CN106656623A - 一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信系统评估领域，尤其涉及超短波通信系统效能评估方法的研究。本发明的目的在于提供一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法，以超短波通信系统为例，在充分认知系统基础之上，对系统在各类应用背景下的效能评估方法展开研究，包括通信覆盖能力、组网能力、链路传输能力和抗干扰能力，以保证通信系统的有效性，为通信系统优化和完善提供可靠的理论指导。

Description

一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法

技术领域

本专利属于通信系统评估领域，尤其涉及超短波通信系统效能评估方法的研究。

背景技术

通信系统的效能评估是分析系统工作性能的重要环节。本专利以超短波通信系统的效能评估为研究背景。现阶段，通信系统的复杂度日益提升，通过数学建模的手段对系统进行预研和分析，可以短时高效的掌握系统的工作特性和性能影响机理，为后续的集成实现或系统改进提供可靠的理论支撑。

在合作通信中，通信双方的信道环境暴露在复杂电磁环境下，会同时受到各种自然、人为、自身等因素的影响。同时，由于通信系统集成度高，对系统本身的认知存在难度，伴随着通信信号处理技术的飞速发展，通信系统编码和调制样式日益增多，对无线信道的研究也愈加深入，信道类型和依赖性也进一步加强。一系列因素导致通信系统模型众多，影响因素众多，评估难度加大。对于大型装备所搭载的通信系统，若通过试验手段对系统性能进行测试和分析，必然会花费大量的时间和精力，若直接引用实验室检验报告进行佐证或干脆进行舍弃，则无法充分释放系统的检验风险，系统在实际工作中可能出现各类新的问题和使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法，以超短波通信系统为例，在充分认知系统基础之上，对系统在各类应用背景下的效能评估方法展开研究，包括通信覆盖能力、组网能力、链路传输能力和抗干扰能力，以保证通信系统的有效性，为通信系统优化和完善提供可靠的理论指导。

一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法，具体步骤如下：

S1、通过对超短波通信系统工作原理与效能影响机理的研究，将通信过程中各环节对系统的影响等效折算为信噪比的增大或减小，并以此为基础对通信系统各模块进行数学建模，具体步骤如下：

S11、用编码增益的近似界来等效信道编码对系统误码性能的改善，即γ(dB)＝10log₁₀Rd_min，其中，R为编码效率，d_min为码间最小距离；

S12、用扩频增益来描述扩展频谱技术对系统抗干扰性能的改善，即，G_p(dB)＝10lg(2^N-1)，其中，N为为扩频码的级数；

S13、用天线增益表示收发端天线对信号的增强或减弱。式中，为天线效率，为天线的方向图函数，即，其中，η_A为天线效率，f为天线的方向图函数，

S14、通过建立噪声的数学模型来计算噪声功率，即，N(dB)＝10lg kTB+F+G，其中，T为等效噪声温度，B为接收机带宽，F为噪声系数，G为低噪放增益，k为玻尔兹曼常数；

S15、通过建立相应的损耗模型来描述信号在不同传播环境下的传输损耗，即，自由空间模型PL(dB)＝32.44+20lg d+20lg f，反射模PL(dB)＝40lg d-20lg h_t-20lg h_r，散射模型PL(dB)＝M+30lg f+10lg d+30lgθ+N(H,h)+L_c，其中，d为传输距离，f为信号频率，h_t,h_r为收发天线高度，θ为散射角，M,N,L_c为与气候相关的环境参数；

S16、通过算法仿真和数据拟合，建立同步和信道均衡的模型；

S2、根据通信系统的实际工作环境和使用需求，推导并建立信号在不同调制方式、不同信道环境下的错误判决概率，得到以信噪比为主变量的系统误码率计算公式，具体为：利用公式计算积分，得到系统误码率，其中，P_e(γ_b)为不同调制方式下的错误判决概率，p(γ_b)为不同衰落服从的概率密度函数，衰落主要包括如下几种类型：瑞利衰落莱斯衰落C.Loo衰落频率选择性衰落；

S3、完善系统的效能评估模型，即，根据评估类型，拟定评估变量，将评估变量与信噪比进行关联，得到以评估变量为主变量的系统误码率的数学表达式，并根据系统误码率阈值来约束变量区间，得到评估结果，数学模型为P_e＝f{X,a₁,a₂…}，其中，P_e为系统误码率，X为评估主变量，a₁,a₂…为影响通信系统信噪比的其他因素，f为将多因素整合关联并计算误码率的函数。

本发明的有益效果是：

支持系统在不同工作模式、不同传输背景下的效能仿真与评估，支持对效能的影响因素分析，为研发人员设计和改善系统提供可靠的理论支撑和技术指导，具有一定的前瞻性。

附图说明

图1：超短波通信系统通信流程以及信噪比流动过程示意图。

图2：效能评估流程示意图。

图3：通信覆盖能力评估结果图。

图4：通信组网能力评估结果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法，具体步骤如下：

S1、通过对超短波通信系统工作原理与效能影响机理的研究，将通信过程中各环节对系统的影响等效折算为信噪比的增大或减小，并以此为基础对通信系统各模块进行数学建模，具体步骤如下：

S11、用编码增益的近似界来等效信道编码对系统误码性能的改善，即γ(dB)＝10log₁₀Rd_min，其中，R为编码效率，d_min为码间最小距离；

S12、用扩频增益来描述扩展频谱技术对系统抗干扰性能的改善，即，G_p(dB)＝10lg(2^N-1)，其中，N为为扩频码的级数；

S13、用天线增益表示收发端天线对信号的增强或减弱。式中，为天线效率，为天线的方向图函数，即，其中，η_A为天线效率，f为天线的方向图函数，

S14、通过建立噪声的数学模型来计算噪声功率，即，N(dB)＝10lg kTB+F+G，其中，T为等效噪声温度，B为接收机带宽，F为噪声系数，G为低噪放增益，k为玻尔兹曼常数；

S15、通过建立相应的损耗模型来描述信号在不同传播环境下的传输损耗，即，自由空间模型PL(dB)＝32.44+20lg d+20lg f，反射模PL(dB)＝40lg d-20lg h_t-20lg h_r，散射模型PL(dB)＝M+30lg f+10lg d+30lgθ+N(H,h)+L_c，其中，d为传输距离，f为信号频率，h_t,h_r为收发天线高度，θ为散射角，M,N,L_c为与气候相关的环境参数；

S16、通过算法仿真和数据拟合，建立同步和信道均衡的模型；

S2、根据通信系统的实际工作环境和使用需求，推导并建立信号在不同调制方式、不同信道环境下的错误判决概率，得到以信噪比为主变量的系统误码率计算公式，具体为：利用公式计算积分，得到系统误码率，其中，P_e(γ_b)为不同调制方式下的错误判决概率，p(γ_b)为不同衰落服从的概率密度函数，衰落主要包括如下几种类型：瑞利衰落莱斯衰落C.Loo衰落频率选择性衰落；

S3、完善系统的效能评估模型，即，根据评估类型，拟定评估变量，将评估变量与信噪比进行关联，得到以评估变量为主变量的系统误码率的数学表达式，并根据系统误码率阈值来约束变量区间，得到评估结果，数学模型为P_e＝f{X,a₁,a₂…}，其中，P_e为系统误码率，X为评估主变量，a₁,a₂…为影响通信系统信噪比的其他因素，f为将多因素整合关联并计算误码率的函数。

本专利中，对系统效能评估主要研究如下几种类型：

通信覆盖能力评估

用于评估超短波通信系统的有效通信覆盖范围，评估变量为通信距离。参考表1和表2。根据系统实际工作环境选择合适的信道模型，将通信距离设定值代入信号传播损耗公式，与信噪比进行关联，得到以通信距离为主变量的系统误码率计算公式。根据误码率计算结果，使用二分法增大或减小通信距离设定值，直至误码率结果贴近阈值，得到满足该阈值的最大通信距离D。

环境类型	信道衰落模型
		城市	频率选择性衰落
山地	瑞利衰落
		乡村、旷野	莱斯衰落
森林	C.Loo衰落

表1

传输距离	传输损耗类型
		视距	自由空间模型
长距离(通常为d＞4hthr/λ)	反射模型
		超视距	散射模型

表2

组网能力评估

用于分析和评估超短波系统在接力组网方式下的通信覆盖能力，其实质是在通信覆盖能力评估的基础上，新增一个或多个中继平台，实现通信接力。因此，其评估方式与覆盖能力评估方式一致，评估结果是通信覆盖能力评估结果的并集。

链路传输能力评估

用于分析和评估超短波系统在不同传输速率下的系统误码率和链路重传率，评估变量为传输速率。链路重传率使用下式计算。

其中，P_c表示没有差错发生的概率，定义为P_c＝(1-p)ⁿ，p为信道差错概率，n为数据帧长度；

P_e表示发生不可检测的差错概率，其近似界为其中，d_min为最小码距，n,k为编码参数。

根据误码率和重传率的阈值，使用二分法不断调整传输速率设定值，可得到系统的最大传输速率R。

抗干扰能力评估

用于分析和评估超短波通信系统抗各种干扰的工作能力。由于干扰功率大，针对性强，其对系统的影响远大于随机噪声，因此在评估系统抗干扰性能时，可忽略噪声的影响，用信干比替换信噪比。评估主变量为干扰信号功率。

下面给出系统抗不同干扰的效能评估的数学模型。式中，P_e1为未受干扰部分的误码率，P_e2为受干扰部分的误码率，ρ₁是干扰的带宽占比，ρ₂是干扰的时间占比。

P_e＝(1-ρ₁)P_e1+ρP_e2(瞄准式干扰)

P_e＝(1-ρ₂)P_e1+ρP_e2(跟踪式干扰)

根据系统误码率上限约束，可以得到系统能够抵抗的不同类型干扰的最大干扰功率P。

效能评估的整体流程如图2所示。

实施例1、

选取通信系统通信覆盖能力评估，用于分析系统在符合通信质量的前提下所能覆盖的最远通信距离，首先配置系统的工作参数，发射信号功率45dBm，带宽6.8kHz，频率225MHz，编码为(7,4)线性分组码，调制方式为BPSK，通信平台的地理位置设为空中离地8Km处。

效能评估与仿真包括如下步骤：

在本实例中，采用的信道编码类型为(7,4)线性分组码，码率R＝4/7，最小码距d_min＝3，由式计算可得渐进编码增益为2.3dB；设定机载天线为全向天线，由式(3)计算可得收发天线增益均约为0dB；设定系统和天线的等效温度为1000K，噪声系数为7.4dB，由式计算得到噪声功率为-23dBm。

根据大量工程数据显示，信号在高空传播时的无线信道非常贴近莱斯因子为4的莱斯信道，设定误码率上限为10^-5，根据BPSK调制模式下莱斯信道的误码率计算公式，用误码率上限对接收端信噪比进行约束，得到信噪比下限约为35dB。

通过信噪比将各模块进行关联，形成一条通信系统信噪比预算链路，去除步骤一中的影响因素，得到信号传播损耗的上限值为133.4dB，根据通信平台的位置高度，信道损耗符合自由空间传播模式，因此代入该传播损耗公式，得到通信距离的极限值约为500km。

用仿真软件对上述理论分析进行仿真验证，结果如图3所示，图中，每个仿真点的时间间隔为5min。可见，结果与理论值非常贴切，由于平台在运动过程中所处环境的变化，每个仿真点的数据会有小幅度的波动。

实施例2、

选取通信系统组网能力评估，用于分析系统在组网接力通信下的最远通信距离。在实例一的基础上新增一个空中中继平台，其发射信号功率为39.2dBm，其余参数不变，得到评估结果如图4所示。

可见，接力通信大大增加系统的通信范围，通过组网可实现750km左右的远距离传输。

Claims (1)

1.一种基于多因素影响建模的超短波通信系统效能评估方法，具体步骤如下：

S1、通过对超短波通信系统工作原理与效能影响机理的研究，将通信过程中各环节对系统的影响等效折算为信噪比的增大或减小，并以此为基础对通信系统各模块进行数学建模，具体步骤如下：

S11、用编码增益的近似界来等效信道编码对系统误码性能的改善，即γ(dB)＝10log₁₀Rd_min，其中，R为编码效率，d_min为码间最小距离；

S12、用扩频增益来描述扩展频谱技术对系统抗干扰性能的改善，即，G_p(dB)＝10lg(2^N-1)，其中，N为为扩频码的级数；

S13、用天线增益表示收发端天线对信号的增强或减弱。式中，为天线效率，为天线的方向图函数，即，其中，η_A为天线效率，f为天线的方向图函数，

S14、通过建立噪声的数学模型来计算噪声功率，即，N(dB)＝10lgkTB+F+G，其中，T为等效噪声温度，B为接收机带宽，F为噪声系数，G为低噪放增益，k为玻尔兹曼常数；

S15、通过建立相应的损耗模型来描述信号在不同传播环境下的传输损耗，即，自由空间模型PL(dB)＝32.44+20lgd+20lgf，反射模PL(dB)＝40lgd-20lgh_t-20lgh_r，散射模型PL(dB)＝M+30lgf+10lgd+30lgθ+N(H,h)+L_c，其中，d为传输距离，f为信号频率，h_t,h_r为收发天线高度，θ为散射角，M,N,L_c为与气候相关的环境参数；

S16、通过算法仿真和数据拟合，建立同步和信道均衡的模型；

S2、根据通信系统的实际工作环境和使用需求，推导并建立信号在不同调制方式、不同信道环境下的错误判决概率，得到以信噪比为主变量的系统误码率计算公式，具体为：利用公式计算积分，得到系统误码率，其中，P_e(γ_b)为不同调制方式下的错误判决概率，p(γ_b)为不同衰落服从的概率密度函数，衰落主要包括如下几种类型：瑞利衰落莱斯衰落C.Loo衰落频率选择性衰落；

S3、完善系统的效能评估模型，即，根据评估类型，拟定评估变量，将评估变量与信噪比进行关联，得到以评估变量为主变量的系统误码率的数学表达式，并根据系统误码率阈值来约束变量区间，得到评估结果，数学模型为P_e＝f{X,a₁,a₂…}，其中，P_e为系统误码率，X为评估主变量，a₁,a₂…为影响通信系统信噪比的其他因素，f为将多因素整合关联并计算误码率的函数。