基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法

本发明涉及海洋无线信道建模，尤其涉及一种基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法。

背景技术：

1、近年来，随着海洋强国和“智慧海洋”工程建设的推进，现代渔业、海洋观测监控、海洋油气勘探开发、海洋交通运输等领域各行业取得了飞速发展。随着海洋活动需求的日益频繁，对海域实现无缝、高效和可靠的通信覆盖尤为重要。无线信道是无线通信系统设计中的重要基础性问题，对海洋移动通信系统设计和评估具有重大的实际意义和价值。因此，对建立精确的海洋船岸信道模型是提高海洋通信系统性能和可靠性的基本前提。

2、目前，对于海洋无线信道建模已有大量研究，涉及船对岸、船对船、海上无人机等多种通信场景。然而目前基于几何的海洋船岸信道模型大多忽略了船舶在海浪影响下的横摇运动情况，而考虑船舶横摇的海洋船岸信道建模工作又大多集中在研究船舶微动对天线增益的影响上，针对信道统计特性的研究尚有不足。因此，如何有效地建立一种考虑船舶横摇的海洋几何信道模型是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的实施例提供了一种基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法，以实现有效地研究船舶横摇对海洋无线信道的影响，为建立海洋无线通信系统提供理论支撑。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

3、一种基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法，包括：

4、构建海洋船岸信道的三维模型，所述海洋船岸信道的三维模型包含作为发射端的岸上基站、作为接收端的处于运动状态的船舶、位于岸上基站周围的半球体和位于船舶周围的圆柱体；

5、引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，获取横摇运动对船舶接收天线的影响；

6、根据所述横摇运动对船舶接收天线的影响和信号经由散射体散射的不同传播路径，建立海洋船岸信道的信道冲激响应；

7、根据发射端、接收端和散射体之间的几何关系，推导所述海洋船岸信道由于船舶移动和横摇运动所导致的时变传输距离和时变角度；

8、根据所述信道冲激响应、所述时变传输距离和所述时变角度，获取海洋船岸信道的空时频相关函数和多普勒功率谱密度信道特性，所述船舶和所述岸上基站利用海洋船岸信道的信道特性进行无线通信。

9、优选地，所述海洋船岸信道的三维模型假设发射端周围有分布在由l个不同半径rl的圆组成的半球体表面上的n1个散射体，第l个圆上的第n1个有效散射体表示为假设接收端附近有分布在半径为rr的圆柱体表面上的n2个散射体，表示圆柱面上的第n2个有效散射体；

10、所述发射端的高度为ht，配有lt根天线；所述接收端的高度为hr，配有lr根天线，船舶的移动由水平速度vr和速度的水平方位角γr表征；岸上基站与船舶之间的初始距离为d。

11、优选地，所述的引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，获取横摇运动对船舶接收天线的影响，包括：

12、采用lt×lr天线阵列描述所述海洋船岸信道，发射端天线阵列的水平方位角和俯仰角分别为θt和ψt，接收端天线阵列的水平方位角和俯仰角分别为θr和ψr；

13、引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，所述接收端天线阵列的俯仰角满足：

14、

15、其中，ψr(t0)表示接收端天线阵列在初始时刻t0的俯仰角，表示船舶的最大横摇角即横摇幅度，t表示横摇周期。

16、优选地，所述的根据所述横摇运动对船舶接收天线的影响和信号经由散射体散射的不同传播路径，建立海洋船岸信道的信道冲激响应，包括：

17、确定海洋船岸信道中岸上发射端第p根发射天线到船舶接收端第q根接收天线的信道冲激响应为：

18、

19、其中，和分别表示los路径、ref路径、sb1路径和sb2路径的信道冲激响应；

20、确定信号的不同传播路径包括los路径、ref路径、sb1路径和sb2路径，所述los路径为信号直接从岸上发射端传播到船舶接收端，所述ref路径为信号从岸上发射端发出，经海平面镜面反射后到达船舶接收端，所述sb1路径为信号从岸上发射端发出，经半球体表面的散射体散射后到达船舶接收端，所述sb2路径为信号从岸上发射端发出，经圆柱体表面的散射体散射后到达船舶接收端；

21、计算各路径分量的信道冲激响应，具体表达式为：

22、los路径的信道冲激响应为：

23、

24、其中，t代表时间变量，τ代表时延变量,δ(τ-τlos)表示附加时延项，fd,los表示los路径的多普勒频移，dlos(t)表示信号在los路径的传播距离；ref路径的信道冲激响应为：

25、

26、其中，dref(t)表示信号在ref路径的传播距离；

27、sb1路径的信道冲激响应为：

28、

29、其中，dsb1(t)表示信号在sb1路径的传播距离；

30、sb2路径的信道冲激响应为：

31、

32、其中，dsb2(t)表示信号在sb2路径的传播距离；

33、其中，fc表示载波频率，c表示光速，k表示莱斯因子，ηref、ηsb1和ηsb2分别表示ref分量、sb1分量和sb2分量占散射功率1/(k+1)的比例，它们满足ηref+ηsb1+ηsb2＝1；随机相位偏移φref、和相互独立且都在[―π,π)上服从均匀分布；

34、τlos、τref、τsb1和τsb2分别代表los路径、ref路径、sb1路径和sb2路径的传播时延，它们被表示为：

35、

36、

37、fd,los、fd,ref、fd,sb1和fd,sb2分别代表los路径、ref路径、sb1路径和sb2路径的多普勒频移，它们被表示为：

38、

39、其中，λ表示光波的波长，和分别表示los路径的到达方位角、到达俯仰角和离开俯仰角，和分别表示ref路径的到达方位角、到达俯仰角和离开俯仰角，和分别表示sb1路径的离开方位角和离开俯仰角，和分别表示sb1路径的到达方位角和到达俯仰角；和分别表示sb2路径的到达方位角、到达俯仰角和离开俯仰角。

40、优选地，所述的根据发射端、接收端和散射体之间的几何关系，推导所述海洋船岸信道由于船舶移动和横摇运动所导致的时变传输距离和时变角度，包括：

41、信号从岸上发射端第p根发射天线传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：

42、

43、信号从岸上发射端第p根发射天线经海平面镜面反射后传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：

44、

45、信号从岸上发射端第p根发射天线传播到散射体的距离计算公式为：

46、

47、信号从散射体传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：

48、

49、信号从岸上发射端第p根发射天线传播到散射体的距离计算公式为：

50、

51、信号从散射体传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：

52、

53、其中，θt和θr分别为发射端和接收端天线阵列的水平方位角，ψt为发射端天线阵列的俯仰角，和分别表示sb1路径的离开方位角和离开俯仰角；

54、δt表示第p根发射天线到发射天线阵列中心的距离，δr表示第q根接收天线到接收天线阵列中心的距离，它们满足：

55、

56、dt和dr分别表示发射端和接收端的天线间距；

57、更进一步的，各路径分量的时变角度如下：

58、在los路径中：

59、在ref路径中：

60、在sb1路径中：

61、

62、在sb2路径中：

63、

64、在所述的海洋船岸信道模型中，有效散射体的数量被假设是无限个的，所述海洋船岸信道模型中的离散方位角仰角和半径rl被连续随机变量和r所代替，假设方位角和各自独立，它们的分布通过冯米塞斯分布描述：

65、

66、其中，i0(·)为第一类零阶贝塞尔函数；αμ∈[-π,π)是衡量方位角α的平均值；k(k≥0)代表方位角的集中程度；

67、俯仰角和的分布通过余弦分布来表示：

68、

69、其中，βm表示仰角的最大值，βμ表示仰角的平均值。

70、半球体上圆的半径通过以下概率密度函数描述：

71、

72、其中，r1和r2分别表示半径的最小值和最大值。

73、优选地，所述的根据所述信道冲激响应、所述时变传输距离和所述时变角度，获取海洋船岸信道的空时频相关函数和多普勒功率谱密度信道特性，包括：

74、所述海洋船岸信道的空时频相关函数的计算步骤为：

75、

76、其中，e(·)表示进行期望运算，(·)*表示进行复共轭计算；

77、los路径的公式具体表示为：

78、

79、ref路径的公式具体表示为：

80、

81、sb1路径的公式具体表示为：

82、

83、sb2路径的公式具体表示为：

84、

85、通过对时间相关函数进行傅里叶变换得到所述海洋船岸信道的多普勒功率谱密度，具体表达式为：

86、

87、其中，fd表示多普勒频率，信道的多普勒功率谱密度是los路径、ref路径、sb1路径和sb2路径多普勒功率谱密度的叠加。

88、由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明方法准确描述海洋信道的非平稳统计特性，有利于研究船舶横摇对海洋无线信道的影响，为建立海洋无线通信系统提供理论支撑。

89、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海洋船岸信道的三维模型假设发射端周围有分布在由l个不同半径rl的圆组成的半球体表面上的n1个散射体，第l个圆上的第n1个有效散射体表示为假设接收端附近有分布在半径为rr的圆柱体表面上的n2个散射体，表示圆柱面上的第n2个有效散射体；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，获取横摇运动对船舶接收天线的影响，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据所述横摇运动对船舶接收天线的影响和信号经由散射体散射的不同传播路径，建立海洋船岸信道的信道冲激响应，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根据发射端、接收端和散射体之间的几何关系，推导所述海洋船岸信道由于船舶移动和横摇运动所导致的时变传输距离和时变角度，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的根据所述信道冲激响应、所述时变传输距离和所述时变角度，获取海洋船岸信道的空时频相关函数和多普勒功率谱密度信道特性，包括：

技术总结
本发明提供了一种基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法。该方法包括构建海洋船岸信道的三维模型，该模型包含作为发射端的岸上基站、作为接收端的处于运动状态的船舶、位于岸上基站周围的半球体和位于船舶周围的圆柱体，综合考虑了岸上基站、船舶周围的散射和海平面的反射以及船舶横摇运动的影响，根据模型的几何关系计算出时变距离，得到信道的冲激响应；根据信道的冲激响应，得到基于船舶横摇运动条件下海洋信道的空时频相关函数和多普勒功率谱密度。本发明方法准确描述海洋信道的非平稳统计特性，有利于研究船舶横摇对海洋无线信道的影响，为建立海洋无线通信系统提供理论支撑。

技术研发人员：杨汨,张晨阳,何睿斯,白露,艾渤,元媛,马国玉,陆杨,卢云龙
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5