对海移动无线微波传输特性研究

摘要 从海面反射特性、多径快衰落和多谱勒频移的角度出发，对海面移动通信的衰落特性进行了较为详细的分析，从理论和工程的角度对多径衰落类型、分布类型及抗衰落措施进行了论述。

关键词 海面移动无线 多径衰落

舰艇对岸或潜艇（通过潜艇拖带浮筏）对岸的微波通信是属于海面移动站与陆地固定站之间的海面移动无线通信，是一种随机性较强的变参信道，具有不同延时的多径信号相叠加会产生破坏性干扰，使链路性能不稳定。

1 海面上电波传播的反射系数

在舰/潜对岸的通信中，微波信号从空气传播到海水的分界面时，由于分界面两侧媒质的本征阻抗不同，将发生电磁波的反射与折射。

空气是一种理想介质，海水是一种非理想导体介质（相对介电常数εr=80，电导率σ=4Ω/m，磁导率μ0）。反射系数与入射角、电波极化方式、电波频率和反射介质的特性有关。根据反射定律和施耐尔定律，有：

水平极化波的反射系数：

（1）

垂直极化波的反射系数：

（2）

其中，Erm、Eim分别为水平或垂直极化波入射波和反射波电场的复振幅，θ为入射角，εk为海水相对复数介电常数，。

2 海面移动通信的衰落分析

由于海面移动无线信道的复杂性，使得在该环境下传输的微波信号存在不同类型、不同程度的衰落，除了自由空间损耗外，还有小尺度的快速波动和大尺度的慢速波动。小尺度的波动是由于附近物体和海面的反射、漫反射所产生的多个路径引起的，是快衰落或多径衰落。信号的振幅除了快衰落以外，还存在一种缓慢的变化，即快衰落是叠加在慢衰落这种缓慢的变化之上的，这种缓慢的变化主要是由于海面站至岸站之间物体遮挡和大气折射系数变化造成的。

2.1 海面移动通信环境对微波信号的影响

在海面移动信道中，信号会受到如下几个方面的衰减损失。

（1）弥散损耗

当海面波浪较大，不能视为光滑水平面时，微波信号会受到波浪引起的散射。由于散射的存在，在电波传播过程中信号功率必然会受到损失，产生弥散损耗。

（2）多普勒效应

第一：海面信道机与岸站信道机之间的相对运动使接收信号的频率发生偏移，产生随机频率调制。

第二：环境物体（如海面波浪或附近船只）的运动会引起时变的多普勒频移。如果环境物体的速度大于海面移动站的速度，将对小尺度衰落起决定作用，否则，仅可考虑海面移动站的运动影响，忽略环境物体的运动影响。

（3）多径效应

由于海面、邻近物体、舰船本体和大气等的反射、散射、绕射作用，形成了不同路径，使合成信号在幅度、相位发生随机变化，产生多径效应，它可能引起码间干扰，降低信号的传输质量。

（4）深衰落

第一：根据中断率计算公式：

（3）

其中，A为气候因子、Q为地形条件因子；b为频率因子，取值b=1.3；c为距离因子，取值c=3.1；h2—h1为收发天线高度差。中断率ρ与Q成正比，而Q与地面粗糙度S—1.3成正比（美国算法），海面越光滑，ρ越大。

第二：海水的电导率较大，对电波传播的衰减较小，其反射系数接近于1，反射损耗非常小。所以，入射能量差不多全部转换成为反射能量对直接波进行干扰，这种干扰现象极易引起电平深度衰落，甚至导致中断。

2.2 海面多径衰落分析

2.2.1 镜面反射和漫反射

海面多径衰落是由于直接波和海面反射波之间的干涉引起的。反射波包括两种分量：镜面反射分量和不规则海浪子面的漫反射分量。在平静海面状况下，主要是镜面反射分量；在粗糙海面状况下，主要是漫反射分量。一般情况下，以Rayleigh准则区分平静海面和粗糙海面：

（h为有效浪高，λ为电磁波波长，θ为入射余角）

当海面的Fresnel反射区内粗糙程度满足Rayleigh准则时，所有海面来的反射可以认为是镜面反射。否则，为漫反射。对于漫反射而言，天线接收的电磁波来自于包括镜面反射点在内的反射源与接收点之间的广阔海面，而不是Fresnel反射区。

2.2.2 衰落与分布类型的定界

（1）时延扩展

无线移动信道中多径特性的时延扩展，导致时域扩散，会使发射信号产生频率选择性衰落和平坦衰落。

无线信号码元宽度为Ts，多径信号时延扩散的宽度为τ，当Ts≥τ（τ/Ts0）时，是平坦衰落；当Ts

工程上，可按下式计算τ和Ts，τ=d/c，Ts=1/Bs。其中，d为多径路程差， c为电波传输速率，B为信号带宽。按两径模型考虑时，d=2h1h2/d（h1、h2为收发天线高度，d为站距）。实际应用中，一般认为在τ/Ts≤0.1的条件下，当平坦衰落处理；在τ/Ts>0.1时要考虑频率选择性衰落的影响。必须指出，不能单以τ值判断是平坦衰落还是频率选择性衰落。即使τ值很大，但是当Ts∞（即发射信号为单频时）也是平坦衰落；如果τ值很小，当高速传输时，需要较宽的信号带宽，使τ/Ts值不可忽略，也产生频率选择性衰落。

（2）多普勒扩展

无线移动信道中多普勒扩展，导致频域扩散，会使发射信号产生快衰落和慢衰落。

当Ts>Tc（Tc为相干时间）时，是快衰落；否则，为慢衰落。工程上，可将Tc按照如下公式计算：Tc= 0.423/fm。fm为最大多普勒频移，fm=V/λ（V为发射机与接收机之间的相对运动速度，λ为信号波长）。实际上，快衰落信道是一个低速率信道，发生在数据率很低的情况下，而慢衰落信道是一个慢速度和高数据速率的信道。为了避免快衰落失真和多普勒影响引起的误码，信号速率（1/Ts）必须超过衰落速率（1/ Tc）的100—200倍，确切的倍数取决于调制方式、接收机设计和系统误码率要求。