基于LoRa的钢制船舶通信系统电波传播特性研究.pdf

第3 1卷第2 期2023 年6 月广州航海学院学报JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME UNIVERSITYVol.31No.2Jun.2023基于LoRa的钢制船舶通信系统电波传播特性研究王玉国,郑齐清（泉州师范学院交通与航海学院，福建泉州3 6 2 0 0 0）摘要：为了提高船舶通信系统的通信质量，研究基于LoRa的钢制船舶通信系统电波传播特性.根据电波传播机制，基于LoRa建立电波传播方程，获取电波传播时延；通过计算电波传播损耗，掌握电波传播规律，得到电波传播接收功率路径损耗、随距离的变化以及能量分布情况.电波传播特性实验分析表明，电波传播损耗指数与发射天线高度呈反比关系，与频率呈正比关系，接收天线在船舶走廊中央时的路径损耗更少；在带拐弯部分的钢制船舶走廊场景下，电波传播时延平均值为38.45ns,均方根时延的平均值为1.8 9 ns,收发天线之间的距离对均方根时延的影响较小。关键词：LoRa;钢制船舶；通信系统；电波传播机制；电波传播特性；路径损耗中图分类号：TN929.5随着智慧船舶的发展，钢制船舶的无线通信稳定性成为目前呕待解决的重点问题.钢制船舶环境下的电波衰落现象会影响通信系统的稳定性，而传输时效性差则会导致数据采集与分析误差，难以满足现代船舶通信系统的要求1-2 .自由环境下与室内受限环境下的电波传播特性较为不同,在空间受限的情况下，电波会对钢制船舶环境通信系统的稳定性造成影响.为此,基于LoRa技术的通信系统应运而生，作为无线通信手段在钢制船舶中应用，为船舶通信提供了新的传输路径3 .为了提高船舶通信系统的通信质量和效率，为数据传输提供可靠保障,本文对基于LoRa的钢制船舶通信系统电波传播特性进行了研究，为船舶通信系统的优化提供了重要的参考依据，对船舶智慧化建设具有现实意义.1钢制船舶通信系统电波传播特性1.1电波传播机制分析电波在钢制船舶中的传播存在3 种现象，分别为电波反射、透射和绕射.电波在入射到船舶设备收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 0基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JAT190535）作者简介：王玉国（19 8 2 一），男，博士生，助教，主要从事船舶电气自动化研究文献标志码：A文章编号：10 0 9-8 52 6(2 0 2 3)0 2-0 0 2 3-0 5以及机舱表面时会发生反射，对电波反射系数进行计算，具体计算公式为,sin;+,-cos;,sin;+/,-cos;式中,;为入射角,为介质反射面的介电常数,为相对介电常数，r为反射场，i为入射场.若介电存在损耗,其介电常数为=o,-i 2f式中,为真空介电常数，为电导率,f为电波频率,为损耗系数4。对反射系数求导,即可得到另一传播方式的透射公式，具体为2sin;/=sin;+/-cos;2sin;=sin+-cos;(1)(2)(3)(7)24一部分电波穿过介质分界面则会发生透射，遇到障碍物，电波则会出现绕射现象，如图1所示.绕射线图1电波绕射示意图由图1可知，电波偏离原来的人射方向则会出现绕射现象，在钢制船舶通信系统中，绕射传播造成的电波损耗较大,对损耗估计带来了一定的难度.上述对电波传播机制的分析，为后文电波传播损耗的估计奠定了良好的基础。1.2基于LoRa的电波传播方程建立LoRa是在扩频技术的基础上发展而来的,其是LPWAN通信技术中的一种,是基于扩频技术的超远距离无线传输方案.LoRa通信具有通信距离远、功耗低等特点,LoRa通信协议能够在众多场景中应用，并在短时间内通过网络部署完成组网网络通信.为了分析基于LoRa的通信系统的电波传播特性,本文根据上述电波在钢制船舶中传播存在的3种现象,基于LoRa建立电波传播方程,计算电波的相位延迟5.首先通过麦克斯韦方程组分析电磁场的变化规律，具体方程为Vxe=-gtVxH=d一+tVxd=mVB=0式中，V为微分算子，e为电场强度,H为磁场强度，d为电位移矢量,B为磁感应强度,m为电流密度,t为时间6 .的计算公式为V=-式中,i,i和i分别为x轴、y轴和z轴的单位矢量.计算电波场强瞬时值，具体公式为广州航海学院学报e(x,t)=e,cos(At-px+To式中,e,为电场强度的振幅值,t为时间相位,px为空间相位，T。为路径相位7 .对相速进行求取,计算绕边缘公式为障碍物式中,b为波数,k为波长.电波经过直射路径和反射路径的相位差为Ar=-(x-)=2 a/AL人射线式中,2为反射路径,为直射路径.由于2必定比大,因此,反射电波对直射电波存在相位延迟，由此根据相位差,基于LoRa建立电波传播方程，计算电波传播的时延,具体公式为K=2mfAT1.3月电波传播损耗计算电波在传播过程中由于路径的不同会引起不同程度的能量损耗，在无线电波频率和传输距离等条件相同时,其LoRa通信信道的衰减因子为W=20 1gTe.llel式中，e为实际场强，eo为自由空间场强，合成电波场强,其表达式为e=e+e,=i=leo(1+Ile-(+A)）(11)式中，e为发射天线的瞬时场强，l为电波传播路径损耗,II为反射波相对直射波的衰落幅度，为路径相位差，,为反射相位差8 .直射波和入射波的路径差具体为AL=h.1-cos(+0)sino0=T-,+式中,和分别为人射和反射仰角,h为天线相对于入射点的高度，,为反射角，为海浪切线(4)仰角9 最后得到路径差为AL=h.1+cos(2)sin(-2)根据上式计算得到路径差后，即可对路径相位差进行求解，得到的相位偏移进行时延形式的转(5)Z第3 1卷(6)2f626换,具体为2元f(8)(9)(10)(12)(13)(14)第2 期式中,T,为相位偏移,为路径相位差.最终得到的电波传播损耗为l=lo-l1式中,l.为自由空间的传输损耗,l为实际传输损耗.经过上述各式计算，求得在不同传播方式下的电波传播损耗.1.4电波传播特性研究本文以LoRa技术为基础,对钢制船舶环境下的电波传播特性进行研究.船舶机舱内的设备在工作时会产生振动和噪声，这些因素都会对电波传播造成一定程度的干扰，出现衰落现象.在船舶的通信系统中，信道的衰落主要分为大尺度衰落和小尺度衰落两种，具体如图2 所示.-40-60-8030由图2 可知,接收功率随距离变化较慢的是大尺度衰落，该信道衰落现象是由路径损耗和阴影衰落造成的，小尺度衰落的现象则在天线高度低于障碍物时发生.本文采用确定性方法中的射线跟踪法，对钢制船舶环境下的通信系统电波传播特性进行研究.研究过程中，需确定发射机和接收机的位置和传播路径，计算电波传播的路径损耗，获取接收功率10 1.通过Wireless Insite软件构建射线传播模型，具体如图3 所示.障碍物FX图3 射线传播示意图图3 中,FX为发射机,SX为接收机.在舱内空王玉国，等：基于LoRa的钢制船舶通信系统电波传播特性研究搭建实验平台本文利用Wireless Insite仿真软件，对电波传播特性进行仿真.根据泉州师范学院教学实习船构建仿真模型，该船型宽及型深分别为2 4m和13.5m，总载重达4.8 万t,集运输、科研和培训功能于一体.为进一步研究钢制船舶室内场景下的电波传播特误差测量值性，以船舶室内走廊为实验场景，并将该场景设定误差实际值为2 种情况：位置1为收发天线位于走廊中央，位置工2为收发天线在走廊靠墙位置.走廊基本尺寸以及31323334收发距离/m图2 信道衰落图像障碍物障碍物25间中,电磁波在传播过程中会遇到障碍物而产生反射、绕射和投射，这些影响将导致接收机接收功率(15)的数据计算变得复杂.对钢制船舶通信系统的电波传播特性进行研究，需要考虑路径损耗、接收功率随距离的变化以及能量分布等因素.在这个过程中,路径损耗和接收功率的计算量与接收机数量呈正比.综上所述，只有深入研究钢制船舶通信系统的电磁波传播特性，才能实现良好的通信质量和稳定性.2电波传播特性实验分析2.1#3536SX仿真设置如表1所示.表1船舶室内走廊基本仿真设置名称参数走廊尺寸长:2 5m宽：2.2 m高：3 m门尺寸宽:1.2 m高:2 m收发天线类型半波偶极子天线天线极化方式垂直极化收发天线高度1.7 m表1为船舶走廊场景的基本设置，仿真模型中，发射天线置于走廊一端0.5m处,参考距离为1m，接收天线向与发射天线相反的方向移动，步进间隔为0.1m，接收天线最终位置距发射天线2 1.5m.上述实验场景为没有拐弯部分的走廊场景，接着对带有拐弯部分的走廊场景进行仿真设定，仿真频率设置为3.8 GHz,步进间隔为0.5m，发射功率设定为1W,基于该场景对船舶室内走廊的电波传播时延特性进行研究.实验通信模块为LoRa通信模块，通过LoRa通信模块进行数据的无线传输，以进行电波传播特性的研究实验，接通电源自动组网，实现各节点间的相互通信.利用LoRa模块配置软件进行调试，电波传播的波形为正弦波，在载波特性设置窗26口选取波形.实验共分为两部分：第一部分应用不带拐弯部分的走廊场景,研究不同影响因素对电波传播路径损耗的影响，主要涉及的实验指标包括天线高度、天线位置和频率；第二部分应用带有拐弯部分的走廊场景，进行钢制船舶舱内的电波传播实验时延特性的研究，分析不同收发天线距离下的功率时延，2.2不同因素对电波传播路径损耗的影响在各采样位置附近的3 0 个波长范围内取2 0 个测量值进行平均，从而避免电波传播小尺度衰落的影响，先对位置1不同频率条件下的电波传播路径损耗指数变化进行展示，具体如图4所示.902.5GHz5.0GHz808.0GHz/70605040300图4位置1不同频率电波传播路径损耗变化由图4可知,实验设定的频率条件分别为2.4GHz、5.0GHz和8.0 GHz，本文采取直线拟合的方法处理得到实验数据.根据拟合直线可知，路径损耗随着频率升高而增加，电波在走廊场景中传播时，经过多次反射,能量较为集中，体现了一定的波导效应.根据走廊场景中收发天线位于走廊的不同位置,研究其电波传播特性,频率为2.4GHz时的实验结果如图5所示.8070/605040302000.2图5不同位置电波传播路径损耗广州航海学院学报由图5可知，位置2 的路径损耗指数比位置1的路径损耗指数更高，说明接收天线在靠近墙壁的位置时，电波传播的路径损耗更大.最后对天线高度对电波传播路径损耗的影响进行研究，分别设置发射天线高度为1.7 m、2 m 和2.5m，得到的路径损耗指数变化情况如表2所示.表2不同发射天线高度的电波传播路径损耗指数频率发射天线路径损耗标准差拟合直线(GHz)高度(m)2.41.72.02.55.01.72.02.58.01.72.02.5从表2 可以看出，随着发射天线高度不断增加，0.20.41g（收发距离/参考距离）位置1位置20.40.61g（收发距离/参考距离）第3 1卷指数截距(m)1.754.11.685.61.034.31.724.51.655.21.163.81.694.91.615.01.183.60.60.80.835.236.340.236.436.840.637.137.540.91.01.21.01.2钢制船舶走廊内的电波传播损耗指数随之减小，说明收发天线高度相差越大，电波传播路径损耗越小.综上所述，频率为2.4GHz，接收天线在走廊中央位置,接收高度在2.5m时，电波传播路径损耗最少.2.3电波传播时延特性分析在带有拐弯的走廊场景中,电波的主要传播机制为反射，接收天线从起始位置向走廊另一端移动，仿真频率为2.4GHz，接收天线在走廊中央位置,设定收发天线相距2 m和2 0 m,其功率时谱如图6 所示.-40-50-602P/率-70-80-90-100/-110%0(a)收发天线距离2 m时功率时延谱人0.20.40.6时延/s0.81.010-71.2第2 期王玉国，等：基于LoRa的钢制船舶通信系统电波传播特性研究273结语-60-70-80-90-100F-110-120-130500.2(b)收发天线距离2 0 m时功率时延谱图6 功率时延谱图6 中,由于时延分辨率不同,分辨出的多径数量也不同,图6（a)中,最大峰值处所对应的时延为0.1210-7s,图6(b)中最大峰值处所对应的时延为0.6 9 10-7 s.由功率时延谱得到2.4CHz的船舶走廊场景的时延特性如图7 所示.706050403020100图7 2.4GHz船舶走廊场景时延特性由图7 可以得到该船舶场景下的时延平均值为38.45ns,均方根时延的平均值为1.8 9 ns,收发天线之间的距离对均方根时延的影响较小.本文在分析电波传播机制后,基于LoRa建立电波传播方程，计算电波传播损耗，分析船舶通信电波传播特性.因时间和条件的限制，本研究仍有不足之处有待完善，如所涉及的天线类型较少，且仅对船舶机舱走廊场景进行了研究.基于上述问题,在今后的研究中，将综合考虑实际的不同场景人10.40.6时延/s一0 一时延一均方根时延48收发距离/m0.812161.010-7201.2以及不同的天线类型下钢制船舶通信系统的电波传播特性，以提高不同通信场景的通信质量.参考文献：1严朝阳,方飞,曹槟,等.基于LoRa的物联网数据传输系统研究与设计 J.重庆邮电大学学报（自然科学版）,2 0 2 1(03):354 363.2尹有为，赵金伟，李磊，等.基于SS拓扑的无线电能传输偏移特性研究 J.电力电子技术,2 0 2 1（0 5）：7 3-7 7.3成凌飞，李俊，史亚军，等.带有传送带的矩形巷道中电磁波传播特性研究 J.测控技术,2 0 2 1（0 6）：9 0-9 4.4宋鹏，蔡媛敏，耿晓军，等.基于粒子谱分布的无线紫外光通信散射传输特性研究J.光谱学与光谱分析，2 0 2 2（0 3）：970 977.5常雨芳，唐杨，李飞，等.基于麻雀算法的MCR-WPT系统传输特性研究 J.传感器与微系统,2 0 2 2（0 6）：6 5-6 9.6朱俊辉，李荷丹，何明亮，等.2 8 V低压直流载波通信系统的增益特性研究及系统实现 J.电力自动化设备，2 0 2 2（0 5）：2 12-2 18.7李鑫,张杰,唐旭，等.随钻压力波在用于早期气侵检测时的扰动传播特性研究 J.中国安全生产科学技术，2 0 2 2(01):54-62.8陈利军，王畅.时变信道下的激光通信系统安全特性评估研究 J.激光杂志,2 0 2 0（0 1：17 7-18 0.9李中照，王鹏，巩兆伟，等.具有抗偏移特性的无线电能传输系统研究 J.电子测量技术,2 0 2 1（2 0）：11-16.10冯驰,吴丽莎，丁蕾，等.基于LoRa自组网无线传输技术实现用电信息采集系统设计 J.计算机测量与控制,2 0 2 1(04):175-179.(下转第33页）第2 期王必改：基于物联网的船舶机舱防油污染智能监控系统设计33Design of Intelligent Monitoring System for Oil Pollution Prevention inMarine Engine Room Based on Internet of ThingsWANG Bi-gai(School of Navigation,Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou Fujian 350007,China)Abstract:In view of the phenomenon of marine oil pollution caused by man-made discharge of slop oil from ships,there are still problems.The flow sensor is used to monitor the flow direction of slop oil,and the liquid level sensoris used to monitor the change of the tank capacity of each relevant slop oil tank.Arduino UNO is used as the systemprocessing unit,LoRa wireless communication is applied,and the intelligent monitoring system for slop oil treatmentin the engine room is designed through the Internet of Things technology,to monitor the treatment of waste oil in thewhole process,providing technical support for shipping companies and maritime departments to monitor the waste oiltreatment on board.At the same time,aiming at the characteristics of heavy task,long time consuming,unstablecombustion and large workload of waste oil incineration on board,The sensor technologies such as fire sensor,temperature sensor are used,and PLC is used as the system processing unit,Through the Internet of Thingstechnology,an intelligent monitoring system for the operation of incinerator is designed.By improving thecombustion of incinerator and strengthening the monitoring,the correct treatment of waste oil on board can beensured,and the phenomenon of man-made discharge of waste oil can be eliminatedKey words:Ship;Arduino;LoRa;Internet of Things technology;Waste oil treatment(上接第2 7 页）Research on Radio Wave Propagation Characteristics of Steel ShipCommunication System Based on LoRaWANG Yu-guo,ZHENG Qi-qing(The Institute of Transportation and Navigation,Quanzhou Normal University,Quanzhou Fujian 362000,China)Abstract:In order to improve the communication quality of ship communication system,the radio propagationcharacteristics of steel ship communication system based on LoRa are studied.According to radio propagationmechanism,radio propagation equation is established based on LoRa to obtain radio propagation delay;Bycalculating the radio propagation loss,master the law of radio propagation,and get the received power path loss ofradio propagation,changes with distance,and energy distribution.The experimental analysis of radio propagationcharacteristics shows that the loss index of radio propagation is inversely proportional to the height of thetransmitting antenna and directly proportional to the frequency.When the receiving antenna is in the center of theship corridor,the path loss is less;In the scene of steel ship corridor with turning part,the average value of radiopropagation delay is 38.45 ns,and the average value of root mean square delay is 1.89 ns.The distance betweenreceiving and transmitting antennas has little impact on the root mean square delay.Key words:LoRa;Steel ship;Communication system;Radio wave propagation mechanism;Radio wave propagationcharacteristics;Path loss