CN108540248A - 海上无线通信动态多径信道模型及方法、无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于利用无线电波技术领域，公开了一种海上无线通信动态多径信道模型及方法、无线通信系统，给出海浪高度预测模型；计算有效天线高度；计算直视路径上接收端处的场强大小；计算镜面反射路径上接收端处的场强大小；计算漫反射路径上接收端处的场强大小；计算镜面反射路径上的时延；计算漫反射路径上的时延；增加动态信道模型。本发明在海上多径信道模型的基础上考虑了海浪的高度起伏对信道增益的影响，并考虑了船体之间相对运动产生的多普勒效应，更好地反映了海上无线通信信道环境。

Description

海上无线通信动态多径信道模型及方法、无线通信系统
技术领域
本发明属于利用无线电波技术领域，尤其涉及一种海上无线通信动态多径信道模型及方法、无线通信系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：海上无线信道分为大尺度衰落和小尺度衰落两种类型。其中大尺度衰落指的是收发机远距离通信时接收信号场强的缓慢变化情况。小尺度衰落指的是在短时间内其电信号的幅度、相位、或多径时延的快速变化情况。在传播环境中，无线电波到达接收机的路径不止一条，而是会遇到各种障碍物，经反射、散射、绕射后，形成为以微小时间差到达的多路径的叠加波。不同路径分量具有随机幅度和相位会引起信号强度的波动，称为多径干涉效应。多径干涉效应使得接收信号是直达信号与多径信号的叠加信号，会导致严重的符号间串扰ISI。多径干涉效应是导致小尺度衰落的重要因素。小尺度衰落直接反映了无线信道的复杂性和随机性，因此研究小尺度衰落对于分析无线信道性能具有重要意义。目前，已经有许多学者建立了基于多径衰落的经典统计模型。第一个模型由Ossana提出，该模型主要研究了入射波与障碍物表面随机产生的反射波之间的相互干涉，然而该模型假设发射机与接收机之间存在一条直视路径，从而使得其应用具有一定的局限性。近年来基于散射的Clarke模型逐渐被广泛使用。该模型假设发射机位置固定，使用垂直极化天线，接收机天线的电磁场由多个平面波组成，这些平面波具有任意载频相位、入射方位角及相等的平均幅度。之后Jakes在Clarke基础上提出了简化的SOS模型，并被广泛使用。然而Jakes模型并不适用于多径频率选择性衰落信道。除了基于理论推导的统计模型，基于实测数据的海上信道模型只适用于特定的地理场景和频段。例如Maliatsos KN提出了基于希腊爱琴海的实测多径海上信道模型。Reyes G实测了5.8GHz无线电波在西班牙加的斯湾海域传播的数据，分析了收发端固定和一方移动两种情况下接收信号功率与时延之间的关系。Yang K通过实测数据对2GHz频段海上信道进行建模，分析了短距离和长距离通信时接收信号功率与时延之间的关系，得出收发距离过长时海上信道不具有频率选择性衰落特性的结论。近年来，计算有效漫反射区域成为多径衰落信道建模的研究热点。QinX指出海面的反射信号可依据相位的不同分为相干镜面反射信号和非相干漫反射信号，首次提出了有效散射区的概念，但并未给出具体的计算方法。Dong M从海面粗糙度和瑞利粗糙准则两方面证明了入射角在(0°～5°)范围内，海情级为3～6时，海面反射以镜面反射为主，漫反射可以忽略不计的结论。Haspert K研究雷达波在海面上的传播特性，提出了一个多径信道建模的理论，该理论指出多径分量包括镜面反射分量和漫反射分量，并通过实测数据验证该理论的正确性。Gerald H提出了基于PO(Physical Optics)模型的海上多径信道模型，该模型考虑了收发端之间的直视路径分量、镜面反射分量、漫反射分量，提出了海上三径信道模型，较好地反映了海上无线传输的信道环境。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)PO模型仅考虑各条径在接收端处场强及接收功率的大小，没有给出除主径外另外两条径时延的计算方法，而仅仅是通过实测数据给出特定环境下的时延数据，这种给出时延数据的方法不具有通用性。
(2)PO模型假设收发端位置固定不变，即有效收发天线高度不变，没有考虑海面上海浪高度的变化对信道增益的影响，而实际的海面环境中，海浪高度是随时在变化的，因此有效收发天线高度也在随时变化。
(3)PO模型假设通信过程中收发台不移动，没有考虑到由于船体运动产生的多普勒频移对信道增益的影响，构建的信道模型属于静态模型，不符合海上船体间通信的信道环境。
解决上述技术问题的难度和意义：
鉴于现有的PO信道模型不能更好且真实地反映海面无线通信环境，一种新的海上信道建模方案的提出是必须的。针对现有技术存在的缺陷，本发明在解决上述技术问题的难度主要体现在：
(1)由于漫反射分量路径上信道参数的计算是将漫反射区域划分成若干个区域小块，通过独立计算各小块上的信道参数来得到漫反射路径上的信道参数因此，如何通过计算各区域小块上的时延来得到漫反射路径上的总时延是本发明要解决的问题。
(2)收发端有效天线的高度的计算与海浪高度有关。因此，如何确立合理的海浪高度预测模型是本发明要解决的问题。
(3)船体的相对运动会产生多普勒频移。因此，如何将船体运动产生的多普勒频移加入到信道模型中是本发明要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海上无线通信动态多径信道模型及方法、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种海上无线通信动态多径信道模型，所述海上无线通信动态多径信道模型的信道响应计算公式为：
h(t)＝h3-ray(t)·(hc(t)+jhs(t))；
其中，h3-ray(t)＝ELOSδ(t)+Ecoh(t)δ(t-tcoh)+Einc(t)δ(t-tinc)；
ωm表示最大的多普勒角频率，M＝N/4代表了低频振子的数量，ρn在(0,1)内服从均匀分布。
本发明的另一目的在于提供一种所述海上无线通信动态多径信道模型的构建方法，所述海上无线通信动态多径信道模型的构建方法包括以下步骤：
步骤一，海浪高度预测模型，海浪高度h服从均值为0，方差为h0 2的高斯分布，概率密度函数为：
利用Matlab程序，调用rayleighchan函数和filter函数，输出数据的实部和虚部分别作为对应时刻下发送端和接收端处的海浪高度；
步骤二，计算有效天线高度，发端天线高度为lTX，收端天线高度为lRX，同一时刻t0下发端的海浪高度为hTX(t0)，收端的海浪高度为hRX(t0)，天线为全向天线，t0时对应的发端有效天线高度为：
lTXe＝lTX+hTX(t0)；
收端有效天线高度为：
lRXe＝lRX+hRX(t0)；
步骤三，计算直视路径上接收端处的场强大小，计算公式为：
其中，Pt为发射功率，Gt,LOS和Gr,LOS为直视路径方向上发送端和接收端的天线增益，dLOS为直视路径距离，λ为波长；
步骤四，计算镜面反射路径上接收端处的场强大小计算公式为：
其中，Gt,coh和Gr,coh为镜面反射路径方向上发送端和接收端的天线增益，dTX,coh(t)为当前时刻下镜面反射点到发端的距离，dRX,coh(t)为当前时刻下镜面反射点到收端的距离，S为阴影因子，计算公式为：
Θi为入射角，Θr为反射角，β0为海面表面坡度的标准差；
Γrough为粗糙表面反射系数，计算公式为：
其中，Γ为菲涅尔反射系数，计算公式为：
Θt为折射角，η1和η2为空气和海水的折射率，ρs定义为：
步骤五，计算漫反射路径上接收端处的场强大小计算公式为：
其中，Atile表示漫反射区域小块面积，Gt,inc和Gr,inc为漫反射路径方向上发送端和接收端的天线增益，dTX,n(t)为当前时刻下漫反射点到发端的距离，dRX,n(t)为当前时刻下漫反射点到收端的距离，φR为满足[0,2π)均匀分布的随机变量，σ0,n表示每个区域小块对应的散射系数，计算公式为：
步骤六，计算镜面反射路径上的时延，公式为：
步骤七，计算漫反射路径上的时延计算公式为：
步骤八，信道响应计算公式为：
h(t)＝h3-ray(t)·(hc(t)+jhs(t))；
其中，h3-ray(t)＝ELOSδ(t)+Ecoh(t)δ(t-tcoh)+Einc(t)δ(t-tinc)；
ωm表示最大的多普勒角频率，M＝N/4代表了低频振子的数量，ρn在(0,1)内服从均匀分布。
进一步，所述步骤二中将对应时刻下发送端和接收端的海浪高度与天线高度相加作为对应时刻下发送端和接收端处的有效天线高度。
进一步，所述步骤四中根据直视路径距离和有效天线高度计算镜面反射点处的入射角和反射角的大小以及反射点到发端和收端的距离，得到反射路径上接收端处的场强大小。
进一步，所述步骤五中确定漫反射区域范围，漫反射区域为矩形，长为收发天线之间的距离dh，宽为200m；并将漫反射区域划分为若干个区域小块，每个区域小块的面积为10×10＝100m2。
进一步，所述步骤七中计算每个区域小块对应的路径时延，其中选取区域小块中心点作为路径时延的计算点，并选取区域小块中时延的最大值作为漫反射路径上的时延。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述海上无线通信动态多径信道模型的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：在本发明中，引入了海浪高度预测模型，根据不同时刻的海浪高度给出收发端处的有效天线高度，更好地反映了海上实际环境。在本发明中，考虑船体之间的相对运动，引入船体运动模型，给出了基于三径信道的动态信道模型。
本发明与原PO模型技术上的不同主要由以下表格呈现：
附图说明
图1是本发明实施例提供的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法流程图。
图2是本发明实施例提供的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法的实现流程图。
图3是本发明实施例提供的仿真使用的场景图。
图4是本发明实施例提供的接收功率与通信距离关系仿真图。
图5是本发明实施例提供的海浪高度预测模型的三维立体图。
图6是本发明实施例提供的数据经过信道传输在接收端处的接收功率示意图。
图7是本发明实施例提供的原PO模型中，数据经过信道传输在接收端处的接收功率示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明考虑了海浪高度和船体移动的影响，引入了海浪高度预测模型和船体运动模型，提出了一种基于三径模型的海上动态多径信道模型，更好地反映了海上无线传输信道环境。
本发明实施例提供的海上无线通信动态多径信道模型的信道响应计算公式为：
h(t)＝h3-ray(t)·(hc(t)+jhs(t))；
其中，h3-ray(t)＝ELOSδ(t)+Ecoh(t)δ(t-tcoh)+Einc(t)δ(t-tinc)；
ωm表示最大的多普勒角频率，M＝N/4代表了低频振子的数量，ρn在(0,1)内服从均匀分布。
如图1所示，本发明实施例提供的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法包括以下步骤：
S101：给出海浪高度预测模型；
S102：计算有效天线高度；
S103：计算直视路径上接收端处的场强大小；
S104：计算镜面反射路径上接收端处的场强大小；
S105：计算漫反射路径上接收端处的场强大小；
S106：计算镜面反射路径上的时延；
S107：计算漫反射路径上的时延；
S108：增加动态信道模型。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法包括以下步骤：
步骤一：给出海浪高度预测模型
在本发明中，根据线性海浪理论，认为海浪是平稳正态过程，假设海浪高度h服从均值为0，方差为的高斯分布，概率密度函数为：
利用Matlab程序，调用rayleighchan函数和filter函数，输出数据的实部和虚部分别作为对应时刻下发送端和接收端处的海浪高度。
步骤二：计算有效天线高度
将对应时刻下发送端和接收端的海浪高度与天线高度相加作为对应时刻下发送端和接收端处的有效天线高度。即：假设发端天线高度为lTX，收端天线高度为lRX，同一时刻t0下发端的海浪高度为hTX(t0)，收端的海浪高度为hRX(t0)，天线为全向天线，则t0时对应的发端有效天线高度为：
lTXe＝lTX+hTX(t0)；
收端有效天线高度为：
lRXe＝lRX+hRX(t0)；
步骤三：计算直视路径上接收端处的场强大小
根据实际考虑的直视路径距离，计算直视路径上接收端处的场强大小，其计算公式为：
其中，Pt为发射功率，Gt,LOS和Gr,LOS为直视路径方向上发送端和接收端的天线增益，dLOS为直视路径距离，λ为波长。
步骤四：计算镜面反射路径上接收端处的场强大小
根据直视路径距离和有效天线高度计算镜面反射点处的入射角和反射角的大小以及反射点到发端和收端的距离，进而得到反射路径上接收端处的场强大小，计算公式为：
其中，Gt,coh和Gr,coh为镜面反射路径方向上发送端和接收端的天线增益，dTX,coh(t)为当前时刻下镜面反射点到发端的距离，dRX,coh(t)为当前时刻下镜面反射点到收端的距离，S为阴影因子，计算公式为：
Θi为入射角，Θr为反射角，β0为海面表面坡度的标准差。
Γrough为粗糙表面反射系数，计算公式为：
其中，Γ为菲涅尔反射系数，计算公式为：
Θt为折射角，η1和η2为空气和海水的折射率，ρs定义为：
步骤五：计算漫反射路径上接收端处的场强大小
首先确定漫反射区域范围，本发明中认为漫反射区域为矩形，长为收发天线之间的距离dh，宽为200m。并将漫反射区域划分为若干个区域小块，每个区域小块的面积为10×10＝100m2。
其次计算漫反射路径上接收端处的场强大小，其计算公式为：
其中，Atile表示漫反射区域小块面积，Gt,inc和Gr,inc为漫反射路径方向上发送端和接收端的天线增益，dTX,n(t)为当前时刻下漫反射点到发端的距离，dRX,n(t)为当前时刻下漫反射点到收端的距离，φR为满足[0,2π)均匀分布的随机变量，σ0,n表示每个区域小块对应的散射系数，计算公式为：
步骤六：计算镜面反射路径上的时延，公式为：
步骤七：计算漫反射路径上的时延
首先计算每个区域小块对应的路径时延，其中选取区域小块中心点作为路径时延的计算点，并选取区域小块中时延的最大值作为漫反射路径上的时延，其计算公式为：
步骤八：船体之间的相对运动会产生多普勒效应，将多普勒效应加入到三径模型中，考虑多普勒频移对信道产生的影响，完成动态三径信道建模。其信道响应计算公式为：
h(t)＝h3-ray(t)·(hc(t)+jhs(t))；
其中，h3-ray(t)＝ELOSδ(t)+Ecoh(t)δ(t-tcoh)+Einc(t)δ(t-tinc)；
ωm表示最大的多普勒角频率，M＝N/4代表了低频振子的数量，ρn在(0,1)内服从均匀分布。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1.仿真条件
本发明仿真实验软件环境：MATLAB R2014a。
本发明仿真条件为给定发射功率为43dBm，中心频率为5.2GHz，发射天线高度6.29m，接收天线高度32.9m，收发天线增益均为0dBi，海面坡度标准差为0.135m。
2.仿真内容与结果
在给定的仿真条件下，本发明仿真了通信距离为0.1km～50km时接收端处接收功率的大小。分别给出了直视路径、镜面反射路径、漫反射路径以及三条路径的叠加信号在接收端处的接收功率随通信距离的变化关系。
3、本发明中给出的海浪高度预测模型的三维立体图如图5所示：本发明中，数据经过信道传输在接收端处的接收功率如图6所示：原PO模型中，数据经过信道传输在接收端处的接收功率如图7所示：两图进行比较可以得出，原PO模型的接收功率是不变的，而本发明所提出的信道模型中的接收功率是不断变化的，反映了信道的快时变特性，因而本发明所提出的信道模型能更好的反映海面真实环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海上无线通信动态多径信道模型，其特征在于，所述海上无线通信动态多径信道模型的信道响应计算公式为：
h(t)＝h3-ray(t)·(hc(t)+jhs(t))；
其中，h3-ray(t)＝ELOSδ(t)+Ecoh(t)δ(t-tcoh)+Einc(t)δ(t-tinc)；
ωm表示最大的多普勒角频率，M＝N/4代表了低频振子的数量，ρn在(0,1)内服从均匀分布。
2.一种如权利要求1所述海上无线通信动态多径信道模型的构建方法，其特征在于，所述海上无线通信动态多径信道模型的构建方法包括以下步骤：
步骤一，海浪高度预测模型，海浪高度h服从均值为0，方差为的高斯分布，概率密度函数为：
利用Matlab程序，调用rayleighchan函数和filter函数，输出数据的实部和虚部分别作为对应时刻下发送端和接收端处的海浪高度；
步骤二，计算有效天线高度，发端天线高度为lTX，收端天线高度为lRX，同一时刻t0下发端的海浪高度为hTX(t0)，收端的海浪高度为hRX(t0)，天线为全向天线，t0时对应的发端有效天线高度为：
lTXe＝lTX+hTX(t0)；
收端有效天线高度为：
lRXe＝lRX+hRX(t0)；
步骤三，计算直视路径上接收端处的场强大小，计算公式为：
其中，Pt为发射功率，Gt,LOS和Gr,LOS为直视路径方向上发送端和接收端的天线增益，dLOS为直视路径距离，λ为波长；
步骤四，计算镜面反射路径上接收端处的场强大小计算公式为：
其中，Gt,coh和Gr,coh为镜面反射路径方向上发送端和接收端的天线增益，dTX,coh(t)为当前时刻下镜面反射点到发端的距离，dRX,coh(t)为当前时刻下镜面反射点到收端的距离，S为阴影因子，计算公式为：
Θi为入射角，Θr为反射角，β0为海面表面坡度的标准差；
Γrough为粗糙表面反射系数，计算公式为：
其中，Γ为菲涅尔反射系数，计算公式为：
Θt为折射角，η1和η2为空气和海水的折射率，ρs定义为：
步骤五，计算漫反射路径上接收端处的场强大小计算公式为：
其中，Atile表示漫反射区域小块面积，Gt,inc和Gr,inc为漫反射路径方向上发送端和接收端的天线增益，dTX,n(t)为当前时刻下漫反射点到发端的距离，dRX,n(t)为当前时刻下漫反射点到收端的距离，φR为满足[0,2π)均匀分布的随机变量，σ0,n表示每个区域小块对应的散射系数，计算公式为：
步骤六，计算镜面反射路径上的时延，公式为：
步骤七，计算漫反射路径上的时延计算公式为：
步骤八，信道响应计算公式为：
h(t)＝h3-ray(t)·(hc(t)+jhs(t))；
其中，h3-ray(t)＝ELOSδ(t)+Ecoh(t)δ(t-tcoh)+Einc(t)δ(t-tinc)；
ωm表示最大的多普勒角频率，M＝N/4代表了低频振子的数量，ρn在(0,1)内服从均匀分布。
3.如权利要求2所述的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法，其特征在于，所述步骤二中将对应时刻下发送端和接收端的海浪高度与天线高度相加作为对应时刻下发送端和接收端处的有效天线高度。
4.如权利要求2所述的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法，其特征在于，所述步骤四中根据直视路径距离和有效天线高度计算镜面反射点处的入射角和反射角的大小以及反射点到发端和收端的距离，得到反射路径上接收端处的场强大小。
5.如权利要求2所述的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法，其特征在于，所述步骤五中确定漫反射区域范围，漫反射区域为矩形，长为收发天线之间的距离dh，宽为200m；并将漫反射区域划分为若干个区域小块，每个区域小块的面积为10×10＝100m2。
6.如权利要求2所述的海上无线通信动态多径信道模型的构建方法，其特征在于，所述步骤七中计算每个区域小块对应的路径时延，其中选取区域小块中心点作为路径时延的计算点，并选取区域小块中时延的最大值作为漫反射路径上的时延。
7.一种应用权利要求1所述海上无线通信动态多径信道模型的无线通信系统。
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