基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法

1.一种基于海洋船岸信道的岸上基站与船舶之间的无线通信方法，其特征在于，包括：构建海洋船岸信道的三维模型，所述海洋船岸信道的三维模型包含作为发射端的岸上基站、作为接收端的处于运动状态的船舶、位于岸上基站周围的半球体和位于船舶周围的圆柱体；引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，获取横摇运动对船舶接收天线的影响；根据所述横摇运动对船舶接收天线的影响和信号经由散射体散射的不同传播路径，建立海洋船岸信道的信道冲激响应；根据发射端、接收端和散射体之间的几何关系，推导所述海洋船岸信道由于船舶移动和横摇运动所导致的时变传输距离和时变角度；根据所述信道冲激响应、所述时变传输距离和所述时变角度，获取海洋船岸信道的空时频相关函数和多普勒功率谱密度信道特性，所述船舶和所述岸上基站利用海洋船岸信道的信道特性进行无线通信。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海洋船岸信道的三维模型假设发射端周围有分布在由L个不同半径R l 的圆组成的半球体表面上的N 1 个散射体，第l个圆上的第n 1 个有效散射体表示为 假设接收端附近有分布在半径为R r 的圆柱体表面上的N 2 个散射体， 表示圆柱面上的第n 2 个有效散射体；所述发射端的高度为H T ，配有L T 根天线；所述接收端的高度为H R ，配有L R 根天线，船舶的移动由水平速度v R 和速度的水平方位角γ R 表征；岸上基站与船舶之间的初始距离为D。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，获取横摇运动对船舶接收天线的影响，包括：采用L T ×L R 天线阵列描述所述海洋船岸信道，发射端天线阵列的水平方位角和俯仰角分别为θ T 和ψ T ，接收端天线阵列的水平方位角和俯仰角分别为θ R 和ψ R ；引入正弦随机过程描述船舶在海浪作用下产生的横摇运动，所述接收端天线阵列的俯仰角满足：其中，ψ R (t 0 )表示接收端天线阵列在初始时刻t 0 的俯仰角， 表示船舶的最大横摇角即横摇幅度，T表示横摇周期。 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据所述横摇运动对船舶接收天线的影响和信号经由散射体散射的不同传播路径，建立海洋船岸信道的信道冲激响应，包括：确定海洋船岸信道中岸上发射端第p根发射天线到船舶接收端第q根接收天线的信道冲激响应为：其中， 和 分别表示LOS路径、Ref路径、SB1路径和SB2路径的信道冲激响应；确定信号的不同传播路径包括LOS路径、Ref路径、SB1路径和SB2路径，所述LOS路径为信号直接从岸上发射端传播到船舶接收端，所述Ref路径为信号从岸上发射端发出，经海平面镜面反射后到达船舶接收端，所述SB1路径为信号从岸上发射端发出，经半球体表面的散射体 散射后到达船舶接收端，所述SB2路径为信号从岸上发射端发出，经圆柱体表面的散射体S (n2) 散射后到达船舶接收端；计算各路径分量的信道冲激响应，具体表达式为：LOS路径的信道冲激响应为：其中，t代表时间变量，τ代表时延变量,δ(τ-τ LOS )表示附加时延项，f D,LOS 表示LOS路径的多普勒频移，d LOS (t)表示信号在LOS路径的传播距离；Ref路径的信道冲激响应为：其中，d Ref( t ) 表示信号在Ref路径的传播距离；SB1路径的信道冲激响应为：其中，d SB1( t ) 表示信号在SB1路径的传播距离；SB2路径的信道冲激响应为：其中，d SB2( t ) 表示信号在SB2路径的传播距离；其中，f c 表示载波频率，c表示光速，K表示莱斯因子，η Ref 、η SB1 和η SB2 分别表示Ref分量、SB1分量和SB2分量占散射功率1/(K+1)的比例，它们满足η Ref +η SB1 +η SB2 ＝1；随机相位偏移φ Ref 、 和 相互独立且都在[-π,π)上服从均匀分布；τ LOS 、τ Ref 、τ SB1 和τ SB2 分别代表LOS路径、Ref路径、SB1路径和SB2路径的传播时延，它们被表示为：f D,LOS 、f D,Ref 、f D,SB1 和f D,SB2 分别代表LOS路径、Ref路径、SB1路径和SB2路径的多普勒频移，它们被表示为：其中，λ表示光波的波长， 和 分别表示LOS路径的到达方位角、到达俯仰角和离开俯仰角， 和 分别表示Ref路径的到达方位角、到达俯仰角和离开俯仰角， 和 分别表示SB1路径的离开方位角和离开俯仰角， 和 分别表示SB1路径的到达方位角和到达俯仰角； 和 分别表示SB2路径的到达方位角、到达俯仰角和离开俯仰角。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根据岸上发射端、船舶接收端和散射体之间的几何关系，推导所述海洋船岸信道由于船舶移动和横摇运动所导致的时变传输距离和时变角度，包括：信号从岸上发射端第p根发射天线传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：信号从岸上发射端第p根发射天线经海平面镜面反射后传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：信号从岸上发射端第p根发射天线传播到散射体 的距离计算公式为：信号从散射体 传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：信号从岸上发射端第p根发射天线传播到散射体 的距离计算公式为：信号从散射体 传播到船舶接收端第q根接收天线的距离计算公式为：其中，θ T 和θ R 分别为岸上发射端和船舶接收端天线阵列的水平方位角，ψ T 为岸上发射端天线阵列的俯仰角， 和 分别表示SB1路径的离开方位角和离开俯仰角；Δ T 表示第p根发射天线到发射天线阵列中心的距离，Δ R 表示第q根接收天线到接收天线阵列中心的距离，它们满足：d T 和d R 分别表示岸上发射端和船舶接收端的天线间距；更进一步的，各路径分量的时变角度如下：在LOS路径中： 在Ref路径中： 在SB1路径中：在SB2路径中：在所述的海洋船岸信道模型中，有效散射体的数量被假设是无限个的，所述海洋船岸信道模型中的SB1路径离散的离开方位角 SB2路径离散的到达方位角 SB1路径离散的离开俯仰角 SB2路径离散的到达俯仰角 和半径R l 被连续随机变量 和R所代替，假设SB1路径的离开方位角 和SB2路径的到达方位角 各自独立，它们的分布通过冯米塞斯分布描述：其中，I 0 (·)为第一类零阶贝塞尔函数；当该分布描述SB1路径的离开方位角 的分布时，这时的α就指SB1路径的离开方位角 α μ ∈[-π,π)是衡量SB1路径的离开方位角的平均值，k(k≥0)代表SB1路径的离开方位角的集中程度；当该分布描述SB2路径的到达方位角 的分布时，这时的α就指SB2路径的到达方位角 α μ ∈[-π,π)是衡量SB2路径的到达方位角的平均值，k(k≥0)代表SB2路径的到达方位角的集中程度；SB1路径的离开俯仰角 和SB2路径的到达俯仰角 的分布通过余弦分布来表示：俯仰角 和 的分布通过余弦分布来表示：其中，当该分布描述SB1路径的离开俯仰角 的分布时，这时的β就指SB1路径的离开俯仰角 β m 表示SB1路径的离开俯仰角的最大值，β μ 表示SB1路径的离开俯仰角的平均值；当该分布描述SB2路径的到达俯仰角 时，这时的β就指SB2路径的到达俯仰角 β m 表示SB2路径的到达俯仰角的最大值，β μ 表示SB2路径的到达俯仰角的平均值；半球体上圆的半径通过以下概率密度函数描述：其中，R 1 和R 2 分别表示半径的最小值和最大值。 6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的根据所述信道冲激响应、所述时变传输距离和所述时变角度，获取海洋船岸信道的空时频相关函数和多普勒功率谱密度信道特性，包括：所述海洋船岸信道的空时频相关函数的计算步骤为：其中，E(·)表示进行期望运算，(·) * 表示进行复共轭计算，t代表时间变量，Δt表示时间间隔，f表示频率，Δf表示频率间隔；H表示进行时变传输函数计算；LOS路径的公式具体表示为：d(·)表示进行距离计算；d p′q′ (t+Δt)表示子信道p’→q’中信号从岸上发射端第p’根发射天线传播到船舶接收端第q’根接收天线的距离；其中q’是第q’根接收天线；p’是第p’根发射天线；t是与信号传输时间相关的时间变量，Δt是与信号传输时间相关的时间间隔；Ref路径的公式具体表示为：其中， 表示子信道p’→q’中信号从岸上发射端第p’根发射天线经海平面镜面反射后传播到船舶接收端第q’根接收天线的距离；其中t是与信号传输时间相关的时间变量，Δt是与信号传输时间相关的时间间隔SB1路径的公式具体表示为：其中 的含义为：代表SB1路径的离开方位角 的最小值； 的含义为：代表SB1路径的离开方位角 的最大值； 的含义为：代表SB1路径的离开俯仰角 的最小值； 的含义为：代表SB1路径的离开俯仰角 的最大值； 表示子信道p’→q’中信号从岸上发射端第p′根发射天线传播到散射体 的距离； 表示子信道p’→q’中信号从散射体 传播到船舶接收端第q′根接收天线的距离；SB2路径的公式具体表示为：其中 的含义为：代表SB2路径的到达方位角 的最小值； 的含义为：代表SB2路径的到达方位角 的最大值； 的含义为：代表SB2路径的到达俯仰角 的最小值； 的含义为：代表SB2路径的到达俯仰角 的最大值； 表示信号从岸上发射端第p′根发射天线传播到散射体 的距离； 表示子信道p’→q’中信号从散射体 传播到船舶接收端第q′根接收天线的距离；设船舶接收端附近有分布在半径为R r 的圆柱体表面上的N 2 个散射体， 表示圆柱面上的第n 2 个有效散射体；通过对时间相关函数进行傅里叶变换得到所述海洋船岸信道的多普勒功率谱密度，具体表达式为：其中，S(·)表示进行多普勒功率谱密度计算，f D 表示多普勒频率，信道的多普勒功率谱密度是LOS路径、Ref路径、SB1路径和SB2路径多普勒功率谱密度的叠加，p’和p表示岸上发射端L T 根发射天线中的第p’和p根发射天线，q’和q是船舶接收端L R 根接收天线中的第q’和q根接收天线。