艦船內部60 GHz毫米波信道特性研究*

丁同禹，王孟于，張諒

（集美大學海洋信息工程學院，福建 廈門 361021）

0 引言

隨著5G、6G 通信技術的高速發(fā)展，超高傳輸速率、超低時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。近年來，毫米波無線通信技術的應用輻射軍用、航天及民用領域，包括飛行器、雷達、衛(wèi)星通信等。以民用領域為例，在文獻[1]中作者針對室內走廊環(huán)境和室外開闊環(huán)境分別進行了24 GHz 的毫米波信道仿真及測試研究，對信號多徑分量按時延分布進行分簇排序，得出在室內的多簇分布小于室外環(huán)境的結論。文獻[2] 結合大量實測數(shù)據(jù)分析了室內和室外情況73 GHz 毫米波信道衰落和時延的統(tǒng)計特性。文獻[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，當毫米波信號在復雜封閉金屬腔體內傳播時，由于非視距傳播和金屬腔的作用而產(chǎn)生強多徑效應和駐波現(xiàn)象的研究也被報導[4]。

無線通信應用的場景不僅包括室外城市環(huán)境和室內走廊等普通民用空間，還包括飛機和巨型船舶等大型封閉空間[5-7]。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN,Wireless Sensor Network）在海上無線通信、海洋環(huán)境監(jiān)測和船舶間通信等領域迅速發(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車載信號進行實時監(jiān)測，并建立了一個監(jiān)測系統(tǒng)[4-5]。Kdouh 等人則利用無線通信技術驗證了船舶無線傳感器網(wǎng)絡中無線信號傳輸?shù)目尚行裕⑻岢隽艘环N基于分層分組的網(wǎng)絡拓撲結構。該研究為船舶無線信號傳輸提供了一個重要的研究方向[8-9]。自那時以來，對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構簡單的船舶，以ad-hoc網(wǎng)絡的形式為主，而對內部結構復雜的超大型船舶的研究相對較少。Mariscotti 等人對船舶餐廳、走廊和臥室的接收功率進行了模擬研究。仿真結果表明，無線信號在空間中存在大量的反射和衍射，而衍射等因素會導致信號傳播的顯著衰減[10-12]。Yan 等人建立了一個船舶模型，并基于射線追蹤方法模擬了船舶走廊中無線信號（信號頻率分別在900 MHz、2.4 GHz 和60 GHz）的傳播特性[13]。

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

1 仿真模型與參數(shù)設置

1.1 仿真環(huán)境

如圖1 所示為本研究根據(jù)真實大型貨輪“兆明號”搭建的船員活動區(qū)域等比例三維模型結構示意圖，主要包括控制艙、休息艙、生活室、機械艙和連接各平臺的樓梯，每個艙室之間亦通過內部樓梯連通。

圖1 船員活動區(qū)域等比例三維模型

為了更加具體地針對各個艙室進行研究分析，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、機械艙、L 型及矩形的起居室平面圖。其內部結構均由金屬、木質和玻璃材質的材料構成。圖2 中綠色方塊代表發(fā)射節(jié)點，紅色方塊代表接收節(jié)點。為了盡可能計算電磁信號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，接收機的安放位置圍繞發(fā)射機按照隨機法進行安放以盡可能排除偶然因素。圖2中給出發(fā)射機和接收機節(jié)點的部署方案，如綠色和紅色方塊所示。

圖2 主要艙室平面圖及艙內通信節(jié)點部署方案

1.2 仿真參數(shù)設置

仿真模型采用的全3D 模型，船體結構和設備的材料設置為純金屬，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。機艙內所有門均開放，窗戶均為關閉狀態(tài)。具體仿真參數(shù)如表1 所示，表2 中給出了材質的電參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)配置

表2 材質的電參數(shù)

2 信號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傳播時，大量的反射與繞射會導致較嚴重的多徑效應。信號傳播過程中出現(xiàn)的反射或繞射還導致信號功率的嚴重衰減。本研究所得到的仿真結果均通過Remcom Wireless Insite 3.3電磁仿真軟件獲得，該軟件基于射線追蹤法進行電波傳播的仿真和預測。

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。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處射線的集中入射方向（角度）。路徑仿真結果展現(xiàn)了電磁信號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，對于障礙物較多的L 型起居室和機械艙，發(fā)射節(jié)點至少需要增加三組，以達到較好的覆蓋率。對于能夠視距通信的節(jié)點，例如TX1 至R1-1，則可根據(jù)圖3（a）提供的路徑信息，在反射路徑上鋪設吸波材料消除碼間串擾。

圖3 艙體內部射線路徑模型

2.2 時延擴展

在射線追蹤算法中，每條射線的到達時間可以由射線的路徑長度來計算：

在式(1) 中，ti為第i條路徑的傳輸時間，Li為信號傳輸距離，c為光速。

通過對到達該點的每條射線所攜帶的功率求和得到某一點的接收功率，而電場強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) 計算指定觀測點的總接收功率。

式中為無線信號的波長；qi和fi表示第i條射線的到達角度；h0為自由空間阻抗，其值為120π≈377 Ω；Eq,i和Ef,i分別是第i條射線到達接收節(jié)點時垂直電場和水平電場強度。

圖4 至圖7 分別對應圖2（a）～（d）所示四個艙室主要通信節(jié)點的時延擴展。在T 型控制艙中，每個接收點處所呈現(xiàn)的時延分布主要有兩類。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。如圖4（a）、（b）、（c）、（e）及（f）所示，功率隨時間在總體上呈現(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 范圍內呈較多的等功率簇類分布特點，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)了位于艙室右側拐角處的接收節(jié)點R1-3 及R1-5 的時延分布，而且均表征為兩簇時延分布規(guī)律。其中R1-3 處的兩簇時延分布集中于在40～50 ns，而R1-5 處的時延分布集中于20～60 ns。從圖2（a）中節(jié)點布局方位可以得出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型控制艙時延擴展

由圖2 的平面圖可知，對于起居室的L 型和矩形的空間結構，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（R2-1、R2-2、R2-3、R3-1、R3-2、R3-3 及R3-5）處的時延分布規(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型起居室時延擴展

圖6 矩形起居室時延擴展

機械艙室內的內置結構和組件均由金屬構成。時延分布規(guī)律如圖7 所示。由圖7（a）至7（f）時延分布結果所示，該艙內存在大量的簇類時延分布，而且在功率分布上具有指數(shù)分布規(guī)律。

圖7 機械艙時延擴展

在時延分布規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，兆明號輪船的工作和生活艙內部的時延擴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，并且總體時延分布集中在10～100 ns 范圍內。在功率分布研究中發(fā)現(xiàn)，艙內無線信號功率分布主要符合衰減指數(shù)功率和等功率分布模型，其中機械艙內的總功率受內部設備影響明顯低于另外三種室內環(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環(huán)境，在室內場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，該模型由零均值標準偏差為s的高斯隨機變量表征。

針對四種室內環(huán)境模型分別進行仿真研究，所得路徑損耗的擬合結果如圖8 所示：

圖8 路徑損耗擬合結果圖

結合式(4) 所得的路徑損耗參數(shù)的統(tǒng)計結果如表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械艙較低。而且L 型起居室中存在木制結構，對于電磁信號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 毫米波信號在機械艙環(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果分析得出4 種路徑損耗模型，其中機械艙內的損耗斜率較高，達到3.59，其余三類場景模型相對較低分別為：1.41、2.21 和1.49。通過以上針對艦船艙室環(huán)境模型的時延擴展和路徑損耗模型所開展的信道分析可以發(fā)現(xiàn)，對于諸如機械艙類型的復雜金屬封閉環(huán)境，毫米波信號的傳播表現(xiàn)出嚴重的駐波特性。對于控制艙及起居室類的環(huán)境，不同材質的隔斷物體也會對信號的時延及路徑損耗造成嚴重影響。建議通過在物體周邊和樓梯等連接處增加節(jié)點布設增強信號的覆蓋率、傳輸質量和傳輸速率。

3 結束語

本文提取了艦船艙室中4 種典型的環(huán)境模型，分別進行了60 GHz 毫米波信號的信道特性仿真研究。統(tǒng)計分析了其時延擴展規(guī)律，并總結得出了面向大型貨輪兆明號的艙內毫米波多徑信道模型以及4 種艙室對應的路徑損耗模型。毫米波信號在復雜金屬環(huán)境中傳播會出現(xiàn)較強的信號衰落，不適合長距離信號傳輸，可通過增加中繼器的方式改善信號的通信質量和通信速率。本文提出的信道分析結果充分表征了兆明號艙內復雜密閉空間的毫米波信號傳播規(guī)律，亦可作為通用的大型貨輪艙內信道模型，為船內無線通信系統(tǒng)或無線傳感器網(wǎng)絡布局提供參考。