海上VHF無線信號傳播模型測試驗證研究

2021

第6期

ＤＯＩ：１０．１６８３１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１６７３－２２７８．２０２１．０６．０１０

鄧祝森，男，正高級工程師，畢業于大連海事大學交通運輸管理工程（航標管理）

專業，現任交通運輸部北海航海保障中心副主任。長期從事航標管理、船舶管理、信

息化建設等管理和研究工作，先后主持或參與７０余項技術標準、管理規定編制，主持

或參與４０余項科技創新研究課題，獲國家專項資金支持１項，獲省部級科技獎勵３項、

發明專利１項、實用新型專利２項、外觀設計專利１項。

ＶＨＦ Ｒａｄｉｏ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ

海上ＶＨＦ無線信號傳播模型測試驗證研究

鄧祝森，夏啟兵，李 巍 ，蘇 青 ，郭澤輝

11122

（１．北海航海保障中心 天津 ３００４５０；２．遨海科技有限公司 遼寧 大連 １１６０００）

１１１２２

ＤＥＮＧ Ｚｈｕ－ｓｅｎ， ＸＩＡ Ｑｉ－ｂｉｎｇ， ＬＩ Ｗｅｉ， ＳＵ Ｑｉｎｇ， ＧＵＯ Ｚｅ－ｈｕｉ

（）

１．ＮＧＣＮ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｃｈｉｎａ； ２． Ａｏｈａｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｄａｌｉａｎ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ ， Ｃｈｉｎａ

３００４５０，１１６０００

以甚高頻數據交換系統（ＶＨＦ Ｄａｔａ Ｅｘｃｈａｎｇｅ

摘 要：

Ｓｙｓｔｅｍ，ＶＤＥＳ）為研究對象，合理選用有效可行的海上傳播

模型，并通過兩次海上航行試驗，驗證ＶＤＥＳ系統中各信

道在不同距離下的通信能力，判斷影響ＶＤＥＳ系統通信距

離的主要因素，為ＶＤＥＳ系統的建設提供技術支撐。

甚高頻數據交換系統；傳播模型；通信距離

關鍵詞：

Abstract:

Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ＶＨＦ ｄａｔａ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓｙｓｔｅｍ （ＶＤＥＳ） ，

ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍａｒｉｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

ｍｏｄｅｌ， ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＥＳ

ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｅａｃｈ ｃｈａｎｎｅｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｗｏ ｓｅａ

ｖｏｙａｇｅ ｔｅｓｔｓ， ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＥＳ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ

ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＥＳ ｓｙｓｔｅｍ．

Key words:

ＶＨＦ ｄａｔａ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓｙｓｔｅｍ； ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ

中圖分類號：文獻標志碼：

Ｕ６７５．７ Ａ

文章編號：

１６７３－２２７８（２０２１）０６－００２４－０５

收稿日期：２０２０－１２－２３；修回日期：２０２１－０３－１８

交通運輸部海事局通過近10年的AIS岸基系統建

設，現已建成全世界最大的AIS岸基網絡，覆蓋了沿海30

海里以內水域和內河四級及以上高等級航道。但隨著海

上無線數據通信業務量和船岸、船舶之間的數據業務交

流需求快速增長，以實現船舶相互識別和避免碰撞為主

要目標的AIS，卻逐漸額外承擔起了船岸數據通信的任

務，導致AIS信息阻塞等問題，進而影響航行安全。2013

年，國際海事組織（IMO）提出發展VDES系統，以解決

AIS數據通信的壓力。

VDES系統是AIS系統的加強和升級版，在集成了現

有AIS功能的基礎上，增加了特殊應用報文（ASM）和寬

帶甚高頻數據交換（VDE）功能，可以有效緩解現有AIS

數據通信的壓力，為保護船舶航行安全提供有效的輔助

手段，同時也將全面提升水上數據通信的能力和頻率使

24

用效率。因此在設計VDES系統時，有必要對海上無線信

號的傳輸損耗

[1-3]

進行分析，根據信號在海上傳輸的損

耗，合理設計VDES系統的相關參數，以獲得較好的通信

效果。本文旨在驗證和分析VDES系統的通信能力，確定

影響VDES系統通信距離的主要因素，為VDES系統的建

設提供技術支持。

一、海面傳播模型

［４］

無線電波在海面的傳播路徑主要是通過空氣傳播

的直達波和經過海面反射的反射波。一般來說，覆蓋海

面較遠距離的基站位置通常選擇在沿海高處，高度為

50~500 m。由于海面無線電波傳播損耗很小，無線電波

可以傳播到很遠的海面上。此時，地球不能再看作平面，

而應把它看作球面，即地球曲率將對無線電波傳播產生

影響。

根據接收端和發射天線之間的距離，可將海面傳播

環境分為3個區域（見圖1）。

圖１ 海上傳播環境分段示意圖

（1）無線視距傳播

所謂視距是指在收發天線之間的路徑上沒有阻擋，

忽略地面繞射現象。設地球半徑R=6 370 km，發射機與

接收機的天線高度分別為ht和hr，則收發點間的視距距

離可通過式（1）計算得出。

（1）

（2）海面明區無線電波的傳播損耗

在明區的范圍內，從基站到10 km區域內，接收機

的信號以直射波為主，傳播的路徑損耗的近似公式如式

（2）所示：

（2）

式中d（km）為傳播距離，f（MHz）為電波頻率， 為

率， 為

海面修正因子。

從10 km到0.7倍的視距范圍內，到達接收機的信號

由直射波和海面的一次反射波信號組成。傳播的路徑損

耗如式（3）所示：

專家視點

（3）

式中h

tr

和h分別為發射天線及接收天線的高度，單位

為m，d為傳播距離，單位為km， 為海面修正因子。

m， 為海

（3）海面半陰影、陰影區無線電波的傳播損耗

進入半陰影區以后，當發射機的無線信號輻射到海

面時，會產生多個反射波，但被接收機接收到的一般只有

一個反射波，其它反射波由于反射角不同被反射到其它

區域。因此海面無線傳播還具有二波特征，考慮到船體

損耗和地球曲率的影響，并根據實測數據進行修正，海

面傳播模型如式（4）所示：

（4）

式中，L

patht

為海面傳播路徑損耗；h為基站天線高度

（m）；h

r

為移動臺天線高度（m）；為波長（m）；d為距離

λ

（km）；L

boatearth

為船體穿透損耗；L為超過視線距離后的

地球曲率引起的繞射損耗；a為海上修正系數，L0為自由

空間傳播損耗（dB），如式（5）所示：

（5）

式中，d為傳播距離（km）；f為無線信號頻率（MHz）。

（4）海上傳播模型分析

該模型是在900 MHz頻段上擬合出來的，對VHF

通信頻段的覆蓋預測有借鑒意義。根據無線電波傳播機

理，無線電波在傳播時會受大氣折射，使無線電波在地球

表面上的傳播路徑會跟隨地球表面而發生彎曲，在VHF

信號頻段內，這種彎曲現象較為明顯。綜合考慮大氣折

射效應，無線電波傳播的有效視距可用下面的經驗計算

式（6）近似計算。

（6）

當船舶進入半陰影區以后，發射機的無線信號輻射

到海面時，會產生多個反射波，由于VHF天線部署于船體

甲板上，故不存在船體穿透損耗，所以僅需考慮海面無

線傳播的二波特征和地球曲率的影響，需根據實測數據

進行修正。此外，該模型在超過視線距離后的繞射損耗

的預測還比較簡單，有待繼續研究。

二、傳播模型驗證

2019年9月和10月，北海航海保障中心聯合遨海科

技有限公司先后兩次在天津港附近進行了海上覆蓋測

試，檢驗VDES系統在船岸通信過程中，通信距離對接收

信號強度的影響，以確定VDES系統的海面傳播模型，為

中國海事

25

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沿海VDES岸基的建設選址提供依據。

（一）理論測算

傳輸路徑損耗

[5]

，是指無線信號在空間傳播所產生

的損耗，是由發射功率的輻射擴散及信道的傳播特性造

成的，反映宏觀范圍內接收信號功率均值的變化。對于

VDES系統，傳輸路徑損耗的范圍與基站的發射功率、船

臺的接收靈敏度、天線增益和饋線損耗有關，可用式（7）

推算出VDES系統可承受的最大傳輸路徑損耗，進而可

以理論計算出VDES系統的通信距離，為VDES系統海上

測試方案制定提供依據。

（7）

式中，L

pathTB

為傳輸路徑損耗；P為基站發射功率；L

為基站饋線損耗；G為基站天線增益；G為移動臺天線增

TR

益；L

RR

為移動臺饋線損耗；P為移動臺接收靈敏度。

VDES岸站設備功率為25 W，相當于有43.98 dBm的輸

出，天線增益為6 dBi。考慮到線損和接頭插損大約為4 dBm

（50m饋線），船站的接收靈敏度按照標準-107 dBm計算，

則海上傳輸路徑損耗最大可為154.98 dBm。

假定海面為光滑的，且不考慮海浪、船只和島嶼對傳

輸信號的影響。信號傳播可采用光滑平面電波傳播模型

來計算傳播損耗，傳播損耗可采用式（8）進行計算：

（8）

式中L

p

為海上傳輸路徑損耗，d為傳輸距離（km），

h

tr

為岸站高度（m），h為船站高度（m），f為載波頻率

（MHz）。

根據部署位置可知，岸站天線高度為70 m，船站天

線高度為15 m，發射信號頻率約為162 MHz左右。帶入

上述公式，可計算出AIS信道和ASM信道通信距離為92

km（約50 n mail）。

對于VDE信道來說，當使用100 KHz帶寬、16QAM

調制方式進行發送時，接收靈敏度按照標準-96 dBm計

算，可計算出VDE信道理論通信距離為31 n mail。

當使用100 KHz帶寬、QPSK調制方式進行發送時，

若接收靈敏度按照標準-104 dBm計算，可計算出VDE

信道理論通信距離為50 n mail。

當使用25 KHz帶寬、QPSK調制方式進行發送時，若

接收靈敏度按照標準-110 dBm計算，可計算出VDE信道

理論通信距離為70 n mail。

26

（二）第一次海面測試

1. 測試條件

本次海面測試的條件如表1所示：

表１ 測試條件

序號名稱內容

1基站位置

北海航海保障中心天津

通信中心辦公樓樓頂

2船臺位置天津港“海巡152”輪

3基站發射功率25 W

4船臺發射功率12.5 W

5基站天線高度海拔70 m

6船臺天線高度海拔15 m

7天線增益6 dBi

基站與船臺各自依次按AIS、ASM、VDE信道循環發

送測試報文，其中AIS信道的通信速率為9.6 kbps，ASM

信道的通信速率為19.2 kbps，VDE信道的最高通信速率

可達307.2 kbps，由對端記錄測試結果。

2. 測試結果及數據分析

2019年9月20日，測試人員分別前往VDES岸站與

VDES船站部署位置進行出航測試。其中VDES船站設

備與VDES岸站設備外接GPS天線與VHF天線，確保設

備運行正常且與GPS同步，同時為準確記錄船舶的行駛

軌跡，VDES船站通過串口與羅經和計程儀的傳感器進

行連接，接收實際航向、航速等數據。VDES設備將自動

播發動靜態消息，其中VDES岸站發送MSG4報文，發送

頻率為10秒發送一次；VDES船站發送MSG1/3/5報文，

發送頻率隨船速進行變化。

首先在船舶系泊狀態下完成靜態測試，VDES船站

距離VDES岸站1.89n mail，即3.5 km。理論計算VDES

船站接收到VDES岸站發送信號的接收電平應為-41.02

dBm。但實際測試過程中發現，雖然設備能夠穩定接收

到AIS信道、ASM信道和VDE信道的報文數據，但通過

監測信號強度發現，接收的信號強度僅為-85 dBm左

右，與理論計算存在較嚴重的偏差。

經過對部署環境重新考察分析，在VDES船站與

VDES岸站的直線路徑上存在遮擋物，影響了接收信號的

信號強度。經與北海航海保障中心天津通信中心的管理

人員溝通，提高VDES岸站天線的安裝位置，使VHF天線

高度增加3 m，以減少遮擋物對VHF信號的影響，重新開

始靜態測試。測試結果表明，接收的信號強度變為-60

dBm左右，與之前天線位置的接收信號強度改善了將近

25 dBm左右。雖然測試結果距理論值還存在19 dBm左

右的差異，但卻是天津通信中心測試點所能提供的最佳

條件，此次出航試驗以此天線高度進行測試，通信距離

受到一些影響。全程信號質量檢測情況如圖2所示：

圖２ 全程信號質量檢測情況

通過對不同信道的報文收發情況進行分析：20 n mail

以內，各信道收發報文正常；20 n mail以后，VDE信道開

始出現明顯丟包；25 n mail以后，AIS信道開始出現明顯

丟包；28 n mail以后，ASM信道開始出現明顯丟包。由此

證明，基站天線位置和高度對整個VDES系統通信質量影

響顯著，尤其是直視通路上的遮擋障礙物，對此次試驗結

果產生了嚴重影響，造成試驗結果與理論分析存在較大

差異。為進一步驗證VDES系統海上傳輸模型的正確性，

排除遮擋障礙物對VDES系統的影響，擬變更天線安裝位

置，重新開展一次海上試驗。

（三）第二次海面測試

1. 測試條件

將VDES岸站安裝位置變更到天津海事局船舶交通管

理中心（VTS中心）塔頂，其他測試條件保持與第一次海上

測試一致。

2. 測試結果及數據分析

2019年10月23日，測試人員分別前往VDES岸站與

VDES船站部署位置進行出航測試，測試流程保持與第

一次海上測試一致，具體結果如下：

由于VTS中心與碼頭之間存在遮擋障礙物，所以在

船舶駛離港口時，VDES設備接收的信號強度比理論值偏

低，但隨著船舶離VTS中心的距離逐漸拉近，遮擋因素

逐步減弱，VDES設備接收的信號強度會逐漸增強。其接

專家視點

收信號強度變化如圖3所示：

圖３ 接收信號強度變化情況

由圖3可知，船舶到達VTS中心附近時，遮擋因素已

基本排除，當VDES船站距離VDES岸站1 n mail時，理論

計算VDES船站接收到VDES岸站發送信號的接收電平應

為-34.02 dBm，實際測試結果與理論計算相符。在確定

排除遮擋障礙物影響因素后，船舶繼續駛離VTS中心，開

始全程測試，測試報文涵蓋AIS報文、ASM報文和VDE

報文。

（四）兩次海面測試對比分析

兩次海面測試VDES船站全程接收信號強度變化如

圖4所示：

圖４ 接收信號強度折線圖

綠色曲線為理論VDES設備接收信號強度與傳輸距

離的變化曲線，可由式（7）和式（8）推導計算得出。

藍色曲線為此次隨航測試VDES設備接收信號強度與

傳輸距離的變化曲線，與理論變化曲線存在3 dBm左右的

差異，該差異一方面是由海上多徑效應造成，另一方面是

由發射信號波動造成。根據ITU-R M.2092建議草案，發

射機功率允許存在±1.5 dBm的偏差，屬于正常偏差范圍。

紅色曲線為第一次隨航測試VDES設備接收信號強

度與傳輸距離的變化曲線。由于第一次隨航測試路線中

存在遮擋因素，所以測試結果與理論偏差較大，與此次

隨航測試VDES設備接收信號強度進行對比，接收的信

號強度在相同距離下相差在12 dBm左右。

中國海事

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2021

第6期

通過此次出海試驗可以看出，在距離基站視距范

圍內，預測接收信號的強度與實測接收信號誤差很小

（≤3 dBm），因此本文所提出的海面傳播模型在該范

圍內可以比較準確地進行覆蓋預測。當實際通信環境、

工作頻率、最大通信距離確定時，可根據路徑損耗的估

算值選取岸站天線、船站天線的適當高度。

（五）VDES信號特性分析

VDES系統主要由AIS信號、ASM信號和VDE信號

組成。每種信號的調制解調方式都不同，本次試驗所有

信號均按照ITU-R.M 2092建議草案規定的調制方式

進行信號生成，具體調制方式如表2所示：

表２ ＶＤＥＳ信號調制方式種類

序號類型調制方式

1AISGMSK/FM（高斯濾波最小頻移鍵控）

2ASMΠM濾 QPSK（QPS正交相移鍵控）

3VDEΠE相 QPSK（QPS正交相移鍵控）

48PSK（8移相鍵控）

516QAM（16正交幅度調制）

其中，GMSK每個符號代表傳輸一個bit信息，Π/4

QPSK每個符號代表傳輸2 bit信息，8PSK每個符號代

表傳輸3 bit信息，16QAM每個符號代表傳輸4 bit信

息。GMSK具有恒定的包絡特性，功率效率高，可用于

相干檢測。Π/4 QPSK具有能夠非相干解調的優點，

兼顧頻帶利用率高，包絡波動浮動小和能采用差分檢

測，有適度的相位跳變，在多徑衰落信道中性能好，具

有很好的恒包絡性質。8PSK抗鏈路惡化的能力（抗噪

能力）不如Π/4 QPSK，但提供了更高的數據吞吐量。

16QAM抗鏈路惡化的能力（抗噪能力）最弱，但數據

吞吐量最高，由于要描述的狀態多了，只靠相位區分狀

態就不夠了，需要加入幅度的變化來表示一個狀態，所

以說對接收機的要求最高。

對于VDE數據信道，可以采用Π/4 QPSK、8PSK、

16QAM三種不同調制方式，根據測試情況可知，Π/4

QPSK在整個海上傳播模型中，性能最好。第一次數據

通信時，應采用Π/4 QPSK調制方式，然后評估CQI（信

道質量指示），然后根據反饋的CQI（信道質量指示）來

確定后續的數據發送應采用何種調制（如Π/4 QPSK，

8PSK，16QAM）。CQI的范圍為1-32之間，當CQI低于

28

16時，說明此時的無線信道質量不好，會發生誤碼，所

以此時要選擇容錯性好，但編碼效率低的QPSK來進行

調制，以保障數據傳輸的可靠性。

由于無線電波在海面上傳輸時，接收端的接收信號

中除了直達波，還有臨近船只、海面產生的鏡面反射和

漫散射引起的多徑分量。不同多徑成分具有隨機相位和

幅度會引起信號強度的波動，導致小尺度衰落、信號失

真等現象。多徑干涉使得接收到的信號是直達信號與

多徑信號的疊加信號，會導致嚴重的碼間串擾ISI。建議

將數據調試方式改為OFDM多載波調制，通過在OFDM

符號前添加CP（循環前綴），能夠減小多徑延時帶來的

頻率選擇性衰落。其中CP長度的選取還需依據信道模

型，進行進一步研究驗證。

三、結語

本文以VDES系統為研究對象，分析海上無線信號

的海上傳播模型，并針對此模型進行兩次出海試驗，重

點對設備的AIS、ASM、VDE等信道收發功能進行了測

試，驗證VDES設備的接收信號強度在不同距離下是否

與理論計算相符合，統計了設備在不同通信狀態的報文

收發情況，分析了設備具有最大通信距離，充分檢驗了

VDES船岸通信設備的工作穩定性，并確認了VDES系統

的海面傳播模型的正確性。同時對VDES信號特性進行

分析，通過評估當前信道質量方法，以確定后續數據的

調制方式，以提高VDE信道的利用率，為VDES系統的

建設提供技術支撐。

參考文獻

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（編輯：崔乃霞）