【2022年第12期】舰船内部60 GHz毫米波信道特性研究

目录 | 2022年第12期 本期专题：毫米波、太赫兹通信技术

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一种基于深度学习的室内波束选择方法

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室内毫米波信道路径功率测量建模研究

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专题：毫米波、太赫兹通信技术

舰船内部60 GHz毫米波信道特性研究*

丁同禹，王孟于，张谅

【摘 要】为研究船内复杂封闭空间60 GHz毫米波信道特性，建立了等比例船舱模型，并进行相应的仿真研究，针对四种舰船舱室环境模型：T型控制舱、L型起居室、矩形起居室及机械舱，分别研究了各舱室内部60 GHz毫米波信道的时延扩展及路径损耗，建立了简单的舱内路径损耗模型，并发现机械舱环境的损耗斜率明显高于其余三种舱内环境模型，主要由于机械舱内复杂的金属环境对电磁信号造成了大量的反射和散射。在对时延扩展研究中归纳并提取了四种多径信道模型：多径时延分布、多簇时延分布、衰减的指数功率及等功率分布。此四种信道模型在一定程度上表征了船舱环境的信道特性。结合仿真结果及舱室环境，简要论述了实现该舰船内部无线通信的可行性，并提出了船内无线传感网络的节点部署建议。

【关键词】毫米波；信道模型；路径损耗；时延扩展

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2022)12-0062-07

引用格式：丁同禹,王孟于,张谅. 舰船内部60 GHz毫米波信道特性研究[J]. 移动通信, 2022,46(12): 62-68.

DING Tongyu, WANG Mengyu, ZHANG Liang. Research on Channel Characteristics of 60 GHz Millimeter Wave Propagation inside Ship Cabins[J]. Mobile Communications, 2022,46(12): 62-68.

0 引言

随着5G、6G通信技术的高速发展，超高传输速率、超低时延及高频谱利用率的需求也水涨船高。毫米波频段以其丰富的频谱资源特性俨然成为研究热点。近年来，毫米波无线通信技术的应用辐射军用、航天及民用领域，包括飞行器、雷达、卫星通信等。以民用领域为例，在文献[1]中作者针对室内走廊环境和室外开阔环境分别进行了24 GHz的毫米波信道仿真及测试研究，对信号多径分量按时延分布进行分簇排序，得出在室内的多簇分布小于室外环境的结论。文献[2]结合大量实测数据分析了室内和室外情况73 GHz毫米波信道衰落和时延的统计特性。文献[3]则利用射线跟踪法仿真研究了室外城市环境下的毫米波信道的特性。除此之外，当毫米波信号在复杂封闭金属腔体内传播时，由于非视距传播和金属腔的作用而产生强多径效应和驻波现象的研究也被报导 [4] 。

无线通信应用的场景不仅包括室外城市环境和室内走廊等普通民用空间，还包括飞机和巨型船舶等大型封闭空间 [5-7] 。无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）在海上无线通信、海洋环境监测和船舶间通信等领域迅速发展。在早期的研究中，Paik等人就使用2.4 GHz电磁波和有线通信的组合来对车载信号进行实时监测，并建立了一个监测系统 [4-5] 。Kdouh等人则利用无线通信技术验证了船舶无线传感器网络中无线信号传输的可行性，并提出了一种基于分层分组的网络拓扑结构。该研究为船舶无线信号传输提供了一个重要的研究方向 [8-9] 。自那时以来，对船舶无线通信的研究大幅增加，但大多数研究的是小型船舶或结构简单的船舶，以ad-hoc网络的形式为主，而对内部结构复杂的超大型船舶的研究相对较少。Mariscotti等人对船舶餐厅、走廊和卧室的接收功率进行了模拟研究。仿真结果表明，无线信号在空间中存在大量的反射和衍射，而衍射等因素会导致信号传播的显著衰减 [10-12] 。Yan等人建立了一个船舶模型，并基于射线追踪方法模拟了船舶走廊中无线信号（信号频率分别在900 MHz、2.4 GHz和60 GHz）的传播特性 [13] 。

综上所述，文献中针对船舶内部毫米波无线通信的研究尚且不足，尤其是不同舱室环境内部的信道特性。为此，本文对60 GHz毫米波信号在舰船舱室环境中的传播特性进行分析和研究，重点研究了电磁信号在舰船上层建筑，包括控制舱、休息区及机械舱的传播特性，主要分析了各个舱室环境内的路径损耗及时延扩展特性。

1 仿真模型与参数设置

1.1 仿真环境

如图1所示为本研究根据真实大型货轮“兆明号”搭建的船员活动区域等比例三维模型结构示意图，主要包括控制舱、休息舱、生活室、机械舱和连接各平台的楼梯，每个舱室之间亦通过内部楼梯连通。

为了更加具体地针对各个舱室进行研究分析，提取了4种舰船舱室环境模型，如图2所示，分别为T型控制舱、机械舱、L型及矩形的起居室平面图。其内部结构均由金属、木质和玻璃材质的材料构成。图2中绿色方块代表发射节点，红色方块代表接收节点。为了尽可能计算电磁信号的传播过程中存在的所有路径，本文采用全向天线作为辐射源。为此，接收机的安放位置围绕发射机按照随机法进行安放以尽可能排除偶然因素。图2中给出发射机和接收机节点的部署方案，如绿色和红色方块所示。

1.2 仿真参数设置

仿真模型采用的全3D模型，船体结构和设备的材料设置为纯金属，控制舱的门和楼层之间的其他门均采用防火材料制成。控制室的窗户及桌椅分别由玻璃和木制材料制成。机舱内所有门均开放，窗户均为关闭状态。具体仿真参数如表1所示，表2中给出了材质的电参数。

2 信号传播特性仿真与分析

电磁波在以金属为主要材料的舱室内传播时，大量的反射与绕射会导致较严重的多径效应。信号传播过程中出现的反射或绕射还导致信号功率的严重衰减。本研究所得到的仿真结果均通过Remcom Wireless Insite 3.3电磁仿真软件获得，该软件基于射线追踪法进行电波传播的仿真和预测。

2.1 传播路径模型

如图3所示为典型舱体中的部分射线传播路径。由于发射和接收天线均为全向天线，发射端所辐射的电磁波射线可以向任意角度发射，接收端也能够接收到经过若干次反射后的电磁信号。在图3中，筛选出部分有效射线路径，考虑到清晰度，此处只显示能量最高的25条射线，能量相近，因此显示色度亦接近。图3所提供的四组路径信息更主要的目的是辅助判决指定观察点处射线的集中入射方向（角度）。路径仿真结果展现了电磁信号在舱室中传播的空间信息。射线在非视距和视距传输模式下，反射次数也不尽相同。值得注意的是，对于障碍物较多的L型起居室和机械舱，发射节点至少需要增加三组，以达到较好的覆盖率。对于能够视距通信的节点，例如TX1至R1-1，则可根据图3（a）提供的路径信息，在反射路径上铺设吸波材料消除码间串扰。

2.2 时延扩展

在射线追踪算法中，每条射线的到达时间可以由射线的路径长度来计算：

在式(1)中，t i 为第i条路径的传输时间，L i 为信号传输距离，c为光速。

通过对到达该点的每条射线所携带的功率求和得到某一点的接收功率，而电场强度则通过每条射线的矢量叠加得到。在本文中，采用式(2)和式(3)计算指定观测点的总接收功率。

式中为无线信号的波长；q i 和f i 表示第i条射线的到达角度；h 0 为自由空间阻抗，其值为120π≈377 Ω；E q,i和E f,i 分别是第i条射线到达接收节点时垂直电场和水平电场强度。

图4至图7分别对应图2（a）～（d）所示四个舱室主要通信节点的时延扩展。在T型控制舱中，每个接收点处所呈现的时延分布主要有两类。第一类的特征表现为大量的多径分布，并且集中于10～100 ns，多径分量中最大和最小功率之差维持在30 dBm内。如图4（a）、（b）、（c）、（e）及（f）所示，功率随时间在总体上呈现出指数分布规律。另一种分布规律如图4（d）所示，在20～100 ns范围内呈较多的等功率簇类分布特点，最低分量的功率低于-120 dBm，整体功率明显低于第一类分布。在图4（c）和图4（e）中分别呈现了位于舱室右侧拐角处的接收节点R1-3及R1-5的时延分布，而且均表征为两簇时延分布规律。其中R1-3处的两簇时延分布集中于在40～50 ns，而R1-5处的时延分布集中于20～60 ns。从图2（a）中节点布局方位可以得出TX-RX3存在两种传播模式：视距及非视距传播，而TX-RX5只有视距传播模式。由于发射天线的全向辐射特性，电磁射线的均匀全向发射导致多径分量增加，射线的直射分量及一阶反射分量是形成两簇分布规律的重要组成部分。

由图2的平面图可知，对于起居室的L型和矩形的空间结构，其尺寸及容量均小于T型控制舱。所以， 图5和图6所给出的L型和矩形起居室的时延分布集中于7.5～60 ns及6～80 ns。在图5（d）和图6（d）中所展现出等功率分布（最大功率与最小功率差小于5 dBm）。除此之外，其余各接收点（R2-1、R2-2、R2-3、R3-1、R3-2、R3-3及R3-5）处的时延分布规律与上述第一类分布类同，均表征为指数分布规律。

机械舱室内的内置结构和组件均由金属构成。时延分布规律如图7所示。由图7（a）至7（f）时延分布结果所示，该舱内存在大量的簇类时延分布，而且在功率分布上具有指数分布规律。

在时延分布规律的研究中发现，兆明号轮船的工作和生活舱内部的时延扩展分别符合多径均匀分布模型、多簇分布模型以及单簇与多径混合分布模型，并且总体时延分布集中在10～100 ns范围内。在功率分布研究中发现，舱内无线信号功率分布主要符合衰减指数功率和等功率分布模型，其中机械舱内的总功率受内部设备影响明显低于另外三种室内环境模型。

2.3 路径损耗

本文所研究的环境模型基本可以归类为室内环境，在室内场景下路径损耗和阴影衰落模型可以用a-b模型来表示 [14-15] ：

其中，a为拟合曲线的纵轴截距，而b为该曲线的斜率，表示为损耗斜率。Xs表示阴影衰落模型，该模型由零均值标准偏差为s的高斯随机变量表征。

针对四种室内环境模型分别进行仿真研究，所得路径损耗的拟合结果如图8所示：

结合式(4)所得的路径损耗参数的统计结果如表3所示。从路径损耗斜率b可以得出，在T型控制舱、L型和矩形起居室的路径损耗相较于机械舱较低。而且L型起居室中存在木制结构，对于电磁信号的具有一定的吸收作用，因此其损耗斜率大于矩形和T型控制舱。由于金属环境和空间尺寸的原因，60 GHz毫米波信号在机械舱环境中传播存在较大的损耗。

通过路径损耗的拟合结果分析得出4种路径损耗模型，其中机械舱内的损耗斜率较高，达到3.59，其余三类场景模型相对较低分别为：1.41、2.21和1.49。通过以上针对舰船舱室环境模型的时延扩展和路径损耗模型所开展的信道分析可以发现，对于诸如机械舱类型的复杂金属封闭环境，毫米波信号的传播表现出严重的驻波特性。对于控制舱及起居室类的环境，不同材质的隔断物体也会对信号的时延及路径损耗造成严重影响。建议通过在物体周边和楼梯等连接处增加节点布设增强信号的覆盖率、传输质量和传输速率。

3 结束语

本文提取了舰船舱室中4种典型的环境模型，分别进行了60 GHz毫米波信号的信道特性仿真研究。统计分析了其时延扩展规律，并总结得出了面向大型货轮兆明号的舱内毫米波多径信道模型以及4种舱室对应的路径损耗模型。毫米波信号在复杂金属环境中传播会出现较强的信号衰落，不适合长距离信号传输，可通过增加中继器的方式改善信号的通信质量和通信速率。本文提出的信道分析结果充分表征了兆明号舱内复杂密闭空间的毫米波信号传播规律，亦可作为通用的大型货轮舱内信道模型，为船内无线通信系统或无线传感器网络布局提供参考。

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参考文献：（上下滑动浏览）

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★原文发表于《 移动通信》2022年第12期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20221013-0001

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2022)12-0062-07

引用格式：丁同禹,王孟于,张谅. 舰船内部60 GHz毫米波信道特性研究[J]. 移动通信, 2022,46(12): 62-68.

DING Tongyu, WANG Mengyu, ZHANG Liang. Research on Channel Characteristics of 60 GHz Millimeter Wave Propagation inside Ship Cabins[J]. Mobile Communications, 2022,46(12): 62-68.

作者简介

王孟于：集美大学海洋信息工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为受限空间电波传播、天线技术等。

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