文献解读：南海8GHz蒸发波导信道的大尺度与小尺度衰落特性研究

参考文献：Zhang, Qi；Shi, Yang；Yang, Kunde；Wang, Yan；Yan, Xidang（2023）。Measurements and Analysis of Maritime Wireless Channel at 8 GHz in the South China Sea Region。IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 71(3), 2659-2672。

DOI: 10.1109/TAP.2022.3212368

该文通过实地测量南海8 GHz海上无线信道，分析了大尺度路径损耗和小尺度衰落特性，并验证了适用于蒸发波导环境的传播模型。

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目录

（一）蒸发波导通信的优势与挑战

（二）实验设计

2.1 发射端（Tx）

2.2 接收端（Rx）

2.3 实验场景

2.4 实验时间

2.5 实验内容

2.6 气象数据

（三）实验结果

3.1 大尺度衰落

3.1.1 模型对比

3.1.2 评估方法

3.1.3 主要结论

3.2 小尺度衰落

3.2.2 结果

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（一）蒸发波导通信的优势与挑战

在广阔的南海上，如何高效连接分布式浮标，一直是海洋监测和通信的难题。

传统的浮标通信主要依赖卫星通信（SATCOM）或甚高频通信（VHFCOM），但这两种方式都有明显的限制：

• 卫星通信成本高、容量有限，且容易受到干扰；
• 甚高频通信受限于地球曲率，海洋浮标结构稳定性有限，天线通常离海面不超过10米，此时最大视距约为 26 km，带宽也无法支持高速数据传输。

同时，海洋环境具有稀疏散射体和动态波动性，无法直接套用陆地传播模型。为此，研究人员提出利用蒸发波导通信实现超视距传输，突破传统通信距离瓶颈。

（二）实验设计

为深入研究南海蒸发波导信道特性，研究团队设计并实施了一次实地测量实验：，测量路径损耗 (PL) 和近海表面信道的时间变化特性。

2.1 发射端（Tx）

1. 设备：矢量信号发生器 Agilent E8267D + 单极天线（增益 6 dBi）。
2. 安装位置：单极天线固定在船顶，距海平面 8 m。
3. 发射信号：7.83 GHz 连续波（CW）信号。

2.2 接收端（Rx）

1. 设备：两只高增益喇叭天线（20 dBi）。
2. 安装位置：固定在观测平台钢管上，高度分别为 1 m 和 11 m。
3. 两根天线分别连接两台频谱分析仪：
4. 低天线 → Agilent 9030A
5. 高天线 → Tektronix 3308B

2.3 实验场景

观测平台位于离海岸 6.5 km的海域（位置：21.4392°N, 111.3956°E），可忽略陆地反射对结果的影响。

2.4 实验时间

2015年11月30日18:00-22:00，北京时间。

2.5 实验内容

跟随船的运动建立1.3 km ~ 55 km的海上通信链路，动态测量接收信号强度。

2.6 气象数据

• NCEP CFSR 数据集，汇集了来自多种来源的观测数据，包括但不限于：浮标、陆地气象站、船舶观测报告、无线电探空仪、飞机以及卫星。
• 时间分辨率：1 小时
• 空间分辨率：0.313° × 0.312°
• 时间覆盖范围：从 1979 年至今
• 位于传播路径附近海域的点（蓝色实心圆）被选取出来，通过自然邻点插值法将这些数据插值到传播路径上

（三）实验结果

3.1 大尺度衰落

3.1.1 模型对比

在本研究中，实测路径损耗（PL）数据与四种模型进行了比较，用于分析和建模南海蒸发波导环境下的海洋无线传播特性：

1. 自由空间损耗模型（FSL, Free Space Loss）
2. 双射线模型（Two-Ray Model）
3. 对数距离模型（Log-Distance Model）
4. 抛物线方程模型（PEM, Parabolic Equation Model）
   PEM能够考虑大气折射率变化，适合描述蒸发波导效应和复杂海洋传播环境。

3.1.2 评估方法

通过计算实测值与模型预测值之间的误差，评估模型的预测精度。使用的四个统计指标为：

1. MAE（平均绝对误差）
2. RMSE（均方根误差）
3. RAE（相对绝对误差）
4. RSE（相对平方误差）

3.1.3 主要结论

1. 整体趋势：
   1. 对数距离模型与实测数据的整体拟合效果最好，统计误差最小。
   2. PEM模型能更好地刻画局部深度衰落，尤其是在 5.5 km 处的多径干涉区域。
   3. FSL和双射线模型误差大，尤其是在低天线通道下表现最差，不适用于蒸发波导环境。
2. 不同天线高度表现：
   1. 高天线通道中，各模型预测结果差异较小，但PEM在描述多径效应方面更优。
   2. 低天线通道中，FSL低估PL，双射线模型高估PL，误差几乎为对数距离模型的两倍。

所谓超视距传输，核心并不是信号损耗特别小，而是传播路径绕过了地球曲率的阻挡。从实验结果来看，南海蒸发波导中的大尺度路径损耗（PL）与自由空间损耗（FSL）在数值上接近。

但是传播机理不同：

• 自由空间传播：电磁波沿直线传播，不会“拐弯”。当距离超过视距限制（例如天线10米时约26 km），信号会直接被地球曲率“挡住”，射到海面或陆地，无法到达更远的接收点。
• 蒸发波导传播：蒸发波导相当于一个天然的“弯曲波导”，使得电磁波在近海表面产生向下折射，可以沿海面“贴着”传播，逐段折射并前进。

3.2 小尺度衰落

小尺度衰落主要受到海洋环境的时变特性影响，例如蒸发波导的波动。

概率密度分布：将模型预测结果（PE模型 和 对数距离模型）与实测数据相减后得到。大多数衰落数据在-10到20 dB之间的范围上扩展

3.2.1 对比五种经典分布模型：

1. Rician分布
2. Nakagami-m分布
3. Rayleigh分布
4. Weibull分布
5. 对数正态分布 (Lognormal)

这些模型的参数通过最大似然估计 (MLE)进行拟合，并基于贝叶斯信息准则 (BIC) 选择最优拟合结果。为了评估拟合优度，研究使用了Kolmogorov–Smirnov (K-S) 检验。

3.2.2 结果

• 在所有对比中，Rician分布的K-S统计值最小，说明其拟合效果最好；
• 这表明无论是PE模型还是对数距离模型，在高天线和低天线通道中，小尺度衰落都最符合Rician分布；
• 这一结论与团队此前在南海进行的固定距离实验结果一致。

因此，Rician分布可以作为南海蒸发波导信道小尺度衰落的有效建模工具。