思维导图
1 海上信道环境分类
2 在海上信道建模的关键概念
- 2.1 重要定义和参数
- 2.2 传播损耗的测量与建模
3 海上信道模型分类
- 4 海上微波传播的信道模型
- 4.1 基于宽带海上信道建模
- 4.2 基于时域有限差分法的海上信道建模FDTD
- 4.3 2Ghz海上移动无线信道多径时延分布的实验研究
- 4.4 5Ghz附近海域移动无线电波传播的模拟
- 4.5 基于毫米波的新型海上信道模型
- 4.6 无线电波在海面上传播的多径信道模型
- 4.7 地面管道的信道模型
- 4.8 无线链路的信道衰落余量
- 4.9 使用蒸发导管的马来西亚海上无线电链路
- 4.10 利用蒸发波导实现大容量、长距离微波海上传输
- 4.11 海面毫米波的多径时延分布和多普勒扩展
- 4.12 基于光线跟踪的钓鱼岛海上通信无线信道建模
- 4.13 2.4ghz陆地对船海上无线信道的测量与分析
- 4.14 海面Ka波段随机多径模型研究
- 4.15 基于FDTD方法的无人机与水面舰艇通道建模
5 比较信道模型

本文参考文献Wireless Channel Models for Over-the-SeaCommunication: A Comparative Study
思维导图中的扩号内的标号对应文献中的参考文献标号。

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1 海上信道环境分类

【拓展文献】A survey on channel MOdels for readio propagation over the sea Surface
海上微波传播的环境有两种：近海面环境、数百米以上

需要考虑三条传播路径：直射、来自海面的反射和由蒸发管引起的折射组成的三射线传播模型

2 在海上信道建模的关键概念

设计用于海上无线通信的无线信道可能会经历频率选择性衰落、慢衰落和快衰落。小尺度衰落是由于各种多径信号的相位和振幅的随机性造成的部分。
从数学上讲，可以使用信道脉冲响应来模拟多径传播。功率延迟曲线（PDP）是多径信道中信号强度随时间延迟的函数。从PDP中提取的信道时延扩展参数，如平均剩余时延、最大时延和均方根时延，是无线传输系统信道设计的重要特征。

2.1 重要定义和参数

（1）多径传播：传播这使得无线电信号通过两条或多条路径传播到位于接收端的天线，这可以被视为多径传播。多径可能由折射、反射、大气管道等引起。
（2）视距（Los）传播：电磁辐射倾向于沿着直接路径从一个源向目的地传传播。这种电磁（EM）传播的固有特性，在发射天线和接收天线之间没有任何障碍，称为视距传播。波或射线可能在其路径上发生折射、衍射和反射。

（3）非视距传播(nLos)和非视距之外传播(beyound nLos)
• 非视距传播是指无线电信号沿着一条路径传输，该路径中有一个物理物体挡住了它，并因此部分受阻。信号在菲涅耳区最内侧部分受阻。信号在菲涅耳最里面部分受阻。菲涅耳区是发射天线和接收天线之间的一个椭圆形区域。该区域被广泛用于理解发射天线和接收天线发射的波的强度。此外，该区域可用于估计靠近连接发射机和接收机的线路的任何障碍物是否会导致严重的内部干扰。

• 超视距传播是传播的一种特殊情况，在这种情况下，nLoS传播会遇到由于长距离传输而被巨大的地形、地球隆起等阻塞的链路。

（4）慢衰落和快衰落：当应用的延迟要求相对地小于信道的相干时间时，会导致慢衰落。相反，当应用的延迟要求大于相干时间时，会发生快速衰落。
（5）瑞利和莱斯衰落：瑞利衰落是表示传播环境对无线电信号影响的统计模型。根据这个模型，信号通过传输介质（通信信道）时会随机衰减。此外，这种衰落将按照瑞利分布发生，瑞利分布是两个不相关的高斯随机变量之和的径向分量。Rician衰落是指除了有间接的多径信号以外，还有直接的LOS路径（即视距路径）信号，这两者信号会出现部分抵消的情况，但不会出现完全抵消，因为直接路径的信号强度要强于间接路径。
（6）频率选择性衰落：是由于无线电信号的部分消散而产生的无线电传播失真。如果有一个信号通过两条不同的路径传播，其中一条会发生变化。在这种衰落中，信号的带宽大于相干带宽。
（7）衰减余量(fade margin):是系统设计者考虑未知变量的容差,衰减余量越高，整体链路质量越好。将衰落余量设置为零，链路预算仍然有效，仅在LOS条件下，这对大多数设计来说不太现实。
（8）延迟扩展：是多路径组件可能在不同的时间到达目的地。延迟扩展可以定义为第一个和最后一个多径分量到达时间的差。
（9）符号间干扰（ISI）：假设符号周期为Ts并且延迟扩展为Tm如果Ts <Tm，则发生ISI。它是一种信号失真，导致一个符号与后续符号发生干扰。
（10）平均超额延迟：平均值剩余时延和均方根时延扩展是可以从PDP中提取的多径信道参数。PDP的精确一阶矩可以表示为平均超额延迟。
（11）大气导管：是低层大气中的水平层。在大气管道中，无线电信号是通过管道传输的，它们总是沿着地球的曲率变化。在这种情况下，波会因大气折射而弯曲。这种管道的特性和形成受一定大气折射率的影响。大气管道有四种类型。根据其形成过程和折射率剖面，将其分为四类。蒸发管道、地基管道、高架管道和地面管道。地面风管主要是由逆温引起的。蒸发导管是表面风管的一种特殊形式。蒸发管是由于湿度随海拔高度迅速降低而形成的折射层。这发生在存在大气表层的水体上方。高密度空气层形成高架管道。它们从高空开始，然后继续向上。这些导管主要影响非常高的频率。这种光线的弯曲发生在超折射条件下。当上层的空气与表面上/附近的空气相比温暖干燥时，就会出现基于表面的风管。以下是高架蒸发管道的收发器平台。

2.2 传播损耗的测量与建模

（1）简单估计传播损耗
信道测量需要一个发射机和一个接收机。如图显示了使用连续波进行无线电波传播测量的基本设置。在发射天线发出信号之前，对信号发生器的输出进行放大。当信号通过另一个海道时，信号被接收天线捕获。之后，信号被过滤并显示在频谱分析仪上。
传播损耗估计公式

PT是信号发生器的输出功率，GAmp是放大器大增益，GAntT是发射天线的增益，GAntR是滤波器的损耗，Lf是频谱分析仪中指示的功率。

（2）当自由空间和晴朗的空气条件时
传播损耗可用自由空间损耗（FSL）模型进行建模，其中LFSL 为自由空间损耗（dB），d为传播距离，f为频率。

（3）当海面反射与LOS同时存在时
用双射线模型计算传播损耗

L2−ray是双光路损耗，单位为dB，ht是发射器的高度，hr是接收器的高度，λ是波长。
（4）假设存在水平均匀蒸发管层的简化三射线模型可以表示为简化的三维模型。
传播损耗计算公式：

ht和hr分别为发射器和接收器的高度，单位为米，he为有效管道高度，λ为波长，单位为米，d为传播距离，单位为米。

3 海上信道模型分类

4 海上微波传播的信道模型

（1）按传播方式分类

（2）按发射接收机的移动分类

4.1 基于宽带海上信道建模

这个信道模型是专门为希腊爱情海设计使用的，对于船与船之间的交流系统，文献【Measurements and Wideband Channel Characterization for Over-the-sea Propagation】中的信道频率为1.9ghz。路径损耗方程为

n是衰减因子，PL(d0)是距离发射机的距离d0的特定位置测量的路径损耗，d表示the distance of interest(本人不知道这个怎么翻译)
该模型的主要问题是考虑了多径效应，而多径效应只因海岸线丘陵而产生。波浪起伏引起的多径效应被忽略了。它对非视距传播链路的时延较大，且系统对全球定位系统（GPS）的依赖性太强。

4.2 基于时域有限差分法的海上信道建模FDTD

文献【Marine Communications Channel Modeling Using the Finite-Difference Time Domain Method】中提出用该模型用于部署无人机于低海面上作战的通信信道。
通过对仿真结果的分析发现，对于固定的发射和接收位置，仿真结果给出了广义的路径损耗指数、标准差、平均剩余时延和均方根时延作为频率和可观测海面高度的函数。

文献中无线信道仿真是使用一个PM频谱模型来进行的，该模型代表了一个具有深海的北大西洋区域。

4.3 2Ghz海上移动无线信道多径时延分布的实验研究

【Experimental multipath delay profile of mobile radio channels over sea at 2GHz.】给出了两种运动的信道特性，如概率密度函数（PDF）、累积分布函数（CDF）、均方根时延扩展和平均剩余时延。用三项高斯模型对测量的pdf进行了表征。在一次短程作战中，在港区内安装了一个固定的双天线信道测深接收机。一艘高速飞船装有一个可移动的单天线发射器。在远洋作战中，一个固定的双天线信道测深接收机被放置在靠近海岸的开阔海域。在这种情况下，一艘研究船装有一个可移动的单天线发射器。

通过对所有实验结果的分析，发现通过全向发射天线从港区获得的近程测量中的平均剩余时延和均方根时延的概率密度函数（PDF）可以用来计算近距离测量中的平均剩余时延和均方根时延，是高斯型的或者包含一个峰值，使得[10]的作者可以使用三项高斯模型来模拟这些信道参数。

4.4 5Ghz附近海域移动无线电波传播的模拟

（1）在文献【Near Sea-Surface Mobile Radiowave Propagation at 5 GHz: Measurements and Modeling】中考虑的是海洋环境中存在一个蒸发管道层。由于这个原因，三射线路径损耗模型可以通过考虑海面的反射和蒸发管道引起的折射来预测较大传播距离下的LoS信号强度变化趋势。
（2）测量是在新加坡东南海岸的开阔海域进行的。
（3）在真实的海洋环境中实现了三射线路径损耗模型，并获得了实时的实验结果，特别是在传播距离超过2000或3000 m时，比两射线和FSL模型更具有优势。

4.5 基于毫米波的新型海上信道模型

（1）文献【Novel maritime channel models for millimeter radiowaves.】提出了一种利用5G频率(35和94ghz)实现基于射线追踪的通道表征技术。由于双射线模型只能在短时间内工作，而FSL模型不能很好地检测专门为短波传播而设计的信道模型的行为，因此设计了一种新的传播模型。
（2）这项研究是基于一种叫做“无线内网”的工具进行的。该工具主要用于光线追踪，便于对海洋环境中光线的相互作用进行细致的阐述和描述。
（3）在此模拟器上获得的结果被导入MATLAB进行进一步的处理，以开发一个包括路径损耗、接收功率、PDP和均方根时延扩展等参数的信道模型。
（4）它可以比现有的两射线模型[6]更好地预测路径损耗的最后一个峰值，而不显示任何额外的峰值。本研究所建立的信道模型可用于在海面部署5G系统。

4.6 无线电波在海面上传播的多径信道模型

海洋环境中多径信道建模研究的主要问题是模型仅基于实测数据，因此适用于特定的频率和地理情况。文献【Multipath Channel Model for Radio Propagation over Sea Surface.】中的方法克服了这一问题，因为它提出了一种适用于不同载波频率、传输条件、海况和传输距离的多径无线信道建模方法。

4.7 地面管道的信道模型

在超视距链路中，可以利用蒸发导管的信号捕获效应，作者在【Channel Model for the Surface Ducts: Large-Scale Path-Loss, Delay Spread, and AOA.】中建立了一个大规模的路径损耗模型。该模型用于预测慢衰落和通信距离。

4.8 无线链路的信道衰落余量

无线电波很容易被困在蒸发管道和海面上。在现有的许多海洋表面通道模型中，都对信号传播和折射率估计进行了深入的研究。蒸发管道的衰落特性在该领域是一个较新的课题，需要对其进行深入的分析和研究，以找到可靠无线通信所需的合适的衰落余量。
文献【A. Fading Characteristics in Evaporation Duct: Fade Margin for a Wireless Link in the South China Sea】提出了一种计算南海海面无线链路完全衰落裕度的方法，根据最近有关蒸发波导测量的报道，计算了南海不同距离路径损耗的统计分布。计算的路径损耗分布随时间而变化，并取决于天气。它们也由于慢衰落和快衰落特性而受到影响。在确定了衰落特性后，推导出了一个完整的衰减余量。

4.9 使用蒸发导管的马来西亚海上无线电链路

马来西亚在南中国海有很多岛屿被大型水体包围。在深海发现能源、油气勘探和石油储量需要船舶、船舶和岛屿之间的高速海上通信。为了解决这一问题，文【Feasibility study of radio links using evaporation duct over sea off Malaysian shores】中的研究提出了马来西亚附近海域蒸发管道中超视距无线电链路的可行性研究肖尔斯。该文献的主要目标是分析是否有可能为马来西亚海区的超视距链路设计一个信道模型。为此，研究人员对蒸发波导中的无线链路传播特性进行了研究，以找到最佳频率和天线高度。使用1.9–2.5 GHz频率、5 m天线高度和1度垂直波束宽度计算传播路径损耗。信道模型的最高应用频率为24.125ghz。结果表明，采用10.5ghz频率，天线高度为4m，适用于马来西亚附近海域环境中的超视距波传播信道海岸。

4.10 利用蒸发波导实现大容量、长距离微波海上传输

文献【High-Capacity, Long-Range, Over Ocean Microwave Link Using the Evaporation Duct】首次研究了大容量无线电链路从澳大利亚大陆到大堡礁（GBR）的传播。GBR是世界上最大的海洋公园。监测GBR是一个巨大的挑战，因为它涉及一个复杂的生态系统。实时监测不同的环境参数是非常必要的。
为了研究使用蒸发管道从大陆向GBR传输信号的可行性，使用先进的折射率预测系统（AREPS）程序进行了计算机模拟[User’s Manual for Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS); Space and Naval Warfare Systems Center:]。利用该软件计算了传输路径损耗。对大陆发送到GBR的测试链路进行链路预算计算。

4.11 海面毫米波的多径时延分布和多普勒扩展

毫米波通常具有高带宽和高容量。在【Multipath Delay Profile and Doppler Spread of Millimeter Radiowaves over the Sea Channel】中，Mehrima等人提出了用于海上通信的船对船无线信道模型。他们考虑了信道模型的小尺度行为，如多普勒扩展、均方根延迟扩展和相干带宽.
虽然所提出的信道模型具有较高的容量和数据速率，但只考虑了损耗传播。作者没有考虑非直瞄和超视距传播链接。在[17] ，克服了大气导管的影响，但未能分析粗糙海面的折射率剖面。

4.12 基于光线跟踪的钓鱼岛海上通信无线信道建模

由于极不确定的海浪和岛屿作为传播屏障，设计和实现一个考虑该区域的航道模型是非常困难和关键的。Wu等人收集并分析了钓鱼岛的三维等高线数据，利用MATLAB生成了一个海面场景，以设计该区域的航道模型【H. Ray Tracing Based Wireless ChannelModeling over the Sea Surface Near Diaoyu Islands.】。采用光线跟踪技术对无线网络进行建模频道。作者在[18]中获得了反射和衍射射线的计算结果。信道损耗计算公式如下。详细参数见论文。

Et和Er表示发射和接收射线的电场强度

4.13 2.4ghz陆地对船海上无线信道的测量与分析

为海上通信设计的许多现有的无线信道模式使用甚高频无线电或卫星通信系统。这些信道模型不支持非常高的数据速率，因为带宽不足，并且由于昂贵的卫星服务而产生了高昂的成本.
为了解决这个问题，Lee等人提出了陆上到船海上无线电缆的测量结果【Measurement and Analysis on Land-to-Ship Offshore Wireless Channel in 2.4 GHz】。在这个信道模型中使用的频率是2.4ghz。通过码头与巡逻艇之间窄带信道测量系统的实现，对模型进行了研究。对于大尺度衰落，比较了现有的不同路径损耗模型和经验路径损耗数据。比较分析考虑了自由空间路径损耗模型、双射线路径损耗模型和ITU-RP.1546模型。从经验路径损耗数据中观察到200-500m范围内的破坏性和建设性干扰，这使得作者得出结论，双射线路径损耗模型最适合他们的情况。
航道模型的测量是在位于韩国黄海的仁川海事警察港进行的。对船舶在静止状态下高速运动的情况进行了实验研究。利用接收信号强度实时获取传输损耗数据。对于小尺度衰落，文献的作者考虑了多径传播、移动车辆的速度、周围物体的变化以及信号。瑞利分布被广泛用于模拟小尺度衰落的函数，但是在此文中发现莱斯衰落更适合海上衰落。
这是唯一一个比较分析不同传播损耗模型的信道模型，并使用人工获得的实际数据。此外，信道模型被设计成同时考虑小尺度和大尺度衰落。

4.14 海面Ka波段随机多径模型研究

【Research on Sea Surface Ka-band Stochastic Multipath Channel Modeling】文献中提出了一种使用Ka波段的信道模型，还利用随机桥过程[45]设计了海面多径传播信道。Ka波段范围为26.5-40ghz。该频段系统容量大，终端天线尺寸小，波束窄，因此它克服了多径分量带来的严重干扰，对海上通信无线信道建模具有重要意义。。随机桥道模型将电磁波的发射表示为射线，将传播的多段视为随机过程样本。随机桥过程的起点和终点是发送器和接收器。发射器发射的波被假定为随机射线。除了这些射线外，随机射线可以通过在海面上扩散的多次反射到达接收器。
作者提出了一种具有高数据速率和使用小终端天线的信道模型。他们没有指定、制定或假设任何类型的传播损耗模型。

4.15 基于FDTD方法的无人机与水面舰艇通道建模

【Modeling of Wireless Channel between UAV and Vessel using the FDTD method】使用宽带技术，使用FDTD方法开发了无人机和水面舰艇之间通信的信道模型[28]。他们根据光谱模型开发了一个随机的海面。在二维横截面上，假设海面是一个完全导电的边界，实现了航道模型。利用FDTD仿真，数值计算了随机海面的瞬态脉冲响应。根据产生的瞬态脉冲，计算了参数。

5 比较信道模型

不同的模型针对的环境不一样，有不一样的传播方式、接收机发送机的移动性、是否利用了大气管道的传播。那对应考虑的参数是不一样的。
Table2是不同信道模型的环境和参数表

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