性能分析的代码分复用通信蒸发波导环境下

1介绍

海洋占地球表面的70%。然而,由于地球曲率和天线高度的限制,视距传输距离过海只能40∼50公里(乔和垫片,2019年)。地面通信基础设施发展多年来;然而,它是具有挑战性的部署在大海。因此,95%的海洋区域不被无线网络覆盖。一般来说,通信节点在海上非常稀疏;因此,在海上长距离无线通信是必需的。然而,现有的无线通信技术主要是用于人口稠密的设施和不适用于长途通信场景。视线外蒸发管在海洋可以帮助实现仿真结果)传输传输损耗较低,利用其困折射。的根本原因是海水的蒸发蒸汽导致表面大气湿度急剧减少与高度,从而降低折射率的增加高度。因此,电磁波折射下行如果折射率大于地球的轮廓,因此诱捕电磁波在蒸发波导层。 At this point, the energy loss will be considerably reduced, thereby facilitating NLOS wireless transmission on the sea (Serebriakov Abdullin, 2018)。然而,蒸发管的强度和厚度变化与大气折射率和大气折射率与众多气候因素,如温度、湿度和大气压力。因此,探讨这些因素对电磁波传播的影响在蒸发波导环境中是至关重要的。

海上通信节点的特点是他们的极端稀疏;因此,远程仿真结果无线传输的主要形式是海上通信。扩频通信技术可以用来分配信号功率在一个宽频谱带宽。在这种方式中,信号能量在芯片内时间显著较低。处理增益,抗干扰和防能力可以提高,这有利于弱信号检测。相关研究表明,扩频通信技术可以增加传输距离在同一功率谱密度。因此,本工作采用扩频技术作为提高长距离传输的基带方案在海面上(Sagir et al ., 2019)。然而,扩散光谱降低数据率。为了解决这个问题,我们引入了一个多路复用技术提高蒸发波导环境下的数据速率。

通常使用三种方法来提高传输容量。其中之一是增加带宽。可用频带资源有限,噪声功率可以很容易地增加,所以在大带宽传输模式,增加带宽来链接的好处能力降低。另一个是增加了传输能量。然而,通常是由许多有限的条件下,传输能量及其实现在实际应用中是具有挑战性的。第三是创建多个并行数据流通过多路复用技术来提高信道容量。空间分割多路复用是一种常用的多路复用技术;然而,考虑到海上无线信道的特点,它不是理想的使用这项技术。稀疏的海上无线通道的散射是一个杰出的特性在海上由于现有几个障碍。例如,在海上双线模型中,如果直接和反射路径有相同的角定位,两条路径之间的角差随传播距离增大而减小。使用传统的大规模的多输入多输出(MIMO)技术、天线元素高度和MIMO信道矩阵的秩亏问题,复杂性和成本问题发生。因此,这项工作考虑码分多路复用技术,这表明多个代码的并行传输渠道,改善系统的链接能力。

在我们的研究中,我们不仅分析了大气环境影响因素蒸发管通道特点,而且分析的影响天线高度和电磁波传输信号的频率在蒸发管通道。通过以上因素的综合分析,我们建议使用扩频技术实现远距离无线传输在大海。而传播频谱降低数据率,从而改善系统的介绍了CDM技术链接能力条件下的蒸发管。最后,我们给出下面的链接能力模拟分析技术。

2电磁传播模式下在海上蒸发波导

蒸发管要受到大气环境的影响。不同气候条件下电磁传播特性显著不同。探索和分析这些特点,介绍了经典抛物型方程模型和大气折射系数。电磁传播模型下蒸发管所示图1。假定平行沟通两个通信节点之间的距离是50公里,地球的弧的高度大约是49米,与蒸发管层是大约20米。反射和折射后,信号向前跳跃,从而实现仿真结果的传播。

2.1抛物型方程模型

抛物方程(PE)是一种最常用的数学工具解决电磁波传播问题复杂的大气折射和不规则地形场景。

体育可以被描述为(郭et al ., 2021;李et al ., 2011):

在哪里x和z代表的横向传输距离海面,海面上方的高度,分别。u(x,z)是电磁衰减函数(它可以表示为一个电场组件在水平极化电磁场或磁场分量垂直极化电磁场)。k波的数量,米是大气折射率的修正指数。

它是不切实际的直接解抛物方程;因此,分步傅里叶变换(SSFT)算法(Valtr Pechac, 2007)是用于解决离散解减少计算复杂度。假设在当前位置的场分布是已知的,SSFT算法是用来解决场分布在一定的距离,并使用递归关系,我们解决了场分布的位置。

定义u(x₀,z)的场分布x₀SSFT被用来获得(Levadnyi et al ., 2011):

在哪里p≜k罪θ,θ是波速方向角。F(⋅)和F⁻¹(⋅)代表的傅里叶变换和傅里叶反变换,分别。使用SSFT算法,u(x₀+ 2Δx,z),u(x₀+ 3Δx,z)可以由迭代步长Δ等等x。然后,有关场的分布在一个位置可以通过改变初始值决定的u(x₀,z),步长Δx,和迭代的次数。

2.2大气折射系数

管道的性能是影响大气折射率在海上蒸发波导环境下。大气折射公式如下(郭et al ., 2014):

在哪里N和P分别代表大气折射率和大气压力。此外,e和T分别代表水蒸气压力和温度。

考虑地球曲率的影响,修正后的大气折射率表示如下(福斯特和Riechen, 2006):

在哪里米代表了修正大气折射率。之间的关系米和米(折射率)的大气修正指数,可以被描述为(史密斯和温特劳布,1953年):

许多预测模型用于蒸发管。近年来,Paulus-Jeske (P-J) (格里姆斯和哈科特,2014)模型和海军研究生院(NPS) (Zhang et al ., 2010)模型已被广泛使用。本研究使用了NPS模型分析的高度和蒸发波导的折射率。在这个模型中,大气温度、湿度、风速、相对湿度,和其他环境参数在一定高度的输入,然后,蒸发管的大气折射率剖面是根据获得的方程式3- - - - - -5。蒸发管的高度是通过使用最小修正折射率(郭et al ., 2014)所示图2。

3大气环境对蒸发波导中电磁波传播的影响

蒸发管的高度的影响因素,如大气温度、海面温度、海气温差、相对湿度、风速、大气压力(郭et al ., 2018;施et al ., 2019)。在这项研究中,NPS模型被用来分析这些环境因素对无线电传播的影响。首先,相应的纠正蒸发波导的折射率和高度剖面通过设置气象参数的值在一定的高度,然后,分析了这些因素对路径损耗的影响通过控制变量。

3.1相对湿度对电磁波传播的影响

蒸发管可分为三种状态,即。、稳定、中立和不稳定的状态。特别是,当海气温差(美国)<我nline-formula id="inf1"> $<0$ ,它是一种不稳定的状态;当美国培训<我nline-formula id="inf2"> $>0$ ,它是一个稳定的状态;当美国= 0,这是一个中性的状态(王et al ., 2020)。在此,我们主要研究了相对湿度对电磁波传播的影响在稳定和不稳定状态。

假设NPS模型的输入参数如下:1)电磁频率5、10和15 GHz。2)收发天线是4米高。3)天线在水平极化模式。4)风速海拔10米10 m / s 5)、美国<我nline-formula id="inf3"> $<$ 0(大气和海洋表面温度是26和28°C,分别),和美国<我nline-formula id="inf4"> $>$ 0(大气和海洋表面温度是28日和26°C,分别)。6)1011 .9 hPa大气压力。路径损耗的水平距离100公里在不同电磁频率和不同的相对湿度,如所示图3。

所示图3的路径损耗与相对湿度曲线是对传输的频率值。当相对湿度超过40%时,随着相对湿度的增加,路径损耗仍稳定在第一,然后逐渐增加。通过比较图3 a, B,可以看出,最大相对湿度不稳定状态下高于在稳定状态下,和电磁波的频率越高,可容忍的最大相对湿度越大。随着相对湿度的增加,增加稳定状态的路径损耗速率大于在不稳定的状态,和电磁波的频率越高,路径损耗越大。因此,当相对湿度超过70%,更高的传输频率可以用来实现更长的距离传输,由于路径损耗要小得多。当相对湿度低于65%,较低的传输频率的结果在一个较低的价值损失。然而,极高的相对湿度条件下,路径损耗迅速增加,和蒸发管的高度明显低,所以蒸发管不能用于实现可靠通信在海上。

3.2风速对电磁波传播的影响

风速并不直接影响蒸发管的强度,但它可以加速海气界面汇率,从而间接地影响蒸发管的强度,随后影响电磁传播。

假设海拔10米的相对湿度是40%;美国培训<我nline-formula id="inf5"> $<$ 0(大气和海洋表面温度是13和14°C,分别)或美国<我nline-formula id="inf6"> $>$ 0(大气和海洋表面温度是14和13°C,分别),和其他参数被设置为在3.1节。获得的路径损耗是在水平方向100公里的距离不同的传输频率和不同风速下,并显示了生成的结果图4。

所示图4,风速对电磁波的影响路径损耗稳定和不稳定状态下明显不同。处于不稳定状态,当风速较低时,路径损耗相当高。随着风速的增加,路径损耗下降迅速。当风速超过一定值时,路径损耗几乎仍然是稳定的。这是因为处于不稳定状态,蒸发管的高度随风速增加而增大。特别是,当风速20 m / s,管道近30米的高度,和蒸发管的性能是令人满意的。在稳定状态下,路径损耗与增加风速往往会增加,因为蒸发管的高度随风速增加,蒸发管的强度减少,然后,路径损耗增加。

比较图4 a, B可以看出,处于不稳定状态,当风速高,蒸发管可以用来实现远距离通信在海上;在稳定状态,10 GHz的电磁波可以用来实现无线通信在海上,因为这对风速频率不敏感。在这个频率下,沟通更稳定,更适合长距离无线通信。

3.3温度对电磁波传播的影响

在本节中,我们假定环境因素都保持不变,除了大气温度和海洋表面温度。相对湿度为40%。风速是10 m / s。所示的温度设置表1和其他参数设置是一样的3.1节。

分析温度对电磁波传播的影响不稳定,稳定状态下,假设海洋表面温度逐渐从5到35°C,大气温度随海洋表面温度,和美国保持不变。海洋表面温度的影响,大气温度和美国15个GHz电磁传播的电磁波,并显示了生成的结果图5。

比较图5 a, B条件下,可以看出,美国保持不变时,海洋表面温度或大气温度更高或更低,路径损耗波动。当海面温度20到27°C,路径损耗是相对稳定和低。

考虑到美国对电磁波传播的影响,不稳定状态下的四种曲线的趋势下比这更稳定的状态。即不稳定状态下美国对路径损耗的影响比较小。海洋表面温度低于20°C时,温差越小,损耗越低,波动越小。海洋表面温度超过27°C时,温差越小,路径损耗越大,波动越大。在稳定状态下,最小平均损失、美国时可以获得2°C。只考虑温度对电磁波传播的影响,可以选择蒸发管实现无线通信在大海的海洋表面温度下15∼28°C。

相对湿度的影响,风速、温度、和美国在本节路径损耗进行了分析。可以看出蒸发管的情况下,环境因素显著影响蒸发管的强度。根据仿真结果,可以得出以下结论。在不稳定状态下,风速越高,相对湿度越低,温度越高,路径损耗越小。这是因为这种气候条件更有利于海水的蒸发和更强的蒸发波导层的形成。在稳定状态下,更容易形成更强的蒸发管层如果相对湿度较低,风速较低,温度高,和美国更高,因此减少了路径损耗。观察结果提出了在这一节中,可以确定它是否可以使用蒸发管来实现无线通信在海上根据实际的气候条件。

4频率和天线高度对电磁波传播的影响

在第三节,大气环境对电磁波传播的影响详细分析了蒸发波导通道。在本节中,天线高度的影响,传输距离,电磁波频率电磁传播进行了研究。研究这些因素对电磁波传播的影响,假设蒸发管通道是定常期间。这种假设可能产生一些错误的分析结果,这些东西不都是在这项研究中。

根据第三节的分析结果,研究了上述因素对电磁波传播的影响条件下的一个强大的蒸发管,以避免路径损耗大的问题在一个贫穷的蒸发波导环境引起的。在不稳定状态下,它可以合理地假设大气和海洋表面温度是20和22°C,分别。在稳定状态下,大气和海洋表面温度是22和20°C,分别。相对湿度为40%。风速是10 m / s 10米的高度。其他大气参数被设置为在3.1节。仿真结果所示图6