船體電波傳輸特性分析

鄭劍彪

【摘 要】隨著大型船舶的發展和陸上集群調度通信的成熟，未來以民用集群調度通信系統為代表的無線通信手段在大型船舶上的應用將成為一種可能。以船舶平臺作為試驗載體，通過對模擬環境的實地測試，對無線通信在船上的傳播特性進行分析，提供了一種適合于船舶平臺的無線傳輸特性的分析方法，并建立無線傳輸模型。

【關鍵詞】船舶平臺 集群調度通信 無線傳輸

1 引言

目前，集群調度通信在機場、重大活動場館（如奧運、亞運場館）、礦場和市區內（如公共安全等）等陸地上特定場合已經普遍應用，在通信網絡的設計規劃與優化中，相應采用的無線信號的傳播特性與模型早已是相對成熟。相對于陸地上環境的普遍應用和技術成熟，在民用大型船舶上的應用還相對較少，相關的研究也比較薄弱。本文以集群調度通信系統為參考，通過理論建立無線傳輸模型，測試無線信號在非鋼筋混泥土材料、層數多達十幾層和艙室隔段多的復雜結構的船舶上的傳輸損耗，并經過計算分析，得出在船舶上無線信號的傳播特性。

2 傳輸特性模型

根據電磁波在自由空間內的傳播理論，通過測試研究無線電波在船舶平臺環境下受船舶非鋼筋混泥土結構的艙壁隔段阻擋、艙門/蓋屏蔽等影響，分析其傳播損耗計算方法，建立無線傳輸模型。

2.1 自由空間無線傳播特性

自由空間無線傳輸損耗為：

排除天線增益的因素，即收發天線為增益Gr=Gt=0的理想全向天線，則自由空間的路徑傳播損耗為：

2.2 船舶環境的無線信號傳播特性與模型

相對于自由空間傳輸，在船體平臺內電磁波傳播受影響的因素較多，如艙壁、艙頂、通道走廊、人員活動和室內物體擺設等，會引起電磁波的反射、折射、散射和吸收等現象。因此，船體平臺內的電磁場分布較自由空間和一般普通陸地環境更為復雜，在描述其無線信號衰減特性時要根據不同空間環境的通信應用需求建立相應的無線傳播模型。

（1）全向天線應用無線傳輸模型

首先，在船舶環境中，由于艙壁、艙頂的反射以及人員活動和室內物體擺設引起的散射，將使收發天線間存在多條傳播路徑，接收端收到的信號實際為多條路徑傳播信號的總和。其路徑損耗隨距離的衰減速度將大于上述的自由空間環境，只有在收發間完全視通、傳輸路徑周圍空曠的環境下，路徑損耗才接近于自由空間環境。為表征船舶環境中的不同路徑損耗特征，將式（2）中的20lgd改由20nlgd代替，引入路徑損耗指數n，以表征路徑損耗隨傳播距離衰減的速度。

其次，在船舶環境中，往往不能保證收發間直通。當收發間存在艙壁、遮擋物、隔層或隔段等阻隔時，阻隔會對電磁波進行吸收，導致傳播損耗增大。為此，在船艙內的無線信號傳播模型中增加了隔斷引起的傳播損耗W，以表示阻隔引起的損耗。該損耗由阻隔的材質、大小和屏蔽效果決定，對于不同的阻隔情況取值也不同。

由此得出適合船體平臺環境的無線傳播損耗模型為：

其中，20lgf為頻段差異引起的損耗；W為隔斷引起的傳播損耗；n為路徑損耗指數；d為理論凈空傳播距離。

對于大型艙室（如餐廳、會議室、健身娛樂室等）、相對面積較為空曠的甲板及頂部空曠區域（如露天泳池），適合采用式（3）進行分析：

◆甲板及頂部空曠區域：除活動的人員外，主要為凈空環境，其無線信號傳播特性接近于自由空間；路徑損耗指數略大于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗不大。

◆大型艙室：空間較狹窄，由金屬墻壁形成封閉空間，其無線信號傳播特性接近金屬波導環境，信號反射后增強了內部的信號強度；路徑損耗指數接近甚至略小于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗大。

（2）狹長空間泄漏電纜應用無線傳輸模型

相對于大型空間，在船舶上狹長的通道走廊、上下樓梯（船上樓梯一般都比較狹窄）及兩側居住排列等小型艙室，一般會采用類似陸地上礦洞、隧道和地下鐵道的同軸泄漏電纜的應用。同軸泄漏電纜是一種能實現沿軸向近似均勻傳輸的天饋設施，其無線信號傳播與傳統的偶極子陣元傳播不同：偶極子陣元以球面波的方式向外輻射能量；而泄漏電纜近似以圓柱波的方式向外輻射能量。因此，泄漏電纜在通道走廊及小型居住艙室內應用的無線傳播模型也可以表示為：

其中，n為路徑損耗指數，理論上最小值為1；X為截距損耗值，理論上取2m處的耦合損耗因子計算；d為接收點距離泄漏電纜的徑向距離，單位為m。

通過模擬這兩種環境測試和分析，完成對模型中的n值和W值的修正，獲得符合船體平臺無線信號傳播特性的數據模型，從而分析實際環境電波的傳輸特性。

3 無線傳輸測試

3.1 測試的必要性

相對于陸地城市等環境，船體環境的無線信號傳播特性差別較大。為取得較準確的無線信號傳播模型，有必要進行實地的無線信號傳播特性測試。

3.2 測試步驟

本文通過對一般客貨兩用輪的大型貨倉和過道走廊邊的會議室進行數據采樣（由于甲板面積太小，在此不進行測試），采用如下儀器設備：

◆信號源：HP射頻信號源

◆天線：全向天線

◆泄漏電纜：7/8漏泄電纜一段

◆接收機：手持式頻譜儀

◆全向天線：增益3dBi

◆饋線：損耗1.2dB

測試步驟如下：

（1）數字信號發射源連接饋線，輸出端連接天線，天線的位置簡易固定在大型艙室的正中央天花板上。

（2）設置信號源發射功率（Tx）為10dB，無調制，并確保在發射輸出狀態，選取與通信設備相近的一個900MHz頻點作為發射頻點。

（3）頻譜儀中心頻點設置為發射源頻點，設置相應的帶寬，并查看900MHz頻點上的接收幅度，等到接收功率穩定跳動后，在發射源附近和艙體多個位置（盡量滿足位置分布均勻和多種隔艙環境）記下幅度變化范圍值。

測試連接與示意圖如圖1所示：

3.3 測試數據結果

（1）測試數據一

大型貨艙測試數據如表1所示：

（2）測試數據二

過道走廊及邊上艙室測試數據如表2所示：

4 無線傳輸損耗計算

通過對本次測試的數據進行統計和計算分析，可以對無線信號傳播模型特征參數進行修正。

4.1 大型貨艙傳輸損耗

通過對數據進行計算分析，得出大型貨艙傳輸損耗如表3所示：

4.2 過道走廊傳輸損耗

通過對數據進行計算分析，得出過道走廊傳輸損耗如表5所示：

5 結論

本文通過測試和分析計算，獲得了金屬體為主結構的船體平臺的艙室、通道走廊等不同環境下應用不同的天線進行無線信號傳輸時的損耗，從而建立一種適合于船體平臺上的無線信號傳播特性分析方法和模型。

參考文獻：

[1] 聞映紅. 電波傳播理論[M]. 北京： 機械工業出版社， 2013.

[2] 肖遠強，張武軍. 漏泄電纜的性能分析[J]. 移動通信， 2002（6）.

[3] Vijay K Garg. 第三代移動通信系統原理與工程設計—IS-95 CDMA和cdma2000[M]. 于鵬，等譯. 北京： 電子工業出版社， 2001.

[4] 王均宏，簡水生. 漏泄同軸電纜耦合損耗的計算[J]. 鐵道學報， 1996（6）： 17-22.

[5] 盧萬錚. 天線理論與技術[M]. 西安： 西安電子科技大學出版社， 2004.★endprint

【摘 要】隨著大型船舶的發展和陸上集群調度通信的成熟，未來以民用集群調度通信系統為代表的無線通信手段在大型船舶上的應用將成為一種可能。以船舶平臺作為試驗載體，通過對模擬環境的實地測試，對無線通信在船上的傳播特性進行分析，提供了一種適合于船舶平臺的無線傳輸特性的分析方法，并建立無線傳輸模型。

【關鍵詞】船舶平臺 集群調度通信 無線傳輸

1 引言

目前，集群調度通信在機場、重大活動場館（如奧運、亞運場館）、礦場和市區內（如公共安全等）等陸地上特定場合已經普遍應用，在通信網絡的設計規劃與優化中，相應采用的無線信號的傳播特性與模型早已是相對成熟。相對于陸地上環境的普遍應用和技術成熟，在民用大型船舶上的應用還相對較少，相關的研究也比較薄弱。本文以集群調度通信系統為參考，通過理論建立無線傳輸模型，測試無線信號在非鋼筋混泥土材料、層數多達十幾層和艙室隔段多的復雜結構的船舶上的傳輸損耗，并經過計算分析，得出在船舶上無線信號的傳播特性。

2 傳輸特性模型

根據電磁波在自由空間內的傳播理論，通過測試研究無線電波在船舶平臺環境下受船舶非鋼筋混泥土結構的艙壁隔段阻擋、艙門/蓋屏蔽等影響，分析其傳播損耗計算方法，建立無線傳輸模型。

2.1 自由空間無線傳播特性

自由空間無線傳輸損耗為：

排除天線增益的因素，即收發天線為增益Gr=Gt=0的理想全向天線，則自由空間的路徑傳播損耗為：

2.2 船舶環境的無線信號傳播特性與模型

相對于自由空間傳輸，在船體平臺內電磁波傳播受影響的因素較多，如艙壁、艙頂、通道走廊、人員活動和室內物體擺設等，會引起電磁波的反射、折射、散射和吸收等現象。因此，船體平臺內的電磁場分布較自由空間和一般普通陸地環境更為復雜，在描述其無線信號衰減特性時要根據不同空間環境的通信應用需求建立相應的無線傳播模型。

（1）全向天線應用無線傳輸模型

首先，在船舶環境中，由于艙壁、艙頂的反射以及人員活動和室內物體擺設引起的散射，將使收發天線間存在多條傳播路徑，接收端收到的信號實際為多條路徑傳播信號的總和。其路徑損耗隨距離的衰減速度將大于上述的自由空間環境，只有在收發間完全視通、傳輸路徑周圍空曠的環境下，路徑損耗才接近于自由空間環境。為表征船舶環境中的不同路徑損耗特征，將式（2）中的20lgd改由20nlgd代替，引入路徑損耗指數n，以表征路徑損耗隨傳播距離衰減的速度。

其次，在船舶環境中，往往不能保證收發間直通。當收發間存在艙壁、遮擋物、隔層或隔段等阻隔時，阻隔會對電磁波進行吸收，導致傳播損耗增大。為此，在船艙內的無線信號傳播模型中增加了隔斷引起的傳播損耗W，以表示阻隔引起的損耗。該損耗由阻隔的材質、大小和屏蔽效果決定，對于不同的阻隔情況取值也不同。

由此得出適合船體平臺環境的無線傳播損耗模型為：

其中，20lgf為頻段差異引起的損耗；W為隔斷引起的傳播損耗；n為路徑損耗指數；d為理論凈空傳播距離。

對于大型艙室（如餐廳、會議室、健身娛樂室等）、相對面積較為空曠的甲板及頂部空曠區域（如露天泳池），適合采用式（3）進行分析：

◆甲板及頂部空曠區域：除活動的人員外，主要為凈空環境，其無線信號傳播特性接近于自由空間；路徑損耗指數略大于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗不大。

◆大型艙室：空間較狹窄，由金屬墻壁形成封閉空間，其無線信號傳播特性接近金屬波導環境，信號反射后增強了內部的信號強度；路徑損耗指數接近甚至略小于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗大。

（2）狹長空間泄漏電纜應用無線傳輸模型

相對于大型空間，在船舶上狹長的通道走廊、上下樓梯（船上樓梯一般都比較狹窄）及兩側居住排列等小型艙室，一般會采用類似陸地上礦洞、隧道和地下鐵道的同軸泄漏電纜的應用。同軸泄漏電纜是一種能實現沿軸向近似均勻傳輸的天饋設施，其無線信號傳播與傳統的偶極子陣元傳播不同：偶極子陣元以球面波的方式向外輻射能量；而泄漏電纜近似以圓柱波的方式向外輻射能量。因此，泄漏電纜在通道走廊及小型居住艙室內應用的無線傳播模型也可以表示為：

其中，n為路徑損耗指數，理論上最小值為1；X為截距損耗值，理論上取2m處的耦合損耗因子計算；d為接收點距離泄漏電纜的徑向距離，單位為m。

通過模擬這兩種環境測試和分析，完成對模型中的n值和W值的修正，獲得符合船體平臺無線信號傳播特性的數據模型，從而分析實際環境電波的傳輸特性。

3 無線傳輸測試

3.1 測試的必要性

相對于陸地城市等環境，船體環境的無線信號傳播特性差別較大。為取得較準確的無線信號傳播模型，有必要進行實地的無線信號傳播特性測試。

3.2 測試步驟

本文通過對一般客貨兩用輪的大型貨倉和過道走廊邊的會議室進行數據采樣（由于甲板面積太小，在此不進行測試），采用如下儀器設備：

◆信號源：HP射頻信號源

◆天線：全向天線

◆泄漏電纜：7/8漏泄電纜一段

◆接收機：手持式頻譜儀

◆全向天線：增益3dBi

◆饋線：損耗1.2dB

測試步驟如下：

（1）數字信號發射源連接饋線，輸出端連接天線，天線的位置簡易固定在大型艙室的正中央天花板上。

（2）設置信號源發射功率（Tx）為10dB，無調制，并確保在發射輸出狀態，選取與通信設備相近的一個900MHz頻點作為發射頻點。

（3）頻譜儀中心頻點設置為發射源頻點，設置相應的帶寬，并查看900MHz頻點上的接收幅度，等到接收功率穩定跳動后，在發射源附近和艙體多個位置（盡量滿足位置分布均勻和多種隔艙環境）記下幅度變化范圍值。

測試連接與示意圖如圖1所示：

3.3 測試數據結果

（1）測試數據一

大型貨艙測試數據如表1所示：

（2）測試數據二

過道走廊及邊上艙室測試數據如表2所示：

4 無線傳輸損耗計算

通過對本次測試的數據進行統計和計算分析，可以對無線信號傳播模型特征參數進行修正。

4.1 大型貨艙傳輸損耗

通過對數據進行計算分析，得出大型貨艙傳輸損耗如表3所示：

4.2 過道走廊傳輸損耗

通過對數據進行計算分析，得出過道走廊傳輸損耗如表5所示：

5 結論

本文通過測試和分析計算，獲得了金屬體為主結構的船體平臺的艙室、通道走廊等不同環境下應用不同的天線進行無線信號傳輸時的損耗，從而建立一種適合于船體平臺上的無線信號傳播特性分析方法和模型。

參考文獻：

[1] 聞映紅. 電波傳播理論[M]. 北京： 機械工業出版社， 2013.

[2] 肖遠強，張武軍. 漏泄電纜的性能分析[J]. 移動通信， 2002（6）.

[3] Vijay K Garg. 第三代移動通信系統原理與工程設計—IS-95 CDMA和cdma2000[M]. 于鵬，等譯. 北京： 電子工業出版社， 2001.

[4] 王均宏，簡水生. 漏泄同軸電纜耦合損耗的計算[J]. 鐵道學報， 1996（6）： 17-22.

[5] 盧萬錚. 天線理論與技術[M]. 西安： 西安電子科技大學出版社， 2004.★endprint

【摘 要】隨著大型船舶的發展和陸上集群調度通信的成熟，未來以民用集群調度通信系統為代表的無線通信手段在大型船舶上的應用將成為一種可能。以船舶平臺作為試驗載體，通過對模擬環境的實地測試，對無線通信在船上的傳播特性進行分析，提供了一種適合于船舶平臺的無線傳輸特性的分析方法，并建立無線傳輸模型。

【關鍵詞】船舶平臺 集群調度通信 無線傳輸

1 引言

目前，集群調度通信在機場、重大活動場館（如奧運、亞運場館）、礦場和市區內（如公共安全等）等陸地上特定場合已經普遍應用，在通信網絡的設計規劃與優化中，相應采用的無線信號的傳播特性與模型早已是相對成熟。相對于陸地上環境的普遍應用和技術成熟，在民用大型船舶上的應用還相對較少，相關的研究也比較薄弱。本文以集群調度通信系統為參考，通過理論建立無線傳輸模型，測試無線信號在非鋼筋混泥土材料、層數多達十幾層和艙室隔段多的復雜結構的船舶上的傳輸損耗，并經過計算分析，得出在船舶上無線信號的傳播特性。

2 傳輸特性模型

根據電磁波在自由空間內的傳播理論，通過測試研究無線電波在船舶平臺環境下受船舶非鋼筋混泥土結構的艙壁隔段阻擋、艙門/蓋屏蔽等影響，分析其傳播損耗計算方法，建立無線傳輸模型。

2.1 自由空間無線傳播特性

自由空間無線傳輸損耗為：

排除天線增益的因素，即收發天線為增益Gr=Gt=0的理想全向天線，則自由空間的路徑傳播損耗為：

2.2 船舶環境的無線信號傳播特性與模型

相對于自由空間傳輸，在船體平臺內電磁波傳播受影響的因素較多，如艙壁、艙頂、通道走廊、人員活動和室內物體擺設等，會引起電磁波的反射、折射、散射和吸收等現象。因此，船體平臺內的電磁場分布較自由空間和一般普通陸地環境更為復雜，在描述其無線信號衰減特性時要根據不同空間環境的通信應用需求建立相應的無線傳播模型。

（1）全向天線應用無線傳輸模型

首先，在船舶環境中，由于艙壁、艙頂的反射以及人員活動和室內物體擺設引起的散射，將使收發天線間存在多條傳播路徑，接收端收到的信號實際為多條路徑傳播信號的總和。其路徑損耗隨距離的衰減速度將大于上述的自由空間環境，只有在收發間完全視通、傳輸路徑周圍空曠的環境下，路徑損耗才接近于自由空間環境。為表征船舶環境中的不同路徑損耗特征，將式（2）中的20lgd改由20nlgd代替，引入路徑損耗指數n，以表征路徑損耗隨傳播距離衰減的速度。

其次，在船舶環境中，往往不能保證收發間直通。當收發間存在艙壁、遮擋物、隔層或隔段等阻隔時，阻隔會對電磁波進行吸收，導致傳播損耗增大。為此，在船艙內的無線信號傳播模型中增加了隔斷引起的傳播損耗W，以表示阻隔引起的損耗。該損耗由阻隔的材質、大小和屏蔽效果決定，對于不同的阻隔情況取值也不同。

由此得出適合船體平臺環境的無線傳播損耗模型為：

其中，20lgf為頻段差異引起的損耗；W為隔斷引起的傳播損耗；n為路徑損耗指數；d為理論凈空傳播距離。

對于大型艙室（如餐廳、會議室、健身娛樂室等）、相對面積較為空曠的甲板及頂部空曠區域（如露天泳池），適合采用式（3）進行分析：

◆甲板及頂部空曠區域：除活動的人員外，主要為凈空環境，其無線信號傳播特性接近于自由空間；路徑損耗指數略大于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗不大。

◆大型艙室：空間較狹窄，由金屬墻壁形成封閉空間，其無線信號傳播特性接近金屬波導環境，信號反射后增強了內部的信號強度；路徑損耗指數接近甚至略小于自由空間傳播，隔斷引起的傳播損耗大。

（2）狹長空間泄漏電纜應用無線傳輸模型

相對于大型空間，在船舶上狹長的通道走廊、上下樓梯（船上樓梯一般都比較狹窄）及兩側居住排列等小型艙室，一般會采用類似陸地上礦洞、隧道和地下鐵道的同軸泄漏電纜的應用。同軸泄漏電纜是一種能實現沿軸向近似均勻傳輸的天饋設施，其無線信號傳播與傳統的偶極子陣元傳播不同：偶極子陣元以球面波的方式向外輻射能量；而泄漏電纜近似以圓柱波的方式向外輻射能量。因此，泄漏電纜在通道走廊及小型居住艙室內應用的無線傳播模型也可以表示為：

其中，n為路徑損耗指數，理論上最小值為1；X為截距損耗值，理論上取2m處的耦合損耗因子計算；d為接收點距離泄漏電纜的徑向距離，單位為m。

通過模擬這兩種環境測試和分析，完成對模型中的n值和W值的修正，獲得符合船體平臺無線信號傳播特性的數據模型，從而分析實際環境電波的傳輸特性。

3 無線傳輸測試

3.1 測試的必要性

相對于陸地城市等環境，船體環境的無線信號傳播特性差別較大。為取得較準確的無線信號傳播模型，有必要進行實地的無線信號傳播特性測試。

3.2 測試步驟

本文通過對一般客貨兩用輪的大型貨倉和過道走廊邊的會議室進行數據采樣（由于甲板面積太小，在此不進行測試），采用如下儀器設備：

◆信號源：HP射頻信號源

◆天線：全向天線

◆泄漏電纜：7/8漏泄電纜一段

◆接收機：手持式頻譜儀

◆全向天線：增益3dBi

◆饋線：損耗1.2dB

測試步驟如下：

（1）數字信號發射源連接饋線，輸出端連接天線，天線的位置簡易固定在大型艙室的正中央天花板上。

（2）設置信號源發射功率（Tx）為10dB，無調制，并確保在發射輸出狀態，選取與通信設備相近的一個900MHz頻點作為發射頻點。

（3）頻譜儀中心頻點設置為發射源頻點，設置相應的帶寬，并查看900MHz頻點上的接收幅度，等到接收功率穩定跳動后，在發射源附近和艙體多個位置（盡量滿足位置分布均勻和多種隔艙環境）記下幅度變化范圍值。

測試連接與示意圖如圖1所示：

3.3 測試數據結果

（1）測試數據一

大型貨艙測試數據如表1所示：

（2）測試數據二

過道走廊及邊上艙室測試數據如表2所示：

4 無線傳輸損耗計算

通過對本次測試的數據進行統計和計算分析，可以對無線信號傳播模型特征參數進行修正。

4.1 大型貨艙傳輸損耗

通過對數據進行計算分析，得出大型貨艙傳輸損耗如表3所示：

4.2 過道走廊傳輸損耗

通過對數據進行計算分析，得出過道走廊傳輸損耗如表5所示：

5 結論

本文通過測試和分析計算，獲得了金屬體為主結構的船體平臺的艙室、通道走廊等不同環境下應用不同的天線進行無線信號傳輸時的損耗，從而建立一種適合于船體平臺上的無線信號傳播特性分析方法和模型。

參考文獻：

[1] 聞映紅. 電波傳播理論[M]. 北京： 機械工業出版社， 2013.

[2] 肖遠強，張武軍. 漏泄電纜的性能分析[J]. 移動通信， 2002（6）.

[3] Vijay K Garg. 第三代移動通信系統原理與工程設計—IS-95 CDMA和cdma2000[M]. 于鵬，等譯. 北京： 電子工業出版社， 2001.

[4] 王均宏，簡水生. 漏泄同軸電纜耦合損耗的計算[J]. 鐵道學報， 1996（6）： 17-22.

[5] 盧萬錚. 天線理論與技術[M]. 西安： 西安電子科技大學出版社， 2004.★endprint