0 引　言

近年来，包括海事航运在内的海洋活动日渐频繁，海域通信引起了广泛的关注。现有的海域通信系统主要有2种，一种是卫星通信系统，另一种是甚高频（Very High Frequency, VHF）无线通信系统。卫星通信方案虽然极大提高了海域无线通信系统的覆盖面积和数据传输的速率，但是由于卫星通信的专有终端价格昂贵、运营成本高、通信带宽有限，使用卫星通信方案面临着不可避免的高延迟和昂贵的实现成本^[1]。基于VHF的通信系统虽易于实现，但通信带宽窄，利用率有限^[2]，信号绕射能力弱^{[3 − 5]}，难以支撑在海上超视距（Beyond Line of Sight, BLOS）距离下的通信。在这种情况下，无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）可以作为中继器在海域通信系统中发挥作用，凭借自身的强机动性、高灵活性、部署速度快等优势，可以在短时间内建立BLOS通信链。因此，针对UAV的典型图传频率（2400～2485 MHz）在海上的传播特性进行研究具有重要的意义。

传统的路径损耗预测模型并不适用于所有区域，Yang等^[6]在挪威特隆赫姆附近进行了2 GHz无线电中等距离的测量，测量结果较符合ITU-R P.1546-2模型，不符合Okumura-Hata和COST231-Hata模型，并发现海洋的反射会对接收信号电平有约2 dB的衰落。Lee等^[7]和Sandra等^[8]分别在韩国西海和瑞典克拉克斯附近进行2.4 GHz和5.6 GHz无线电的短距离测量，测量结果却较符合经典的双射线模型，不符合ITU-R P.1546模型。因此在建立通信系统前，需要在实际的通信场景下对通信频段的无线电信号进行测量。

路径损耗不仅与传播距离有关，与气象因素也有关，Yang等^[9]对寒潮期间的BLOS传播路径损耗进行了观测，发现寒潮的存在会降低无线电传播损耗。张建飞等^[10]对海洋上空的云层厚度和海区降雨结构对无线电的衰减进行了分析，结果表明，无线电频率越高，穿过雨区的距离越远，损耗越大。在热带海洋上空，对路径损耗影响最大的气象因素就是蒸发波导。Yang等^[11]和Hu^[12]对蒸发波导的存在性和对无线电衰减的影响进行了测量分析，发现时间和空间上的不均匀蒸发管道可能导致传播损耗随着距离的增加而降低。Anderson^[13]发现蒸发管道对94 GHz无线电接收信号电平有50～100 dB的影响。

考虑到影响路径损耗的因素较多，部分学者在对传播损耗的研究中基于实际测量数据对经典的海上路径损耗模型进行了不同的修正。Lee等^[7]引入浪高因子对双射线模型进行了修正。Mehrnia等^[14]在经典双射线模型中引入指数函数进行修正，使之适用于35 GHz和94 GHz频段的预测工作。达新宇等^[15]提出了一种适用于Ka波段的雨衰模型。魏特等^[16]引入潮汐因子对双射线模型进行了修正。Lee等^[17]引入蒸发波导高度对双射线模型进行了修正。Dahman等^[18]引入小尺度衰落对双射线模型进行了修正。Cao等^[19]在抛物方程模型中引入包括大气分子吸收在内的复折射率和蒸发管道模型，构建了太赫兹波在海洋蒸发管道环境中的传播模型。Lyu^[20]在毫米波频段进行了25 GHz海上BLOS信道定点测量活动，在实测数据的基础上，提出了由环境变化引起的短时衰落分析模型。

综上所述，现有的海上无线电传播研究主要集中在岸对船通信的场景，即发射天线高度与接收天线高度差不大，并且在热带海洋区域夏季的测量活动较少，特别是在我国南海海域的研究与分析较少。本文重点研究了在琼州海峡区域的2.45 GHz无线电在传输距离5～18 km范围内的传播特性，将发射机高度设置在40 m以上模拟海上低空UAV的飞行高度，与运动中的渡船建立通信链路来模拟无人机通信的下行图传链路。希望本文的研究可以为后续学者的科研工作提供参考与借鉴。

1 海上路径损耗模型

目前应用于海上信道的路径损耗模型较少，虽然近期有不少学者对海上的模型进行了建立和修正，但是由于海洋独特的水文环境和地球多变的气象环境，所建立与修正模型的普适性和可靠性仍然需要接受考验，较多学者用来比较和验证的模型主要是自由空间路径损耗（Free Space Loss, FSL）模型、双射线模型以及三射线模型。

FSL模型通常适用于卫星通信系统中，因为卫星通信系统中的无线电信号传输近似为视距（Line of Sight, LOS）环境传输，无大型障碍物遮挡，因此，FSL模型可以预测局部大尺度平均衰落，但是无法用于存在多径传输的通信系统中。在实际的工程应用中，路径损耗计算式为：

$ P{L_{FSL}}(d)[dB] = 20{\log _{10}}(d) + 20{\log _{10}}(f) + 32.44。$

(1)

式中：$ d $为收发机距离，km；$ f $为信号频率，MHz。

双射线模型考虑了直射路径和反射路径同时存在情况下的路径损耗，路径损耗计算式为：

$ PL_{2-\text{ray}}=-20\log_{10}\left\{\left(\frac{\lambda}{4\text{π}d}\right)\left[2\mathrm{\sin}\left(\frac{2\text{π}h_th_r}{\lambda d}\right)\right]\right\} 。$

(2)

式中：$ \lambda $为无线电波长；$ {h_t} $和$ {h_r} $分别为发射天线高度和接收天线高度，m。

三射线模型包含直射路径、海面反射路径和由于蒸发波导导致的折射路径。在海上无线电LOS传播过程中，由于蒸发波导的存在会导致接收信号强度显著增强。海上三径模型的路径损耗计算式为：

$ {P{L_{3 - {\text{ray}}}} = \left\{ \begin{gathered} - 10{\log _{10}}\left\{ {{{\left( {\frac{\lambda }{{4{\text{π}} d}}} \right)}^2}{{\left[ {2\sin \left( {\displaystyle\frac{{2 {\text{π}} {h_t}{h_r}}}{{\lambda d}}} \right)} \right]}^2}} \right\}, d \leqslant {d_{\rm break}} ，\\ - 10{\log _{10}}\left\{ {{{\left( {\frac{\lambda }{{4{\text{π}} d}}} \right)}^2}{{\left[ {2\left( {1 + \Delta } \right)} \right]}^2}} \right\},{\text{ }}d > {d_{\rm break}}。\\ \end{gathered} \right.} $

(3)

$ \Delta=2\mathrm{\sin}(\frac{2\text{π}h_th_r}{\lambda d})\mathrm{\sin}[\frac{2\text{π}(h_t-h_e)(h_r-h_e)}{\lambda d}] 。$

(4)

式中：$ {d_{\rm break}} $为需要考虑蒸发波导的临界距离，通过式$ {d_{\rm break}} = 4{h_t}{h_r}/\lambda $计算；$ {h_e} $为蒸发波导高度，m。

2 无线电测量平台搭建 2.1 测量系统

为分析无线电信号在热带海域上空的传输特性，设计信道测量系统。发射端全向天线安装海口市西海岸边酒店的8楼处和14楼处的走廊尽头，发射天线高度1 m，与矢量信号发生器和射频功率放大器相连接，信号发生器发射单音连续波信号，频率为2.45 GHz，形成一个可调输出功率的固定发射机。接收端全向天线安装在渡船的左舷甲板栏杆处、右舷甲板栏杆处和船尾甲板栏杆处（不同测量航次部署位置不同），接收天线长度1 m，与频谱分析仪和低噪声放大器相连接，形成一个移动接收机，对接收信号电平进行离散式记录（每间隔一段时间或者航行一段距离记录一次数据）。在测量过程中，计算机连接全球定位系统（Global Positioning System, GPS）模块，实时记录位置信息，8楼处测量位置经度110.182529，纬度20.062320，14楼处测量位置经度110.183536，纬度20.061825。通过互联网网站记录天气信息。设备具体参数如表1所示。

2.2 测量路线与测量环境

测量活动在2024年夏季进行，测试船舶为港口渡船，在中国南海西北海域的海口市新海港和湛江市徐闻港之间进行往返多次测量，最小测量距离5 km，最大测量距离18 km，共取得3组有效数据。图1为3组数据的测量路线。在整个测量过程中，除了偶尔有船只在短时间内经过外，大部分传输时间内都保证了LOS路径。表2为具体的航次信息。

3 实测数据分析

图2为3组通过实际测量得到的接收信号电平值。可以发现，2.45 GHz无线电信号在传输距离5～18 km时，存在深衰落点，部分明显的深衰落点区域在图中以虚线圆圈标出。接收信号电平值的变化趋势并不是单一的指数衰减形式，而是在整体衰减的趋势下，不断地进行上下跳变，存在一种梳状衰减现象，这与Yang等^[6]的测量结论相吻合，且这种梳状衰落是由于海浪的运动所导致的。本文在测量过程中发现实际测量结果会经历6～8次深衰落，其中包含由于船舶遮挡所带来的阴影衰落。

当海上低空通信系统通信距离增加的时候，为保证通信系统的可靠性和有效性，需要根据经验数据对发射机功率进行预算。表3为3组实测数据中部分深衰落点的位置以及相对参考点的距离差和电平差值。数据1参考位置5.733 km，参考电平值−9.44 dBm；数据2参考位置5.5 km，参考电平值−13.29 dBm；数据3参考位置6.515 km，参考电平值−13.59 dBm。从表中数据可以知道，当通信距离超过某一节点时，需要增加链路预算，且在之后的某一距离范围内中不需要再次增加预算。以数据2为例，当相对于参考距离差到达4.17 km左右时，需要增加25.96 dBm的链路预算，继续航行7 km不需要增加链路预算；当收发节点在13 km处时建立通信链路时，会比在9.6 km处建立时需要更少的链路预算。

图3为实测数据1、2与FSL模型、双射线模型以及三射线模型的对比。可以得知，FSL模型无法准确地预测海上路径损。实测数据并不满足于考虑到蒸发波导的三射线模型，这是因为根据收发机高度和传播的电磁波波长计算$ {d_{\rm break}} $距离，发现最大测试距离无法触发$ {d_{\rm break}} $条件，蒸发波导高度由记录到的天气信息代入Paulus-Jeske模型计算得到。实测数据更符合双射线模型，并且双射线模型的第一个深衰落点与实测数据非常接近，有些许偏差是由于GPS的记录偏差导致，但是随着传播距离的增加，双射线模型显然低估了路径损耗。

图4和图5分别使用莱斯分布和瑞利分布进行拟合。通过分布概率图可知，在海上通信环境中，可以使用莱斯分布作为信道的小尺度衰落模型。

4 路径损耗模型修正与验证

在实际通信的测量中，双射线模型虽然可以预测无线电信号衰减的趋势，但是在预测第一次深衰落点后，往往会出现低估路径损耗的现象^{[7 − 8,16 − 17]}。这是因为天线设备、船体阴影和海面漫反射导致的。无论船舶处于运动还是静止状态，海浪一直在运动，并对船舶产生影响。一般情况下，大型船舶在2级及以下海况时受到海浪的影响甚微，船身摆动角度和起伏高度在小范围内变化。

当收发距离相近时，接收机接收天线在小范围内的角度和高度的变化并不会对接收信号电平造成太大的影响，但是随着传播距离的增加，当信号强度衰减到一定值时，由于现实中不存在理想的天线，接收天线对信号的接收能力变弱，从而影响接收信号电平。同时粗糙海面的漫反射会使得电磁波朝着不同方向进行反射，在近距离时散射的信号大部分可以被天线所捕捉到，但是距离越远时，散射的区域越大，损失的信号功率越多。并且受地球形状不规则的影响，当收发通信距离较远时，船体的小角度摆动可能使得船体本身遮挡LOS传输路径，产生额外的阴影衰落。

因此，为贴近真实的UAV对船舶的通信场景，在不考虑蒸发波导的条件下，本节在无线电传播过程中引入阴影衰落因子，对经典的双射线模型进行修正。阴影衰落因子由式(6)表示，其中引用了IEEE 802.16d模型^[21]中的载波频率相关项和天线相关项，通过测量平台所测的实际数据进行拟合，更新了相关项中的系数。修正后的双射线模型路径损耗计算式为：

$ P{L_{2 - {\text{ray - amend}}}} = - 20{\log _{10}}\left\{ {\left( {\frac{\lambda }{{4{\text{π}} d}}} \right) \left[ {2\sin \left( {\frac{{2{\text{π}} {h_t}{h_r}}}{{\lambda d}}} \right)} \right]} \right\} + P{L_{\rm shadow}} ，$

(5)

$ \begin{split}PL\mathrm{_{shadow}}= & \left(0.1+\frac{8}{h_t}\right)+\left(4.5+\frac{360}{h_t}\right)\log_{10}\left(\frac{d}{4\;000}\right)+ \\ & 35\log_{10}\left(\frac{f[\mathrm{MHz}]}{2\;000}\right)-10\log_{10}\left(\frac{h_r}{3}\right)。\end{split} $

(6)

图6为实测结果与引入阴影衰落的修正模型和经典双射线模型的预测结果对比。可知，引入阴影衰落的修正双射线模型在第一次深衰落点外比经典双射线模型更贴近实测数据，由此验证了修正模型的正确性。

5 结　语

本文在琼州海峡区域对无线电测量系统进行了搭建，在不同时间段对2.45 GHz无线电信号进行了测量，并给出了测量路线、测量环境、测量航次的具体信息，对测量得到的数据进行了分析。分析结果表示，在大尺度衰落方面，即便在夏季的热带海域上空，信号在传播过程中是否受到蒸发波导的影响与收发机高度、无线电波长、传输距离有关。双射线基本可以预测无线电信号在海上的路径损耗，但是在中长距离处，会低估传播途中的路径损耗。这可能是由于船体自身阴影、过往船舶遮挡、海浪运动导致的。将实测结果与引入阴影因子的修正模型和经典双射线模型与对比，结果证明，所提出的修正模型比经典双射线模型更贴近实测数据。在小尺度衰落方面，通过对实测数据与理论模型的偏差值分布进行拟合，验证了海上信道小尺度衰落较符合莱斯分布。