丁同禹，王孟于，張諒

（集美大學(xué)海洋信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

0 引言

隨著5G、6G 通信技術(shù)的高速發(fā)展，超高傳輸速率、超低時(shí)延及高頻譜利用率的需求也水漲船高。毫米波頻段以其豐富的頻譜資源特性儼然成為研究熱點(diǎn)。近年來，毫米波無線通信技術(shù)的應(yīng)用輻射軍用、航天及民用領(lǐng)域，包括飛行器、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等。以民用領(lǐng)域?yàn)槔?，在文獻(xiàn)[1]中作者針對(duì)室內(nèi)走廊環(huán)境和室外開闊環(huán)境分別進(jìn)行了24 GHz 的毫米波信道仿真及測(cè)試研究，對(duì)信號(hào)多徑分量按時(shí)延分布進(jìn)行分簇排序，得出在室內(nèi)的多簇分布小于室外環(huán)境的結(jié)論。文獻(xiàn)[2] 結(jié)合大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了室內(nèi)和室外情況73 GHz 毫米波信道衰落和時(shí)延的統(tǒng)計(jì)特性。文獻(xiàn)[3] 則利用射線跟蹤法仿真研究了室外城市環(huán)境下的毫米波信道的特性。除此之外，當(dāng)毫米波信號(hào)在復(fù)雜封閉金屬腔體內(nèi)傳播時(shí)，由于非視距傳播和金屬腔的作用而產(chǎn)生強(qiáng)多徑效應(yīng)和駐波現(xiàn)象的研究也被報(bào)導(dǎo)[4]。

無線通信應(yīng)用的場(chǎng)景不僅包括室外城市環(huán)境和室內(nèi)走廊等普通民用空間，還包括飛機(jī)和巨型船舶等大型封閉空間[5-7]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,Wireless Sensor Network）在海上無線通信、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和船舶間通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展。在早期的研究中，Paik 等人就使用2.4 GHz 電磁波和有線通信的組合來對(duì)車載信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并建立了一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]。Kdouh 等人則利用無線通信技術(shù)驗(yàn)證了船舶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線信號(hào)傳輸?shù)目尚行裕⑻岢隽艘环N基于分層分組的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該研究為船舶無線信號(hào)傳輸提供了一個(gè)重要的研究方向[8-9]。自那時(shí)以來，對(duì)船舶無線通信的研究大幅增加，但大多數(shù)研究的是小型船舶或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的船舶，以ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的形式為主，而對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超大型船舶的研究相對(duì)較少。Mariscotti 等人對(duì)船舶餐廳、走廊和臥室的接收功率進(jìn)行了模擬研究。仿真結(jié)果表明，無線信號(hào)在空間中存在大量的反射和衍射，而衍射等因素會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳播的顯著衰減[10-12]。Yan 等人建立了一個(gè)船舶模型，并基于射線追蹤方法模擬了船舶走廊中無線信號(hào)（信號(hào)頻率分別在900 MHz、2.4 GHz 和60 GHz）的傳播特性[13]。

綜上所述，文獻(xiàn)中針對(duì)船舶內(nèi)部毫米波無線通信的研究尚且不足，尤其是不同艙室環(huán)境內(nèi)部的信道特性。為此，本文對(duì)60 GHz 毫米波信號(hào)在艦船艙室環(huán)境中的傳播特性進(jìn)行分析和研究，重點(diǎn)研究了電磁信號(hào)在艦船上層建筑，包括控制艙、休息區(qū)及機(jī)械艙的傳播特性，主要分析了各個(gè)艙室環(huán)境內(nèi)的路徑損耗及時(shí)延擴(kuò)展特性。

1 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

1.1 仿真環(huán)境

如圖1 所示為本研究根據(jù)真實(shí)大型貨輪“兆明號(hào)”搭建的船員活動(dòng)區(qū)域等比例三維模型結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括控制艙、休息艙、生活室、機(jī)械艙和連接各平臺(tái)的樓梯，每個(gè)艙室之間亦通過內(nèi)部樓梯連通。

圖1 船員活動(dòng)區(qū)域等比例三維模型

為了更加具體地針對(duì)各個(gè)艙室進(jìn)行研究分析，提取了4 種艦船艙室環(huán)境模型，如圖2 所示，分別為T 型控制艙、機(jī)械艙、L 型及矩形的起居室平面圖。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均由金屬、木質(zhì)和玻璃材質(zhì)的材料構(gòu)成。圖2 中綠色方塊代表發(fā)射節(jié)點(diǎn)，紅色方塊代表接收節(jié)點(diǎn)。為了盡可能計(jì)算電磁信號(hào)的傳播過程中存在的所有路徑，本文采用全向天線作為輻射源。為此，接收機(jī)的安放位置圍繞發(fā)射機(jī)按照隨機(jī)法進(jìn)行安放以盡可能排除偶然因素。圖2中給出發(fā)射機(jī)和接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的部署方案，如綠色和紅色方塊所示。

圖2 主要艙室平面圖及艙內(nèi)通信節(jié)點(diǎn)部署方案

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真模型采用的全3D 模型，船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的材料設(shè)置為純金屬，控制艙的門和樓層之間的其他門均采用防火材料制成。控制室的窗戶及桌椅分別由玻璃和木制材料制成。機(jī)艙內(nèi)所有門均開放，窗戶均為關(guān)閉狀態(tài)。具體仿真參數(shù)如表1 所示，表2 中給出了材質(zhì)的電參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)配置

表2 材質(zhì)的電參數(shù)

2 信號(hào)傳播特性仿真與分析

電磁波在以金屬為主要材料的艙室內(nèi)傳播時(shí)，大量的反射與繞射會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。信號(hào)傳播過程中出現(xiàn)的反射或繞射還導(dǎo)致信號(hào)功率的嚴(yán)重衰減。本研究所得到的仿真結(jié)果均通過Remcom Wireless Insite 3.3電磁仿真軟件獲得，該軟件基于射線追蹤法進(jìn)行電波傳播的仿真和預(yù)測(cè)。

2.1 傳播路徑模型

如圖3 所示為典型艙體中的部分射線傳播路徑。由于發(fā)射和接收天線均為全向天線，發(fā)射端所輻射的電磁波射線可以向任意角度發(fā)射，接收端也能夠接收到經(jīng)過若干次反射后的電磁信號(hào)。在圖3 中，篩選出部分有效射線路徑，考慮到清晰度，此處只顯示能量最高的25 條射線，能量相近，因此顯示色度亦接近。圖3 所提供的四組路徑信息更主要的目的是輔助判決指定觀察點(diǎn)處射線的集中入射方向（角度）。路徑仿真結(jié)果展現(xiàn)了電磁信號(hào)在艙室中傳播的空間信息。射線在非視距和視距傳輸模式下，反射次數(shù)也不盡相同。值得注意的是，對(duì)于障礙物較多的L 型起居室和機(jī)械艙，發(fā)射節(jié)點(diǎn)至少需要增加三組，以達(dá)到較好的覆蓋率。對(duì)于能夠視距通信的節(jié)點(diǎn)，例如TX1 至R1-1，則可根據(jù)圖3（a）提供的路徑信息，在反射路徑上鋪設(shè)吸波材料消除碼間串?dāng)_。

圖3 艙體內(nèi)部射線路徑模型

2.2 時(shí)延擴(kuò)展

在射線追蹤算法中，每條射線的到達(dá)時(shí)間可以由射線的路徑長(zhǎng)度來計(jì)算：

在式(1) 中，ti為第i條路徑的傳輸時(shí)間，Li為信號(hào)傳輸距離，c為光速。

通過對(duì)到達(dá)該點(diǎn)的每條射線所攜帶的功率求和得到某一點(diǎn)的接收功率，而電場(chǎng)強(qiáng)度則通過每條射線的矢量疊加得到。在本文中，采用式(2) 和式(3) 計(jì)算指定觀測(cè)點(diǎn)的總接收功率。

式中為無線信號(hào)的波長(zhǎng)；qi和fi表示第i條射線的到達(dá)角度；h0為自由空間阻抗，其值為120π≈377 Ω；Eq,i和Ef,i分別是第i條射線到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖4 至圖7 分別對(duì)應(yīng)圖2（a）～（d）所示四個(gè)艙室主要通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)延擴(kuò)展。在T 型控制艙中，每個(gè)接收點(diǎn)處所呈現(xiàn)的時(shí)延分布主要有兩類。第一類的特征表現(xiàn)為大量的多徑分布，并且集中于10～100 ns，多徑分量中最大和最小功率之差維持在30 dBm 內(nèi)。如圖4（a）、（b）、（c）、（e）及（f）所示，功率隨時(shí)間在總體上呈現(xiàn)出指數(shù)分布規(guī)律。另一種分布規(guī)律如圖4（d）所示，在20～100 ns 范圍內(nèi)呈較多的等功率簇類分布特點(diǎn)，最低分量的功率低于-120 dBm，整體功率明顯低于第一類分布。在圖4（c）和圖4（e）中分別呈現(xiàn)了位于艙室右側(cè)拐角處的接收節(jié)點(diǎn)R1-3 及R1-5 的時(shí)延分布，而且均表征為兩簇時(shí)延分布規(guī)律。其中R1-3 處的兩簇時(shí)延分布集中于在40～50 ns，而R1-5 處的時(shí)延分布集中于20～60 ns。從圖2（a）中節(jié)點(diǎn)布局方位可以得出TX-RX3 存在兩種傳播模式：視距及非視距傳播，而TX-RX5 只有視距傳播模式。由于發(fā)射天線的全向輻射特性，電磁射線的均勻全向發(fā)射導(dǎo)致多徑分量增加，射線的直射分量及一階反射分量是形成兩簇分布規(guī)律的重要組成部分。

圖4 T型控制艙時(shí)延擴(kuò)展

由圖2 的平面圖可知，對(duì)于起居室的L 型和矩形的空間結(jié)構(gòu)，其尺寸及容量均小于T 型控制艙。所以，圖5 和圖6 所給出的L 型和矩形起居室的時(shí)延分布集中于7.5～60 ns 及6～80 ns。在圖5（d）和圖6（d）中所展現(xiàn)出等功率分布（最大功率與最小功率差小于5 dBm）。除此之外，其余各接收點(diǎn)（R2-1、R2-2、R2-3、R3-1、R3-2、R3-3 及R3-5）處的時(shí)延分布規(guī)律與上述第一類分布類同，均表征為指數(shù)分布規(guī)律。

圖5 L型起居室時(shí)延擴(kuò)展

圖6 矩形起居室時(shí)延擴(kuò)展

機(jī)械艙室內(nèi)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)和組件均由金屬構(gòu)成。時(shí)延分布規(guī)律如圖7 所示。由圖7（a）至7（f）時(shí)延分布結(jié)果所示，該艙內(nèi)存在大量的簇類時(shí)延分布，而且在功率分布上具有指數(shù)分布規(guī)律。

圖7 機(jī)械艙時(shí)延擴(kuò)展

在時(shí)延分布規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，兆明號(hào)輪船的工作和生活艙內(nèi)部的時(shí)延擴(kuò)展分別符合多徑均勻分布模型、多簇分布模型以及單簇與多徑混合分布模型，并且總體時(shí)延分布集中在10～100 ns 范圍內(nèi)。在功率分布研究中發(fā)現(xiàn)，艙內(nèi)無線信號(hào)功率分布主要符合衰減指數(shù)功率和等功率分布模型，其中機(jī)械艙內(nèi)的總功率受內(nèi)部設(shè)備影響明顯低于另外三種室內(nèi)環(huán)境模型。

2.3 路徑損耗

本文所研究的環(huán)境模型基本可以歸類為室內(nèi)環(huán)境，在室內(nèi)場(chǎng)景下路徑損耗和陰影衰落模型可以用a-b模型來表示[14-15]：

其中，a為擬合曲線的縱軸截距，而b為該曲線的斜率，表示為損耗斜率。Xs表示陰影衰落模型，該模型由零均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為s的高斯隨機(jī)變量表征。

針對(duì)四種室內(nèi)環(huán)境模型分別進(jìn)行仿真研究，所得路徑損耗的擬合結(jié)果如圖8 所示：

圖8 路徑損耗擬合結(jié)果圖

結(jié)合式(4) 所得的路徑損耗參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。從路徑損耗斜率b 可以得出，在T 型控制艙、L 型和矩形起居室的路徑損耗相較于機(jī)械艙較低。而且L 型起居室中存在木制結(jié)構(gòu)，對(duì)于電磁信號(hào)的具有一定的吸收作用，因此其損耗斜率大于矩形和T 型控制艙。由于金屬環(huán)境和空間尺寸的原因，60 GHz 毫米波信號(hào)在機(jī)械艙環(huán)境中傳播存在較大的損耗。

表3 路徑損耗參數(shù)

通過路徑損耗的擬合結(jié)果分析得出4 種路徑損耗模型，其中機(jī)械艙內(nèi)的損耗斜率較高，達(dá)到3.59，其余三類場(chǎng)景模型相對(duì)較低分別為：1.41、2.21 和1.49。通過以上針對(duì)艦船艙室環(huán)境模型的時(shí)延擴(kuò)展和路徑損耗模型所開展的信道分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于諸如機(jī)械艙類型的復(fù)雜金屬封閉環(huán)境，毫米波信號(hào)的傳播表現(xiàn)出嚴(yán)重的駐波特性。對(duì)于控制艙及起居室類的環(huán)境，不同材質(zhì)的隔斷物體也會(huì)對(duì)信號(hào)的時(shí)延及路徑損耗造成嚴(yán)重影響。建議通過在物體周邊和樓梯等連接處增加節(jié)點(diǎn)布設(shè)增強(qiáng)信號(hào)的覆蓋率、傳輸質(zhì)量和傳輸速率。

3 結(jié)束語

本文提取了艦船艙室中4 種典型的環(huán)境模型，分別進(jìn)行了60 GHz 毫米波信號(hào)的信道特性仿真研究。統(tǒng)計(jì)分析了其時(shí)延擴(kuò)展規(guī)律，并總結(jié)得出了面向大型貨輪兆明號(hào)的艙內(nèi)毫米波多徑信道模型以及4 種艙室對(duì)應(yīng)的路徑損耗模型。毫米波信號(hào)在復(fù)雜金屬環(huán)境中傳播會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的信號(hào)衰落，不適合長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，可通過增加中繼器的方式改善信號(hào)的通信質(zhì)量和通信速率。本文提出的信道分析結(jié)果充分表征了兆明號(hào)艙內(nèi)復(fù)雜密閉空間的毫米波信號(hào)傳播規(guī)律，亦可作為通用的大型貨輪艙內(nèi)信道模型，為船內(nèi)無線通信系統(tǒng)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局提供參考。