[发明专利]海上无线通信动态多径信道模型及构建方法

说明书

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。

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。例如基于希腊爱琴海的实测多径海上信道模型。Reyes-Guerrero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。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。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。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。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。基于PO(PhysicalOptics)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。