信道模型
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2023年3月5日发(作者：机械制图习题集答案)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
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S为:
Lp=32.45+20lg/+201gJ(1)
式中，/为工作频率(MHz),〃为收发天线之间的距离(km)。
290
280
270
260
250
240
230
220
210
200
190
(
里
)
ai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。
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
自由空间传播损耗曲线
07080
收发天线间距离(km)
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。
一般情况下在考虑海面传播损耗时应考虑这两条路径的信号损耗。
电波在光滑球面上面的反射，见图2.其中C是路径的发射点，虚线AB
是过C点得切线。同电波在平面上发射的情形一样，电波在光滑球面上的
反射以满足入射角等于反射角的反射条件。因此当路径两端的天线高度为
曾，久和站距〃确定之后，反射点位置C就是一个确定的值，C点的位置心
必须符合下面的方程式所表示的条件：
d：--dd；-Ka(h+/?
2
)-—d
{
+Kadh,=0(2)
22
公式(1)中，d为站距(km);d
x
为反射点离一端的距离(km);d
2
=d—d
l
,
K为等效地球半径系数，设
P=1.5925K〃馆_/«)/1
2
-hA
Q=*+2.125K(他+人)
(p=
areas
P
图2反射点计算图
过反射点C得切线AB把两端的天线高度曾和他截为两部分。由于
地球的半径远远大于天线的高度，因此曾和心可用下面近似式表示：
/?,=A.+A/?.A//.=
——(7)
2Ka
h、=d+(8)
「・「-2Ka
式中：曾、心为天线高度；“为地球半径；曾和力2为天线有效高度。对
于电波在球面上的反射，只要用通过反射点所作的切面来代替球面，以天
线的有效高度代替天线的实际高度，就可以简化为在平面上的反射。在计
算时只要把天线有效高度九和心代替天线高度人和仏
就行。
这样所得到的反射衰落损耗为
^=101g---------------吹".、⑼
1+D
(
)-2£>()cos4叭儿
其中q是地面等效反射系数。在海上传播时，一般比较大，当掠射角很小
时，取到1.这样就造成比较大的衰落。
图3是基站高度为100m,频率/■为3000MHz,移动台高度人为50m,
通信距离d为0到80km,地球半径"为6400km,地球等效半径系数K=%,
地面等效反射系数2二1时反射损耗d与收发天线距离的曲线关系。
图3反射损耗与收发距离关系曲线
4024
反射损耗曲线
1080
收发天线间距离(km)
220
0020OoooooO864208
大气吸收损耗
大气中对电波的吸收起作用的主要是氧气和水蒸气，以下主要考
虑这两项：
氧分子损耗率，对于57GHz以下频段，可按下式近似计算：
水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度。有关可以用下式计算:
上式中取值为g/m3o
在微波频段，电波传播路径靠近地面，所以对微波能量的大气吸
收损耗厶a可以按下式计算，其中〃为视距传输距离：
J=(/O+/H^
大气吸收损耗仿真结果如图4所示：大乞吸收损耗与收发天线间距离
基本上是成直线关系，随着天线间距离的增加，大气吸收损耗也越来越
大。
/o=0.00719+
6.09
f2+0.221
4.81
(/-57)2+1.5
x/2xl0"5(10)
6.73+
300
(/-22・3尸+7.3
x/2pxW9(11)
(12)
图4大气吸收损耗与收发天线距离关系曲线
3结论
无线移动信道复杂多变，对它进行深入的研究有利于减少信道衰落对
通信系统的影响，改善通信质量。本文针对海上环境建立了海上电波传播损
耗预测模型。考虑了自由空间传播损耗和海面反射引起的路径损耗，以及大
气吸收损耗。
通过上文得出电波传输对信道的影响，其表达式如下：
L=L
p
+L
f
+L
a
+G
t
+G
r
(13)
式中q、G『分别为发射天线增益和接受天线增益，厶为电波海上传输损
耗。海上通信信道模型仿真结果如图5所示：传输损耗随收发天线
(C03
谑
痒
婪
客
旷
.
-K
间距离呈波浪形增长趋势。
图5未考虑天线增益的海上信道传播损
附录：海上通信信道模型代码
%自由空间传播损耗模型％
f=3000;%频率MHz%
d二0:80；%收发天线间距离％
Lp二+20*Iog(f)+20*Iog(d)；%自由空间传播损耗％
%反射损耗模型％
海上通信传播损耗曲线
600
550
500
450
400
350
300
07080
收发天线间距离＜km)
(
里
)
谑
痒
凰eIIIQL
便
：
r%
K=4/3;%地球半径系数％
D0=1;%地面等效反射系数％
f=3000;%频率MHz%
a=6400;%地球半径km%
d=0:80；%收发天线间距离km%
x1=3*10^2/f；%波长，km%
h1=50;%接收天线实际高度m%
h2=100;%发射天线实际高度m%
P=*K*d*(h2-h1);
x2=*K*(h2+h1);
Q=(d.八2)/12+x2；
A=acos(P/Q.八(3/2))；
d1=d./2+2*Q."(1/2)*cos(A/3+240);%反射点到天线一端的距
离％
d2=d-d1;%反射点到另一端的距离％h11=h1-dK2/(2*K*a)；%接收夭
线等效高度％h22=h2-d2."2/(2*K*a);%发射天线等效高度％
bb=4**d./x1；
nn二d*x1;
cc=4**h11.*h22./nn;
dd=cos(cc);
yy二2-2*D0*dd;
qq=bb."2./yy;
Lf=10*log(qq);%发射损耗％
%大气吸收损耗模型％
仁3000;%频率MHz%
d=0：80;%天线收发距离km%
p=;%水蒸气密度g/m3%
x1=f"2+；x2=(f-57厂2+;
r0=+x1+x2)%氧分子损耗％
x3="2+;
门二+300/x3)*厂2*p*；%水分子损耗％
La=(rO+r1)*d;%大气吸收损耗％
%海上通信传输损耗模型％
L二Lp+Lf+La;%传输损耗％