关于海面无线传播模型的探讨
海面无线电波传播损耗模型研究

海面无线电波传播损耗模型研究作者:王天赐刘超杨钦钦来源:《科学与信息化》2018年第24期摘要我们分析了高频信号(HF)在海面反射过程中的强度变化过程,由此建立了一套关于海情状况与高频信号(HF)反射率的相关系统:随着海情状况不同,海面的波浪系数不同,随之改变海面的介电常数,结合菲涅尔公式,计算出不同海情状况下,对应的高频信号反射率。
反射强度之比即为反射率之比。
关键词菲涅尔公式;介电常数;反射率1 模型建立1.1 背景介绍高频短波指的是一种频率范围在3-30MHz的电磁波,它相比低频段电磁波,具有空间管理能力大,频率资源丰富的特点。
利用高频短波信号进行通信时,要经过多次反射才能在终端之间进行通信,其中包含了在海平面间的反射,我们由此建立了一套解决信号在海平面反射前后能量变化的模型。
海面对波的反射,根据入射角的不同而不同。
由已知的Bragg共振散射模型,海浪谱可以看作由无限个振幅不同、频率不同、方向不同等具有明显的随机性,从而会影响海洋的局部介电常数,改变入射的角度。
在海洋中,反射率会受到海水温度、海水盐度、海面风向的影响。
1.2 问题假设和模型建立我们假设:(1)对于平静的海面,其介电常数为定值。
(2)对于湍流的海洋,其介电常数及磁导率等会随着海水的流速、风级以及海浪的方向等不同而不同。
设定海水流速,风向以及观测方向夹角,分别取不同的风速、风浪谱宽,得倒涌浪波高,在频域内采样,将涌浪波高归一化处理,加入随机因素,得倒海面全谱(全谱=涌浪普+风浪谱)。
考虑波的反射从微观角度考虑,及仅可从一个波浪入手去考虑,且仅考虑海面以上的部分。
海水的湍急程度以及风向等会影响海浪的高度以及介电常数,利用matlab仿真出在小范围内的一个海浪的PM图。
2 模型求解2.1 海水介电常数的计算海水的介电常数使用Debye Equation计算:其中,,为自由空间介电常数;;;为电磁波角频率。
与温度和盐度的关系表达式分别如下:其中,分别为海水的盐度(‰)和温度(℃)。
高品质地波及海面电磁波传播特性及预测模型研究

高品质地波及海面电磁波传播特性及预测模型研究1. 引言电磁波传播特性与预测是电磁场理论和应用领域的重要研究方向。
海面电磁波传播特性是其中的一个重要方面,具有广泛应用价值。
因此,本文将阐述高品质地波及海面电磁波传播特性及预测模型的研究。
2. 海面电磁波传播特性在海洋上,电磁波的传播特性与陆地上有很大差异。
首先,水分子对电磁波的强烈吸收和散射现象导致电磁波在水中的传播衰减较快。
同时,海面波浪也会对电磁波的传播造成干扰,导致信号的衰减和失真。
因此,为了解决海面电磁波传播的问题,需要研究适合海面传播的频率范围、天线高度和传播距离。
2.1 频率范围海面电磁波传播频率范围一般选择在800 MHz到6 GHz之间。
因为这一频率范围下的电磁波能够通过波浪层和水面层的传播衰减区域,同时也不受雷电等自然干扰的影响。
2.2 天线高度针对海面电磁波传播特性,天线高度的选择也非常关键。
合理提高天线高度可以降低频率下电磁波穿过波浪层和水面层的传播衰减带宽,同时降低海面波浪干扰的影响。
2.3 传播距离海面电磁波传播距离与海面条件、大气状况、发射功率和接收灵敏度等因素有关。
当前,已经研究出了不同频率下不同距离的电磁波传播损耗模型,可以有效预测传输距离。
3. 高品质地波及海面电磁波传播预测模型高品质地波及海面电磁波传播预测模型的研究是为了找到一种能够准确预测海面电磁波传播的模型。
目前,已经形成了一些预测模型。
3.1 理论模型理论模型是挖掘电磁波和海面相关参数之间的数学公式。
这种方法是研究海面电磁波传播的传统方法,准确性较好,但需要大量实验数据进行校准。
3.2 基于机器学习的预测模型机器学习模型,作为一种新的预测模型,可以在一定程度上弥补理论模型中的不足。
机器学习方法可以自动从海面电磁波的传播历史数据中抽取特征,寻找电磁波传播的规律,对预测模型进行优化。
随着机器学习技术的发展,近年来基于机器学习的预测模型得到了迅速发展,在海洋采油打井、海上通讯等方面得到了广泛应用。
海洋表面无线电传播的多跳模型

2018年15期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application海洋表面无线电传播的多跳模型常瑞廷,王智豪,陈沁宇(河海大学大禹学院,江苏南京211000)1问题重述建立海洋表面的无线高频段(频率范围定义为3-10MHz )电信号传播的数学模型。
对于一个100瓦的低于最大可用频率的高频段恒定载波信号,从陆地上的一个点源,确定从一个湍流海洋的第一反射的强度。
如果从平静的海洋发生附加的反射(2到n ),信号在其强度低于10dB 的可用信噪比阈值之前所能达到的最大跳数是多少?2模型建立与分析2.1自由空间及电离层损耗模型首先根据短波段衰减条件将信号传递过程分为两段:第一段是短波段由地面发射装置发射到第一次到达电离层,由于直线传播且没有障碍物,我们根据自由空间路径损耗计算衰减;第二段为从第一次出电离层开始出发多跳反射,经电离层、海面反射等多种损耗,最终可计算出综合折损效益。
当电磁波由陆地点源A 发出,与地面呈θ角度向空中入射,假设则电磁波所经过的自由路径为P ,可由几何关系得出P 与地球半径R 、电离层高度H 的关系:cos (θ+90°)=P 2+R 2-(H+R )22PR式中,H=100km ,地球半径R=6370km ,通过Mathematics 计算可得(在这里引入它,t=cos (θ+90°)):P=12740t+125362空间信号吸收因素是:[1]I i =(1+0.0037R 12)(cos0.881X )1.3在该式中,X 为两倍100km 高度处吸收太阳天顶角,φ为电离层100km 处两倍的太阳天顶角,这两个此数值与纬度有关,以北纬30°为例,此时Х=60,R 12为太阳活动预测中心提供的每十一年太阳黑子活跃数。
f H 为电磁旋转频率;Φ为100km 处的太阳入射角。
L a =677.2(f+f H )1.98+10.2sec φ°I i综合上述公式可得自由路径损失:L bf =32.45+20logf+20log2P 总损失数值:L b =L bf +L a +L g +Y PL g 地面反射损失(计单次反射L g =0);Y P 为系统附加损失。
水下无线信号传输技术研究

水下无线信号传输技术研究水下无线信号传输技术是指在水下环境下,通过无线电磁波或声波等方式实现信息的传输。
这项技术在水下勘探、海洋科学、水下通信等领域有着广泛的应用。
目前,随着科技的发展,水下无线信号传输技术的研究也取得了很大的进展,但是仍然存在许多挑战和难点。
一、水下环境特殊性与陆地环境相比,水下环境的物理、化学和生物等方面具有很大的不同,这对于水下无线信号传输技术提出了很高的要求。
首先,水下环境的介电常数和媒质损耗比陆地的大,这导致了信号的传输距离相对较短。
其次,水下环境的水流和波浪等自然因素会对无线信号产生干扰和衰减,这使得信号的传输质量难以维持。
还有,水下生物、沉积物和水母等生物体也会对信号的传输造成一定的影响。
二、传输方式选择水下无线信号传输技术的传输方式选择取决于信号的带宽需求和传输距离。
在较短的距离内,可采用声波和电磁波相结合的方式进行传输。
其中,声波传输主要用于声学通信,可用于短距离的通讯,其传输速度较慢但保真度高;电磁波传输则轻便易用,速度较快但在广域范围内需要使用大功率发射器。
如果需要在长距离范围内进行传输,则更适宜采用自由空间光学传输,但实施难度大,需要考虑大气吸收的影响。
三、研究进展当前,针对水下无线信号传输技术,研究重点主要集中在如何降低传输损耗和干扰的问题上。
目前研究人员逐渐采用智能化的技术来对信号进行优化处理,例如基于人工智能的无线信号处理技术可对信号进行实时分析调整,提高传输的抗干扰能力;基于信息论的研究可帮助设计合理的编解码技术和调制方式,进一步优化传输效果。
此外,水下光纤通信技术、随机多址技术和分布式天线网络技术等也被广泛应用于水下信号传输领域,取得了一定的成就。
在未来,水下无线信号传输技术将在海洋测绘、资源勘探、海上通信和控制等领域发挥重要作用。
研究人员需要不断探索水下环境下的无线信号传输特性和技术创新,提出高效的解决方案,以实现对海洋信息的充分利用和掌控。
海上通信信道模型

海上通信信道模型摘 要 海上的通信通常工作在复杂多变的信道环境下,由于受地球弧度和海浪、船只、海浪等的遮挡,以及存在深衰落和多径效应,设计海上通信系统时需要充分考虑这些不利因素的影响。
本文只就海面反射以及大气吸收损耗做出简单的海上通信信道模型,通过Matlab 进行信道仿真,并对仿真结果进行了简要的分析。
关键词 海上信道特性;海面反射;大气吸收损耗;信道建模与仿真海上通信同陆地上通信相比,具有自己的环境特点。
首先,在地形上,海上障碍物遮挡比较少,这样导致的直接结果就是电波传播余隙大,所以电波在海上传播时,绕射损耗比陆地上小。
同时,传播余隙增大,增加了电波反射。
并且电磁波在海上传播时,如果掠射角很小,在微波波段内反射系数就比较大。
这样反射波的影响也比在陆地上大。
本文仅考虑海上通信信道为海面反射以及大气吸收损耗的简单模型,没有考虑绕射损耗、云雾衰减、雨衰、海浪高度以及海洋恶劣环境等因素的影响,对海面反射以及大气吸收损耗的简单模型进行仿真运算。
2 信道传播特性 2.1 自由空间传播损耗在海上通信传播模型当中,一般将电波视作自由空间传播,由参考文献可知自由空间传播损耗p L 为:d f L p lg 20lg 2045.32++= (1)式中,f为工作频率(MHz),d为收发天线之间的距离(km)。
图1 空间传播损耗与收发天线距离之间关系曲线自由空间传播损耗仿真结果如图1,可以看出自由空间损耗与天线间收发距离基本上是成对数增长关系,随着天线间距离的增加,自由空间损耗呈对数增长。
2.2 海面反射传播损耗目前,在移动通信的海面传播损耗预测中,一般都把海面的电波视作自由空间传播,这与实际情况有较大的误差。
因为,在海面上接收的信号除了直接的视距信号外,还有海面反射信号。
地球是个球体,所以在地面和海面都不是平面,而是球面,因此电波通过海面的反射,实际上是光滑球面对电波的反射。
总的接收信号应是直射与海面反射的合成信号。
海洋表面无线电传播的多跳模型

海洋表面无线电传播的多跳模型作者:常瑞廷王智豪陈沁宇来源:《科技创新与应用》2018年第15期摘要:随着军备竞争与通信技术发展,海洋表面无线电传播技术得到越来越多关注。
文章根据针对不同海面表面信号传播折损问题,分别利用菲涅尔原理和Miller-Brown模型建立平静海面与湍流海面表面折损模型,并通过窄角抛物方程进行模型修正海浪阴影效益;并通过两海面模型对比,得出入射角度与平静海面与湍流海面的海面信号折损的差值呈正相关;最后引入信噪比模型概念,得出100瓦高频段恒定载波信号在平静海面多跳模型中最大条数为十次,具有一定的工程实际意义。
关键词:多跳模型;菲涅尔原理;Miller-Brown模型中图分类号:TN011.3 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2018)15-0058-02Abstract: With the development of arms competition and communication technology, more and more attention has been paid to the radio communication technology of ocean surface. In this paper, according to the problem of the propagation loss of different surface signals, the surface loss models of calm and turbulent sea surfaces are established using Fresnel principle and Miller-Brown model respectively, and the model is used to modify the shading benefit of ocean waves through the narrow angle parabolic equation. By comparing the two sea surface models, it is found that the incident angle is positively correlated with the difference of the signal loss between the calm sea surface and the turbulent sea surface. Finally, the concept about Signal-to-Noise ratio (SNR,S/N) model is introduced. It is concluded that the maximum number of strips of 100-watt high frequency constant carrier signal in the multi-hop model of calm sea is 10 times, which has certain engineering practical significance.Keywords: multi-hop model; Fresnel principle; Miller-Brown model1 问题重述建立海洋表面的无线高频段(频率范围定义为3-10MHz)电信号传播的数学模型。
一种海面电磁波的传播模型的研究

108 集成电路应用 第 36 卷 第 7 期(总第 310 期)2019 年 7 月Applications创新应用面,纵轴为距离地面的垂直高度。
假设常用的无线电波为横电磁波,即电场 E、磁场 H 与传播方向之间互相垂直,并且电场方向与入射平面平行,尽管电场与磁场的传播过程是三维的,对结果并不产生影响。
结合麦克斯韦方程组可得出电场与磁场的矢量表达式为式(1)。
(1)式中,θ为电磁波传播方向与地面形成的角度,e E 为电场方向,e n 为传播方向,E m 为电场幅值,α为衰减因子,ω为电磁波的频率,β为相位常数, 为波阻抗。
由电磁场的能流密度 S=E×H,可求得电磁场功率。
根据电动力学中的结论,横电磁波在空气中的传播有电场与磁场的振幅呈指数衰减、波阻抗1 引言在这个信息技术飞速发展的时代,无线电传输具有非常重要的意义。
然而信息是不会无任何理由,突然出现在我们面前,总是需要一定的介质来传播。
对于频率低于最大可用频率(MUF)的高频无线电波,它们从地面的发射源出发,经电离层反射回地球,再从地球反射回电离层[1],周而复始,每经过一次跳跃就行进得更远。
在许多因素的影响下,反射表面的参数决定了反射波的强度和信号在保持可用信号强度的情况下所能传播的最远距离。
同样的,最大可用频率也会由于季节、和太阳的距离、以及一天中的不同时段等情况而产生变化。
2 横电磁波假设在时变的情况下,电场和磁场相互激励,在空间形成电磁波,时变电磁场的能量以电磁波的形式进行传播。
电磁场的波动方程由麦克斯韦方程组建立,描述了电磁场的波动性。
将问题的考虑局限于二维,建立二维坐标系,横轴为地球表面,即海平基金项目:四川教育系统科技创新课题项目。
作者简介:苏洪博,四川大学物理科学与技术学院,研究方向:电磁波的传播模型。
姜天鸽,四川大学物理科学与技术学院,研究方向:物理学。
王鹏飞,四川大学物理科学与技术学院,研究方向:物理学。
收稿日期:2019-05-05,修回日期:2019-06-09。
海上VHF无线信号传播模型测试验证研究

交通运输部海事局通过近10年的AIS岸基系统建设,现已建成全世界最大的AIS岸基网络,覆盖了沿海30海里以内水域和内河四级及以上高等级航道。
但随着海上无线数据通信业务量和船岸、船舶之间的数据业务交流需求快速增长,以实现船舶相互识别和避免碰撞为主要目标的AIS,却逐渐额外承担起了船岸数据通信的任务,导致AIS信息阻塞等问题,进而影响航行安全。
2013年,国际海事组织(IMO )提出发展VDES系统,以解决AIS数据通信的压力。
VDES系统是AIS系统的加强和升级版,在集成了现有AIS功能的基础上,增加了特殊应用报文(ASM )和宽带甚高频数据交换(VDE )功能,可以有效缓解现有AIS 数据通信的压力,为保护船舶航行安全提供有效的辅助手段,同时也将全面提升水上数据通信的能力和频率使VHF Radio Signal Propagation Model海上VHF无线信号传播模型测试验证研究邓祝森1,夏启兵1,李 巍1 ,苏 青2 ,郭泽辉2邓祝森,男,正高级工程师,毕业于大连海事大学交通运输管理工程(航标管理)专业,现任交通运输部北海航海保障中心副主任。
长期从事航标管理、船舶管理、信息化建设等管理和研究工作,先后主持或参与70余项技术标准、管理规定编制,主持或参与40余项科技创新研究课题,获国家专项资金支持1项,获省部级科技奖励3项、发明专利1项、实用新型专利2项、外观设计专利1项。
收稿日期:2020-12-23;修回日期:2021-03-18(1.北海航海保障中心 天津 300450;2.遨海科技有限公司 辽宁 大连 116000)DENG Zhu-sen1, XIA Qi-bing1, LI Wei1, SU Qing2, GUO Ze-hui2(1.NGCN, Tianjin 300450,China; 2. Aohai Technology Co., Ltd., Dalian, Liaoning 116000, China)摘 要:以甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,VDES)为研究对象,合理选用有效可行的海上传播模型,并通过两次海上航行试验,验证VDES系统中各信道在不同距离下的通信能力,判断影响VDES系统通信距离的主要因素,为VDES系统的建设提供技术支撑。
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关于海面无线传播模型的探讨
(2004-01-17 16:35:23)
华为公司无线网络规划部何群黄云鹏
I.概述
随着人们对移动通信业务的依赖,人们期望在不久的将来能够实现无论何时何地都可以快捷方便地与任何人通话。
运营商也在从城市向农村甚至边远地区不断地拓展其业务范围。
在过去,当无线业务主要集中在人口稠密区时,人们主要关心的是市区传播模型、郊区传播模型和开阔地传播模型,而对海面这种特殊的无线传播环境研究较少。
随着经济的发展,沿海渔业、海上旅游业也迅速发展,尤其是渔民对移动通信的需求量很大,这些用户已经成为沿海城市运营商争夺的重点。
目前经典文献中认为海面无线信号的传播可以看作自由空间传播,但根据华为公司的海面测试结果,证明自由空间传播模型并不适用于预测海面覆盖;而采用Okumura-Hata模型加修正系数后也不能很好地适用海面传播环境。
本文在实测数据的基础上,结合二波模型并根据海面传播环境特点加以修正,拟合出了适合于海面覆盖预测的新的无线传播模型。
该模型是在900MHz频段上拟合出来的,对其它移动通信频段的覆盖预测也有借鉴意义。
海面远距离覆盖需要结合双时隙小区技术。
本文仅探讨海面这种特定环境下的传播模型,双时隙小区技术请参考相关资料。
A.无线环境特点
无线电波在海面传播时,传播路径主要是通过空气传播的直达波和经过海面反射的反射波。
对于在海面船只上的移动台,受海浪的影响,移动台的实际高度有较大起伏。
而船只大小不同,也将使得移动台的使用高度发生变化。
根据华为公司对福建漳州附近的调查,一般渔船驾驶舱高度为3米左右,而客轮约为20米左右。
服务海面的基站通常选择在沿海山顶建塔,高度在50~200米之间不等。
由于海面传播损耗很小,信号可以传播到很远的海面上。
此时,地球不能再看作平面,而应把它看作球面,即地球曲率将对信号传播产生影响。
另外处于传播路径上的岛屿、山、巨轮也会对信号传播到来阴影效应。
海面传播路径如下图所示。
由于基站和移动台高度通常远小于传播距离,反射波的入射角和反射角很小,且相等。
II.海面传播模型
2001年11月华为公司在东海进行了两次海面覆盖测试,根据对海面900MHz信号测试数据的分析,提出了新的适合海面环境的传播模型。
A.第一次海面测试及数据分析
第一次测试:福建漳州东海,基站位于海边山顶上,机柜顶输出功率80W,20米5/4"馈线(加跳线、接头损耗约1dB)。
基站天线海拔高度200米,采用65度定向天线,增益18dBi,倾角为0度。
对着大海的扇区方位角为80 °。
测试手机位于渔船驾驶舱内,除驾驶舱玻璃外手机可以直视基站天线,手机海拔高度3米,沿基站天线主瓣方向行驶(可以忽略天线波瓣对辐射的影响)。
测试时有较大海浪导致未完成全程测试,只测试了距基站6
公里~42公里范围。
首先以1公里为间隔进行样点平均,以消除海浪颠簸带来的数据波动,同时减少样点数。
Pdn为(d-0.5, d+0.5)区间的采样点接收功率,N为采样区间内的样点总数。
B.第二次海面测试及数据分析
第二次测试:与第一次测试为同一基站,各项参数未变。
测试用船只为货轮,测试设备为ANT,始终在甲板上测试,甲板海拔高度约10米。
样点从距基站40公里~90公里。
C.海面传播模型的建立
当基站的无线信号辐射到海面时会产生多个反射波,但能够被移动台接收到的一般只有
一个反射波,其它反射波由于反射角不同被反射到其它区域。
因此海面无线传播具有二波特征,考虑到船体损耗、地球曲率的影响,并根据实测数据进行修正,新的海面传播模型如下:
其中,L path为海面传播路径损耗;
H t为基站天线高度(单位:米);
H r为移动台天线高度(单位:米);
l为波长(单位:米);
d为距离(单位:公里)
L0为自由空间传播损耗;
L boat为船体穿透损耗;
L earth为超过视线距离后的地球曲率引起的绕射损耗;
a为修正系数。
根据第一次测试数据拟合公式(11),a取值为5dB,L boat取值为10dB(不同类型的船只损耗不同,上述测试过程中测试手机与基站间有船舱玻璃间隔)。
没有超出视线距离时,L earth取值为0dB,超过视线距离后,L earth见后续分析。
采用上述模型预测接收功率与两次实测数据的对比及两者误差如下所示:
新模型的预测误差除在刚开始测量的7公里处误差近10dB以外,其它样点上的误差均
小于5dB以内,且两者的电平衰减趋势保持一致。
第二次测试时在甲板上测试,修正系数仍然取a=5dB,无船体穿透损耗。
测试手机高度约10米,视线距离为71.3公里(关于视线距离的定义和计算见下节)。
从上图可以看出,在距基站直线距离50~71公里范围内,预测电平与实测电平误差很小(≤3dB),因此上述拟合的模型在该范围可以比较准确地进行覆盖预测。
超过71公里后,预测误差急剧升高,信号损耗较大。
在2.4节中,将分析具体原因。
D.地球曲率对海面传播的影响
对于海面覆盖,基站通常假设于海边山顶,无线信号的传播距离很远。
此时必须考虑地球曲率对海面传播的影响,而不能继续把海面视作平面。
在计算远处传播损耗时应考虑到:电波在球面上传播时的扩散作用,导致接收电平的变化。
视线距离的定义:由于地球是球形的,凸起的地表面会挡住视线,视线所能到达的最远距离称为视线距离。
根据球面几何原理,视线距离d0:
其中,R0为地球半径(6370km);
Ht、Hr分别是发射和接收天线高度,单位:M。
由于空气的压力、温度、湿度随着高度而变化,所以介电常数e r也随高度而减小,并由于空气稀薄而逐渐趋于0。
使得电波在对流层中的传播轨迹不是直线而是沿地球曲率方向
的曲线。
即电波在对流层中传播时出现折射,折射系数n= (e r)1/2。
这种折射现象相当于地球半径增大,因此对地球半径乘一系数k。
在标准大气压折射情况下k = 4/3。
在标准大气折射下,修正公式为:
将H t=0.2km 与Hr=0.01km 带入公式中计算得出d0=71.7km。
由此验证了当手机与基站相距71km后,当移动台超出了基站的视线距离后,进入了阴影区。
信号受到了绕射损耗的颢响而衰落较大。
E.地球曲率引起的绕射损耗
当移动台远离基站并超过视线距离后就进入了阴影区域,地球表面对信号传播产生绕射影响,此时接收电平将快速下降。
但尽管如此,大多数情况下接收机仍可以工作。
由于地球曲率的影响,因地球表面带来的绕射损耗的计算比经典的刃形绕射模型还要复杂。
为便于计算简化成如下:
其中,Pr:接收电平(dBm);P0:视线距离处的接收电平(dBm);d:当前测试点距基站的距离(km);d0:视线距离(km)。
III.结论
本文海面实测数据的基础上,推导了适用于海面远距离传播的无线传播模型,该模型在视线距离内预测误差小于5dB。
超过视线距离后的绕射损耗的预测还比较简单,有待继续研究。