本發(fā)明涉及海洋無線信道建模，尤其涉及一種基于海洋船岸信道的岸上基站與船舶之間的無線通信方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著海洋強國和“智慧海洋”工程建設(shè)的推進，現(xiàn)代漁業(yè)、海洋觀測監(jiān)控、海洋油氣勘探開發(fā)、海洋交通運輸?shù)阮I(lǐng)域各行業(yè)取得了飛速發(fā)展。隨著海洋活動需求的日益頻繁，對海域?qū)崿F(xiàn)無縫、高效和可靠的通信覆蓋尤為重要。無線信道是無線通信系統(tǒng)設(shè)計中的重要基礎(chǔ)性問題，對海洋移動通信系統(tǒng)設(shè)計和評估具有重大的實際意義和價值。因此，對建立精確的海洋船岸信道模型是提高海洋通信系統(tǒng)性能和可靠性的基本前提。

2、目前，對于海洋無線信道建模已有大量研究，涉及船對岸、船對船、海上無人機等多種通信場景。然而目前基于幾何的海洋船岸信道模型大多忽略了船舶在海浪影響下的橫搖運動情況，而考慮船舶橫搖的海洋船岸信道建模工作又大多集中在研究船舶微動對天線增益的影響上，針對信道統(tǒng)計特性的研究尚有不足。因此，如何有效地建立一種考慮船舶橫搖的海洋幾何信道模型是一個亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的實施例提供了一種基于海洋船岸信道的岸上基站與船舶之間的無線通信方法，以實現(xiàn)有效地研究船舶橫搖對海洋無線信道的影響，為建立海洋無線通信系統(tǒng)提供理論支撐。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

3、一種基于海洋船岸信道的岸上基站與船舶之間的無線通信方法，包括：

4、構(gòu)建海洋船岸信道的三維模型，所述海洋船岸信道的三維模型包含作為發(fā)射端的岸上基站、作為接收端的處于運動狀態(tài)的船舶、位于岸上基站周圍的半球體和位于船舶周圍的圓柱體；

5、引入正弦隨機過程描述船舶在海浪作用下產(chǎn)生的橫搖運動，獲取橫搖運動對船舶接收天線的影響；

6、根據(jù)所述橫搖運動對船舶接收天線的影響和信號經(jīng)由散射體散射的不同傳播路徑，建立海洋船岸信道的信道沖激響應(yīng)；

7、根據(jù)發(fā)射端、接收端和散射體之間的幾何關(guān)系，推導(dǎo)所述海洋船岸信道由于船舶移動和橫搖運動所導(dǎo)致的時變傳輸距離和時變角度；

8、根據(jù)所述信道沖激響應(yīng)、所述時變傳輸距離和所述時變角度，獲取海洋船岸信道的空時頻相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜密度信道特性，所述船舶和所述岸上基站利用海洋船岸信道的信道特性進行無線通信。

9、優(yōu)選地，所述海洋船岸信道的三維模型假設(shè)發(fā)射端周圍有分布在由l個不同半徑rl的圓組成的半球體表面上的n1個散射體，第l個圓上的第n1個有效散射體表示為假設(shè)接收端附近有分布在半徑為rr的圓柱體表面上的n2個散射體，表示圓柱面上的第n2個有效散射體；

10、所述發(fā)射端的高度為ht，配有l(wèi)t根天線；所述接收端的高度為hr，配有l(wèi)r根天線，船舶的移動由水平速度vr和速度的水平方位角γr表征；岸上基站與船舶之間的初始距離為d。

11、優(yōu)選地，所述的引入正弦隨機過程描述船舶在海浪作用下產(chǎn)生的橫搖運動，獲取橫搖運動對船舶接收天線的影響，包括：

12、采用lt×lr天線陣列描述所述海洋船岸信道，發(fā)射端天線陣列的水平方位角和俯仰角分別為θt和ψt，接收端天線陣列的水平方位角和俯仰角分別為θr和ψr；

13、引入正弦隨機過程描述船舶在海浪作用下產(chǎn)生的橫搖運動，所述接收端天線陣列的俯仰角滿足：

14、

15、其中，ψr(t0)表示接收端天線陣列在初始時刻t0的俯仰角，表示船舶的最大橫搖角即橫搖幅度，t表示橫搖周期。

16、優(yōu)選地，所述的根據(jù)所述橫搖運動對船舶接收天線的影響和信號經(jīng)由散射體散射的不同傳播路徑，建立海洋船岸信道的信道沖激響應(yīng)，包括：

17、確定海洋船岸信道中岸上發(fā)射端第p根發(fā)射天線到船舶接收端第q根接收天線的信道沖激響應(yīng)為：

18、

19、其中，和分別表示los路徑、ref路徑、sb1路徑和sb2路徑的信道沖激響應(yīng)；

20、確定信號的不同傳播路徑包括los路徑、ref路徑、sb1路徑和sb2路徑，所述los路徑為信號直接從岸上發(fā)射端傳播到船舶接收端，所述ref路徑為信號從岸上發(fā)射端發(fā)出，經(jīng)海平面鏡面反射后到達船舶接收端，所述sb1路徑為信號從岸上發(fā)射端發(fā)出，經(jīng)半球體表面的散射體散射后到達船舶接收端，所述sb2路徑為信號從岸上發(fā)射端發(fā)出，經(jīng)圓柱體表面的散射體散射后到達船舶接收端；

21、計算各路徑分量的信道沖激響應(yīng)，具體表達式為：

22、los路徑的信道沖激響應(yīng)為：

23、

24、其中，t代表時間變量，τ代表時延變量,δ(τ-τlos)表示附加時延項，fd,los表示los路徑的多普勒頻移，dlos(t)表示信號在los路徑的傳播距離；ref路徑的信道沖激響應(yīng)為：

25、

26、其中，dref(t)表示信號在ref路徑的傳播距離；

27、sb1路徑的信道沖激響應(yīng)為：

28、

29、其中，dsb1(t)表示信號在sb1路徑的傳播距離；

30、sb2路徑的信道沖激響應(yīng)為：

31、

32、其中，dsb2(t)表示信號在sb2路徑的傳播距離；

33、其中，fc表示載波頻率，c表示光速，k表示萊斯因子，ηref、ηsb1和ηsb2分別表示ref分量、sb1分量和sb2分量占散射功率1/(k+1)的比例，它們滿足ηref+ηsb1+ηsb2＝1；隨機相位偏移φref、和相互獨立且都在[―π,π)上服從均勻分布；

34、τlos、τref、τsb1和τsb2分別代表los路徑、ref路徑、sb1路徑和sb2路徑的傳播時延，它們被表示為：

35、

36、

37、fd,los、fd,ref、fd,sb1和fd,sb2分別代表los路徑、ref路徑、sb1路徑和sb2路徑的多普勒頻移，它們被表示為：

38、

39、其中，λ表示光波的波長，和分別表示los路徑的到達方位角、到達俯仰角和離開俯仰角，和分別表示ref路徑的到達方位角、到達俯仰角和離開俯仰角，和分別表示sb1路徑的離開方位角和離開俯仰角，和分別表示sb1路徑的到達方位角和到達俯仰角；和分別表示sb2路徑的到達方位角、到達俯仰角和離開俯仰角。

40、優(yōu)選地，所述的根據(jù)發(fā)射端、接收端和散射體之間的幾何關(guān)系，推導(dǎo)所述海洋船岸信道由于船舶移動和橫搖運動所導(dǎo)致的時變傳輸距離和時變角度，包括：

41、信號從岸上發(fā)射端第p根發(fā)射天線傳播到船舶接收端第q根接收天線的距離計算公式為：

42、

43、信號從岸上發(fā)射端第p根發(fā)射天線經(jīng)海平面鏡面反射后傳播到船舶接收端第q根接收天線的距離計算公式為：

44、

45、信號從岸上發(fā)射端第p根發(fā)射天線傳播到散射體的距離計算公式為：

46、

47、信號從散射體傳播到船舶接收端第q根接收天線的距離計算公式為：

48、

49、信號從岸上發(fā)射端第p根發(fā)射天線傳播到散射體的距離計算公式為：

50、

51、信號從散射體傳播到船舶接收端第q根接收天線的距離計算公式為：

52、

53、其中，θt和θr分別為發(fā)射端和接收端天線陣列的水平方位角，ψt為發(fā)射端天線陣列的俯仰角，和分別表示sb1路徑的離開方位角和離開俯仰角；

54、δt表示第p根發(fā)射天線到發(fā)射天線陣列中心的距離，δr表示第q根接收天線到接收天線陣列中心的距離，它們滿足：

55、

56、dt和dr分別表示發(fā)射端和接收端的天線間距；

57、更進一步的，各路徑分量的時變角度如下：

58、在los路徑中：

59、在ref路徑中：

60、在sb1路徑中：

61、

62、在sb2路徑中：

63、

64、在所述的海洋船岸信道模型中，有效散射體的數(shù)量被假設(shè)是無限個的，所述海洋船岸信道模型中的離散方位角仰角和半徑rl被連續(xù)隨機變量和r所代替，假設(shè)方位角和各自獨立，它們的分布通過馮米塞斯分布描述：

65、

66、其中，i0(·)為第一類零階貝塞爾函數(shù)；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、俯仰角和的分布通過余弦分布來表示：

68、

69、其中，βm表示仰角的最大值，βμ表示仰角的平均值。

70、半球體上圓的半徑通過以下概率密度函數(shù)描述：

71、

72、其中，r1和r2分別表示半徑的最小值和最大值。

73、優(yōu)選地，所述的根據(jù)所述信道沖激響應(yīng)、所述時變傳輸距離和所述時變角度，獲取海洋船岸信道的空時頻相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜密度信道特性，包括：

74、所述海洋船岸信道的空時頻相關(guān)函數(shù)的計算步驟為：

75、

76、其中，e(·)表示進行期望運算，(·)*表示進行復(fù)共軛計算；

77、los路徑的公式具體表示為：

78、

79、ref路徑的公式具體表示為：

80、

81、sb1路徑的公式具體表示為：

82、

83、sb2路徑的公式具體表示為：

84、

85、通過對時間相關(guān)函數(shù)進行傅里葉變換得到所述海洋船岸信道的多普勒功率譜密度，具體表達式為：

86、

87、其中，fd表示多普勒頻率，信道的多普勒功率譜密度是los路徑、ref路徑、sb1路徑和sb2路徑多普勒功率譜密度的疊加。

88、由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明方法準確描述海洋信道的非平穩(wěn)統(tǒng)計特性，有利于研究船舶橫搖對海洋無線信道的影響，為建立海洋無線通信系統(tǒng)提供理論支撐。

89、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。