CN109408919A - 一种海域蒸发波导信道生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海域蒸发波导信道生成方法，通过参数设定、射线传播类型判别、公式改写、跳跃次数判别、公式求解、收发角度判别、参数计算、信道生成等步骤实现波导信道生成，其优点是将经过统计的条到达路径的信道参数带入到信道生成模块，形成蒸发波导信道。利用波导层接收端到达路径的每条到达路径实际参数，这些参数一般仅为简单实数，采用快速有效的数值计算法替代了复杂的抛物线方程计算，以减少了生成信道所需的时间，降低了生成信道的复杂度。增强光学射线方法的适用性，从而生成更符合实际情况的蒸发波导信道。

Description

一种海域蒸发波导信道生成方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种海域蒸发波导信道生成方法。

背景技术

随着海洋经济的不断增长和海洋活动的日益活跃，海域移动通信需求呈现指数增长。为了满足未来移动通信应用需求，需要开发出高速率、广覆盖、低延时的海域通信服务。近海区域能够使用陆地基站进行拓扑网络覆盖，但是由于地球曲率限制，远海区域仍存在大量通信盲区。尽管卫星可以用于覆盖这些偏远地区，但是个人终端无法负担卫星通信的高昂成本。

大气波导是一种在超视距通信领域极具发展潜力的自然现象。在海洋区域，由于海水蒸发在海洋表面形成了高湿度区域，湿度的变化会影响电磁波折射率的变化，对于一定入射角度的电磁波会产生“陷获”作用，使得电磁波在波导层内反复折射、向前传播，从而形成超视距通信。相对于卫星通信，使用蒸发波导建立的超视距通信有着很多优势，包括低传播延时、低成本和高安全性。

现有技术中，波导信道研究主要采用求解抛物线方程算法(PE)来计算场强。虽然PE方法能够近似求解波导场强和大尺度信道参数，但是无法提取出其他重要的多径信道参数，例如延时扩展，收发角度等。同时，PE法会引入大量复杂度，不能快速得到波导信道模型。因此，PE法不是波导信道建模的最佳方法。光学射线法在多径信道建模中能计算出具体射线轨迹，对于小尺度参数有着明显优势。由于现有技术中缺乏复杂海洋波浪对光学射线法建模的考虑，使得光学射线法在海域超视距信道建模领域仍处于空白阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种生成时间少、适用性强的海域蒸发波导信道生成方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种海域蒸发波导信道生成方法，包括如下步骤：

(1)参数设定，设定自然环境参数和工作系统参数；

(2)射线传播类型判别，划分射线传播类型，进行下一步骤；

(3)公式改写，根据水平距离将射线分成三个阶段，将三阶段的射线传播公式改写成以反射角为未知量的超越方程；

(4)跳跃次数判别，确定海平面反射次数范围，遍历海平面反射次数范围，若在范围之内，进行下一步骤，若超出范围，跳转到步骤(2)；

(5)公式求解，求解步骤(3)中的超越方程，反馈结果收发角度；

(6)收发角度判别，若同时满足陷获角度宽度和步骤二中角度限制要求，进行下一步骤的计算，若不满足条件时，跳转到步骤(4)；

(7)参数计算，计算得到海平面反射次数、射线传播路径长度以及收发角度，记录为第条到达路径的参数，跳转到步骤四重复上述步骤，当遍历所有类型后，跳转到步骤(8)；

(8)信道生成，将经过统计的条到达路径的信道参数带入到信道生成模块，形成蒸发波导信道。

进一步的，所述自然环境参数包括地球半径、折射因子、波导强度和波导高度；所述工作系统参数包括发送天线高度、接收天线高度和收发天线间距。

进一步的，步骤(4)中的海平面反射次数范围通过如下公式计算得到：

采用上述技术方案，利用波导层接收端到达路径的每条到达路径实际参数，这些参数一般仅为简单实数，采用快速有效的数值计算法替代了复杂的抛物线方程计算，以减少了生成信道所需的时间，降低了生成信道的复杂度，基于现实环境中海平面的粗糙程度和不同的收发间距，将反射系数和反射次数有效叠加在空间多径信道中，可以进一步增强光学射线方法的适用性，从而生成更符合实际情况的蒸发波导信道。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明中的射线传播类型分解图；

图3为本发明中的射线传播类型的另一种情况分解图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本具体实施方式披露了一种海域蒸发波导信道生成方法，具体以使用空间多径信道(SCM)模型为例，仿真中需要生成如下公式所描述的信道：

其中：

m＝1,2,...,M,表示第m条到达路径。

表示经过归一化后的第m条到达路径的增益，满足限制条件

λ_m表示第m条到达路径的反射次数。

表示反射系数，S为海浪遮蔽导致的阴影遮蔽因子，D为长距离传播导致的电磁波分散因子，Γ为不同介质导致的海面反射因子，h₀为海浪高度，θ_Δ为射线入射海面角度。

L_m＝l₁+N_ml₂+l₃，表示第m条到达路径的实际传播长度。

表示第m条到达路径经历实际传播长度带来的相位偏移，f_c为工作系统中心频点，c为电磁波传播速度。

λ_mπ，表示第m条到达路径经过λ_m次镜面反射带来的相位偏移。

φ，表示随机海浪高度带来的相位偏移。

表示第m条到达路径的多普勒频移，v为船只移动速度，λ₀为载波波长，θ₀为第m条到达路径与船只移动方向的夹角。

由于发送端和接收端都采用单天线的情况，蒸发波导信道在第m条到达路径的参数计算步骤如下：

步骤一：参数设定，按照自然海洋环境输入地球半径R，折射因子n，波导强度ΔM，波导高度h_e。按照工作系统输入发送天线高度h_t，接收天线高度h_r，收发天线间距d。

步骤二：射线传播类型判别。如图2所示，将射线传播类型分解为三个阶段。

d＝d₁+Nd₂+d₃ (2)

其中，第一阶段水平距离d₁，实际传播路径长度l₁。在发射天线高度h_t时，以发送角θ_t发射电磁波，第一种情况如图2所示，到达折射顶点p_t，第二种情况如图3所示，到达海平面p_s。h_Δ表示该射线的折射顶点距离海平面的最高高度，θ_Δ表示射线入射海平面的夹角。

第二阶段水平距离Nd₂，实际传播路径长度Nl₂，包含了N次完整的跳跃过程。一个完整的跳跃过程如图2中可表示为p_t→p_s→p_t，如图3可表示为 p_s→p_t→p_s。

第三阶段水平距离d₃，实际传播路径长度l₃。由于收发角度不同，该阶段共分为四种类型。

第一类：(Θ₁:θ_t＞0,θ_r＞0)，对应轨迹过程p_t→p_s→p_r。

第二类：(Θ₂:θ_t＞0,θ_r＜0)，对应轨迹过程p_t→p_r。

第三类：(Θ₃:θ_t＜0,θ_r＞0)，对应轨迹过程p_s→p_r。

第四类：(Θ₄:θ_t＜0,θ_r＜0)，对应轨迹过程p_s→p_t→p_r。

综合三个阶段，射线传播类型可分为4类，逐类进行下一步骤的计算，当遍历所有类型后，跳转到步骤八。

步骤三：公式改写。根据下表将公式2改写成以θ_t为未知量的超越方程。

步骤四：跳跃次数判别。

由表1可得到由于0＜d₁+d₃＜2d₂。因此海平面反射次数范围为遍历海平面反射次数范围，若反射次数在范围之内，进行下一步骤的计算，若超出范围，跳转到步骤二，处理下一类型。

步骤五：公式求解。求解仅存在θ_t的超越方程，反馈计算结果θ_t，并得到接收角θ_r。

步骤六：收发角度判别。收发角度不仅需要满足陷获角度宽度

而且需要满足步骤二中角度限制要求Θ_i。若同时满足两个条件，进行下一步骤的计算，若不满足条件时，跳转到步骤四。

步骤七：参数计算。根据下表计算出海平面反射次数，射线传播路径长度，并将此以及收发角度信息记录为第m条到达路径的参数。跳转到步骤四。

步骤八：信道生成。经过统计的M条到达路径的信道参数带入到SCM模型，从而形成蒸发波导信道。

利用波导层接收端到达路径的每条到达路径实际参数，这些参数一般仅为简单实数，采用快速有效的数值计算法替代了复杂的抛物线方程计算，以减少了生成信道所需的时间，降低了生成信道的复杂度，基于现实环境中海平面的粗糙程度和不同的收发间距，将反射系数和反射次数有效叠加在空间多径信道中，可以进一步增强光学射线方法的适用性，从而生成更符合实际情况的蒸发波导信道。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种海域蒸发波导信道生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)参数设定，设定自然环境参数和工作系统参数；

(2)射线传播类型判别，划分射线传播类型，进行下一步骤；

(3)公式改写，根据水平距离将射线分成三个阶段，将三阶段的射线传播公式改写成以反射角为未知量的超越方程；

(4)跳跃次数判别，确定海平面反射次数范围，遍历海平面反射次数范围，若在范围之内，进行下一步骤，若超出范围，跳转到步骤(2)；

(5)公式求解，求解步骤(3)中的超越方程，反馈结果收发角度；

(6)收发角度判别，若同时满足陷获角度宽度和步骤二中角度限制要求，进行下一步骤的计算，若不满足条件时，跳转到步骤(4)；

(7)参数计算，计算得到海平面反射次数、射线传播路径长度以及收发角度，记录为第m条到达路径的参数，跳转到步骤四重复上述步骤，当遍历所有类型后，跳转到步骤(8)；

(8)信道生成，将经过统计的M条到达路径的信道参数带入到信道生成模块，形成蒸发波导信道。

2.根据权利要求1所述的一种海域蒸发波导信道生成方法，其特征在于，所述自然环境参数包括地球半径、折射因子、波导强度和波导高度；所述工作系统参数包括发送天线高度、接收天线高度和收发天线间距。

3.根据权利要求1所述的一种海域蒸发波导信道生成方法，其特征在于，步骤(4)中的海平面反射次数范围通过如下公式计算得到：其中d表示信号传播距离，d_2,min表示第二阶段信号传播距离。