science and Technology, Hainan University, Hainan 570228, China
Abstract： Aiming to characteristics of transmission path loss in mobile channel which is caused by complex electromagnetic environment on an open sea area, an improved Irregular Terrain Methodology(ITM) model is proposed in this paper. The algorithm first uses a Two-Path Model to calculate the transmission loss in 1 km distance on maritime; Secondly , by adding rain loss, the characteristics of radio wave propagation on an open sea was corrected; Finally, it compares the results obtained by the standard ITM model and improved ITM model on simulation software. The results show that the improved ITM model can better reflect the characteristics of pelagic mobile channel, and can improve the quality of mobile channel transmission compared with standard ITM model.
Key words : attenuation； path loss simulation,； maritime mobile communication,； radio wave propagation

  　目前，針對(duì)海上移動(dòng)信道特點(diǎn),，主要由兩種方法來(lái)解決海上移動(dòng)信道傳輸損耗預(yù)測(cè),，一種是實(shí)測(cè)，一種是仿真測(cè)試,，仿真測(cè)試雖然無(wú)法取代實(shí)際的海上測(cè)試,，但卻為評(píng)估海上通信系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)提供了一種有效地研究方法，能夠提高實(shí)測(cè)的成功率,。參考文獻(xiàn)[1]認(rèn)為海上無(wú)線電波可以看作自由空間傳播,；參考文獻(xiàn)[2]在福建漳州對(duì)海面1 800 MHz信號(hào)進(jìn)行了岸海的海上無(wú)線傳播特征的測(cè)試;參考文獻(xiàn)[3]提出Okumura-Hata模型和ITM模型的海上移動(dòng)信道傳輸損耗預(yù)測(cè),。參考文獻(xiàn)[4]指出路徑損耗預(yù)測(cè)利用ITM模型更合適。但是沒(méi)有考慮以下兩個(gè)方面:(1)接收機(jī)周圍環(huán)境的影響因素對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊? (2)以上兩個(gè)模型都不能預(yù)測(cè)路徑長(zhǎng)度在1 km以內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng),。

　　針對(duì)以上兩點(diǎn)問(wèn)題,，本文提出了基于改進(jìn)的ITM信道傳輸模型進(jìn)行海上電波傳播的損耗中值預(yù)測(cè)。改進(jìn)的方法主要是利用雙徑模型雨衰模型對(duì)ITM模型進(jìn)行修正,。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證該模型的有效性,。

1 ITM模型

　　ITM模型預(yù)測(cè)了在自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳輸衰落。該模型的中值傳輸損耗為距離的分布函數(shù)[5],，如下：

　　NZ2%~5L$DX)2@X%RN1OSPBY.png

　　在ITM模型式(1)中,，利用地貌地形的路徑幾何學(xué)和對(duì)流層的繞射性預(yù)測(cè)中值傳輸衰落。在1≤d≤dLS的視距范圍內(nèi),，采用地面雙線模型計(jì)算,；在 dLS≤d≤dx 的超視距范圍內(nèi)，采用繞射機(jī)制[6],；在d≥dx更遠(yuǎn)的距離上(超過(guò)無(wú)線電電平線),，則采用前向散射理論。超視距的路徑參考衰落Acr是繞射衰落Ad或者散射衰落As中較小者,，當(dāng)繞射和散射損耗的距離相等時(shí)定義為dx[7],。

2 ITM的改進(jìn)模型

　　2.1 雙徑傳播預(yù)測(cè)模型

　　基于在1 km范圍內(nèi)的海面一般只存在一條較強(qiáng)的直射波信號(hào)和一條海面反射波，且傳輸距離較短可以看做平面?zhèn)鬏?，本文提出采用雙徑傳播模型,， 此模型在預(yù)測(cè)海上1 km范圍內(nèi)的大尺度信號(hào)強(qiáng)度時(shí)是非常準(zhǔn)確的[8]，如圖1所示,。

001.jpg

　　視距和地面反射的路徑差：

　　IO9@GGM1ZU%H~5}EPPH`]_L.png

　　式(2)中,，r1、r2是收發(fā)端與反射點(diǎn)間的距離,，ht,、hr是收發(fā)端天線高度，d是收發(fā)端間距,。

　　因此,，兩電場(chǎng)成分的相位差為：

　　O[%SAJAV9{%X_]E8NR8{82L.png

　　式(4)非常重要，它為雙徑模型提供了精確的接收電場(chǎng)強(qiáng)度,，Erec是接收?qǐng)鰪?qiáng),，Efs是自由空間場(chǎng)強(qiáng)值。

　　當(dāng)d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度時(shí),，上式可簡(jiǎn)化為：

　　OXRP4}6VQU{V_`U7NG9A$B6.png

　　式(6)表明,，當(dāng)距離d很大時(shí)，接收功率隨距離增大呈4次方衰減，這比自由空間中的損耗要快得多,，表示路徑增益,。

　　2.2 雨衰

　　海洋環(huán)境下，降雨量普遍很大,。電磁波進(jìn)入雨層中會(huì)引起衰減,，這就是雨衰。研究表明對(duì)于頻率高于1 GHz的電波,，雨衰是影響其傳播的重要因素[8-10],。

　　采用HPM(High Power Microwave)模型,適用于350 GHz以下頻率的電波[14]。具體算法如下：在長(zhǎng)度為r0的路徑上,，雨衰AR與傳播路徑中降雨衰減率R(dB/km)有以下關(guān)系：

　　`2N79@(KJFE)Z_(GI}2WU8X.png

　　式(8)中,，下標(biāo)H、V分別表示響應(yīng)參數(shù)在水平極化,、垂直極化條件下的值,，θ為路徑仰角，τ為極化傾角(水平極化時(shí)為0°,；垂直極化為 90°,；圓極化為 45°)。

　　設(shè)路徑仰角θ=20°,，τ為0°(水平極化),，頻率1≤f≤20 GHz,可以得出在此條件下降雨衰減率2FT)@8MO}BVY8IV9]2AN_64.jpgR與f電波頻率的關(guān)系曲線，如圖2所示,。

002.jpg

3 仿真分析

　　本文對(duì)ITM模型進(jìn)行改進(jìn),，通過(guò)加入雙徑模型來(lái)計(jì)算1 km傳輸范圍以內(nèi)的信道傳輸損耗，同時(shí)考慮到雨衰的影響,。

　　利用Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析,，如圖3所示。

003.jpg

　　采用參考文獻(xiàn)[2]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)環(huán)境轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的模擬環(huán)境,，利用Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析,，改進(jìn)的ITM模型和標(biāo)準(zhǔn)ITM模型的對(duì)比圖如圖4所示,。

　　由圖4可知,，改進(jìn)后的ITM模型的損耗預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，平滑掉幾個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)野值點(diǎn)后仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線一致,，在65 km處均出現(xiàn)變陡增大拐點(diǎn),。與未改進(jìn)的ITM模型相比較，其測(cè)量范圍更大,，更具有普遍性,，更接近實(shí)測(cè)環(huán)境。

　　本文通過(guò)分析海上移動(dòng)信道的傳輸路徑損耗特性，提出基于ITM模型的改進(jìn)修正傳輸模型,，在1 km路徑距離內(nèi)采用雙徑模型預(yù)測(cè)損耗作為補(bǔ)充,，充分考慮環(huán)境天氣的影響因素，加入雨滴衰落的預(yù)測(cè),。通過(guò)對(duì)本文提出算法的仿真,，發(fā)現(xiàn)其改進(jìn)后的ITM模型符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)環(huán)境，提高了預(yù)測(cè)海上移動(dòng)信道傳輸路徑損耗的準(zhǔn)確度,。因此,，在海上進(jìn)行信道傳輸損耗預(yù)測(cè)時(shí)，宜采用改進(jìn)的ITM模型,，可使預(yù)測(cè)計(jì)算更接近實(shí)際,。

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