CN108173591B - 一种认知对流层散射通信系统及方法、无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种认知对流层散射通信系统及方法、无线通信系统，物理环境感知模块，用于接收附近气象测站发报的通信站址的气象参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出信道带宽；频谱感知模块，用于根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知；功率控制模块，用于控制散射设备发射功率；判决逻辑模块，根据物理感知和频谱感知的结果做出判断。本发明能够满足对流层散射通信系统对通信质量和容量要求的通信体系架构，对拓展对流层散射通信业务和保障军事通信需求具有较大的实用价值；为解决当前及未来军事和民用领域对流层散射通信的需求问题提供参考。

Description

一种认知对流层散射通信系统及方法、无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种认知对流层散射通信系统及方法、无线通信系统。

背景技术

对流层散射通信是利用对流层中大气的不均匀性对电波信号的散射或反射作用而产生的一种超视距无线通信方式，具有单跳跨距大、越障能力强、可靠性高、抗核爆和抗截获能力好等特点。从上个世纪50年代开始大量应用于军事通信，主要部署在海岛、海岸线和沙漠地带。对流层散射通信的路径损耗相较于微波和卫星通信大，需要更高功率的发射机和更灵敏的接收机，造成对流层散射系统成本高和设备体积大，渐渐被随后发展起来的卫星通信取代。但是卫星通信存在着时延大、易被干扰和截获以及带宽受限等缺点，特别地，卫星在战略上是不安全的。另外，与对流层散射通信相比，微波通信受限于视距传输，架设中继则增加系统规模和成本；光纤通信则存在铺设难度大，不便于机动等缺点。因此，随着固态功放等硬件和调制解调技术的发展，对流层散射通信重新获得重视，特别是在军事通信中得到广泛运用。对流层散射发生在大气层底部，其传播特性与包括大气压、水汽压、温度和风速等的大气环境因素密切相关，其信道特性比一般的视距无线通信复杂得多，因此如能根据链路实际参数对对流层散射系统的终端设备参数进行调整将能有效改善通信质量；另一方面，由于频谱管理的原因，现代对流层散射设备大多集中工作在4.4GHz-5.0GHz。然而该频段已经十分拥挤，包括射电天文设备和部分移动通信空口也占用此频段，随着军事通信对终端业务的数据容量要求等加大，目前的窄带通信已不能满足需求；此外，战场环境下，敌方干扰机或是其他地面微波设备可能对散射通信设备的造成敌意或无意干扰，能够及时规避同频/邻频干扰对保障通信系统正常工作极其重要。因此，设计出一种能够满足对流层散射通信系统对通信质量和容量要求的通信体系架构，对拓展对流层散射通信业务和保障军事通信需求具有较大的实用价值。

综上所述，现有技术存在的问题是：一方面，现有散射通信设备参数固定，不能根据实时的复杂物理环境调整合适的无线电参数，致使散射通信质量不能总是达到具体通信要求；另一方面，由于频谱资源管理的政策限制，散射通信设备不能在保证避免干扰的同时获得足够的信道带宽资源。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种认知对流层散射通信系统及方法、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种认知对流层散射通信系统，所述认知对流层散射通信系统包括：

物理环境感知模块，用于接收附近气象测站发报的通信站址的气象参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出信道带宽；

频谱感知模块，用于根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知；

功率控制模块，用于控制散射设备发射功率；

判决逻辑模块，根据物理感知和频谱感知的结果做出判断。

进一步，所述物理环境感知模块包括：

对流层散射链路数据库，由链路数据库调出该条链路剖面信息，并输入ALPS；

气象参数获取模块，通过接收附近气象测站发报的通信站址的大气压、温度、水汽压和降雨量，并输入ALPS；

自动链路规划单元，根据相应的计算公式和输入的相关参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出合适的信道带宽。

本发明的另一目的在于提供一种所述认知对流层散射通信系统的认知对流层散射通信方法，所述认知对流层散射通信方法包括：

步骤一、对于某条给定的对流层散射链路，由链路数据库调出该条链路剖面信息，并输入ALPS；另一方面，气象参数获取模块通过接收附近气象测站发报的通信站址的气象参数，并输入ALPS；

步骤二、ALPS根据相应的计算公式和输入的相关参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出信道带宽；

步骤三、ALPS根据计算结果发出参数重设请求；

步骤四，大流量数据传输服务发起拓展信道带宽需求；检测设备发起干扰检测请求；

步骤五，频谱感知模块根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知，并将检测结果输入判决逻辑和功率控制模块。

进一步，所述认知对流层散射通信方法的工作频率计算公式：

式中，f_m为最优频率；

对流层散射通信的传输损耗为L＝10lg(P_t/P_r)，且接收功率P_r表示为：

式中，λ为波长，P_t为发射功率，ρ_c是天线耦合因子，R_t(R_r)表示散射交叠区到发射站的距离，G_t＝G_r＝4.5×(D/λ)²为发射和接收天线增益；σ_v为散射交叠区散射因子，由下面式子计算得到：

σ_v＝2πk⁴sin²χΦ(k_s)；

式中，对于水平极化波χ＝π/2，对于垂直极化波χ＝Θ+π/2，Θ为散射角，k＝2π/λ表示波数，Φ(k_s)为Kolmogorov谱，C_n表示折射指数结构变化，Λ₀为湍流外尺度，M为折射指数垂直梯度；对流层大气折射指数的垂直梯度表示为大气压p，单位为hPa、温度T，单位为K和水汽压e，单位为hPa随高度h的梯度变化：

大气湍流外尺度对应于高度变化的经验公式为：

天线耦合损耗定义为L_c＝-10lgρ_c，表示为：

式中G_t',_r为收发天线增益的dB形式；

考虑到收发散射天线的立体角很小，因此散射交叠区表示为：

式中，θ_t,r和φ_t,r分别表示收发天线在垂直和水平方向的半功率波束宽度，一般可表示为(70°～75°)×λ/D。

进一步，所述认知对流层散射通信方法的相干带宽计算为：

f_d＝fDR_e/(1.2d²)；

式中，d为通信两站的距离，R_e为等效地球半径，表示为：

式中，R₀为地球真实半径，dN/dh为折射率的垂直梯度变化；折射率N与折射指数n有如下关系：

N＝(n-1)×10⁶。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的认知对流层散射通信方法的无线通信系统。

本发明提供了一种根据物理环境计算最优工作频率和相干带宽的方法，一方面通过调整工作频率，降低对流层散射传输损耗，能够有效提高接收信号信噪比。相干带宽是描述多径衰落程度的有效指标，通过设置信道带宽小于相干带宽，能够有效克服信道的频率选择性衰落，减小大速率传输时的符号间干扰；另一方面，通过认知无线电中的频谱感知技术及时规避通信干扰，并检测空闲非授权频段，为大容量传输提供足够的信道资源。总的来说，本发明能够满足对流层散射通信系统对通信质量和容量要求的通信体系架构，对拓展对流层散射通信业务和保障军事通信需求具有较大的实用价值；为解决当前及未来军事和民用领域对流层散射通信的需求问题提供参考。

附图说明

图1是本发明实施例提供的认知对流层散射通信系统结构示意图；

图中：1、物理环境感知模块；1-1、对流层散射链路数据库；1-2、气象参数获取模块；1-3、自动链路规划单元；2、频谱感知模块；3、功率控制模块；4、判决逻辑模块。

图2是本发明实施例提供的认知对流层散射通信的系统架构设计图。

图3是本发明实施例提供的对流层散射通信链路及雨区示意图。

图4是本发明实施例提供的给定链路条件下的最优频率示意图。

图5是本发明实施例提供的频谱感知与共享场景图。

图6是本发明实施例提供的不同信噪比下分集检测的检测性能示意图。

图7是本发明实施例提供的不同降雨量下分集检测的检测性能示意图

图8是本发明实施例提供的不同天线仰角下分集检测的检测性能示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的认知对流层散射通信系统包括：物理环境感知模块1、频谱感知模块2、功率控制模块3、判决逻辑模块4。

物理环境感知模块1，用于接收附近气象测站发报的通信站址的大气压、温度、水汽压和降雨量等气象参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出合适的信道带宽。

频谱感知模块2，用于根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知。

功率控制模块3，用于控制散射设备发射功率。

判决逻辑模块4，根据物理感知和频谱感知的结果做出判断。

物理环境感知模块1工作流程如下：

步骤一、对于某条给定的对流层散射链路，由链路数据库调出该条链路剖面信息，并输入ALPS；另一方面，气象参数获取模块通过接收附近气象测站发报的通信站址的大气压、温度、水汽压和降雨量等气象参数，并输入ALPS。

步骤二、ALPS根据相应的计算公式和输入的相关参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出合适的信道带宽。

步骤三、ALPS根据计算结果发出参数重设请求。

频谱感知模块2工作流程如下：

步骤一、高清视频流和高分辨数字地图等大流量数据传输服务发起拓展信道带宽需求；另一方面，敌方干扰机和地面微波设备可能造成对散射通信设备的敌意或无意干扰，检测设备发起干扰检测请求。

步骤二、频谱感知模块根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知，并将检测结果输入判决逻辑和功率控制模块。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明为保证对流层散射通信终端能够满足日益增长的业务容量需求和通信质量要求，设计如图2所示的认知对流层散射通信系统架构。对流层散射信号在复杂多变的对流层内传播，其通信质量与链路的环境因素密切相关。因此能根据物理环境自适应地改变设备参数(如载波频率，带宽和天线俯仰等等)，将能有效改善通信质量，这涉及到架构设计中的物理环境感知模块。另一方面，面对对流层散射通信日益增长的业务及容量需求和频谱资源紧张这一矛盾，以及战场环境下干扰检测的现实需求，认知无线电技术将能很好地解决这个问题，这主要涉及架构设计的频谱感知模块。功率控制模块和判决逻辑模块用以辅助物理环境感知模块和频谱感知模块的顺利实现。

1、物理环境感知模块

本发明中，如图2所示的散射链路数据库可根据通信两站的经纬坐标调取链路剖面(通信链路几何剖面如图3所示)。其中，通信两站的经纬坐标可由北斗定位(或其他定位设备)获得。

如图2所示的气象感知子模块接收附近气象测站发报的通信站址的大气压p、温度T、水汽压e和降雨量R等气象参数。将链路剖面数据以及气象参数输入ALPS，由ALPS计算通信链路的最优工作频率和相干带宽。

1.1、最优工作频率计算

对于给定的散射天线口径，天线增益随频率的增加而增大。而当其余链路参数给定时，对流层散射的路径传输损耗同样是随频率的增加而增大的。当不考虑天线口面介质耦合损耗时，天线增益一般与频率的四次方成正比，而路径传输损耗与频率三次方成正比，则频率应该越大越好。但是当考虑天线口面介质耦合损耗时，天线增益可能只与频率的三次方，甚至与频率的一次方成正比，如此频率增加所得到的天线增益将不能补偿增加的传输损耗。因此，当给定散射天线的口径和通信两站的距离时，总会存在着一个最优的频率平衡天线增益和对流层散射的路径传输损耗，使得总的对流层散射传输损耗达到最小值。那么最优工作频率的求解归结于如下的极值问题：

式中，f_m为最优频率。

定义对流层散射通信的传输损耗为L＝10lg(P_t/P_r)，且接收功率P_r可表示为：

式中，λ为波长，P_t为发射功率，ρ_c是天线耦合因子，R_t(R_r)表示散射交叠区到发射站(接收站)的距离，G_t＝G_r＝4.5×(D/λ)²为发射和接收天线增益。σ_v为散射交叠区散射因子，可由下面式子计算得到：

σ_v＝2πk⁴sin²χΦ(k_s) (3)

式中，对于水平极化波χ＝π/2，对于垂直极化波χ＝Θ+π/2，Θ为散射角(如图3)，k＝2π/λ表示波数，Φ(k_s)为Kolmogorov谱，C_n表示折射指数结构变化，Λ₀为湍流外尺度，M为折射指数垂直梯度。对流层大气折射指数的垂直梯度可以表示为大气压p(单位为hPa)、温度T(单位为K)和水汽压e(单位为hPa)随高度h的梯度变化：

大气湍流外尺度对应于高度变化的经验公式为：

天线耦合损耗定义为L_c＝-10lgρ_c，可近似表示为：

式中G'_t,r为收发天线增益的dB形式。

考虑到收发散射天线的立体角很小，因此散射交叠区(SCS)可近似表示为：

式中，θ_t,r和φ_t,r分别表示收发天线在垂直和水平方向的半功率波束宽度，一般可表示为(70°～75°)×λ/D。

上述对流层散射传播模型是建立在晴空大气环境下的，并不能用于雨环境下的对流层散射传播预测。根据降雨发生在对流层散射链路中的位置，可以大致将降雨分为两种情况，如图3所示，第一类是雨区位于发射端或接收端的链路的一侧(图中仅示出在接收端的一侧)，另一类是雨区位于对流层散射交叠区内。图中，h_R表示降雨高度(单位km)，该高度可由h_R＝h₀+0.36得到，式中h₀为0℃等温线高度。特别地，当降雨发生在散射交叠区内时，除了雨衰，雨滴的散射必须考虑。那么，对于接收端而言，其功率则表现为湍流散射和雨散射的分别叠加。雨的单位体积SCS可瑞利近似为：

式中，m_w表示雨滴的介电常数，P为极化解耦因子，Z为雷达的反射系数，可表示为Z＝200R^1.6，式中R表示降雨率(单位为mm/h)。对于载频大于10GHz，需要引入偏差修正因子S，可表示为：

10lgS＝R^0.4·10^-3[2(f-10)^1.6(1+cosΘ)+2.5(f-10)^1.7(1-cosΘ)] (11)

修正后的SCS可表示为

通常对于载频30GHz以下的通信链路，大气中的云雾衰减则不作考虑。因此，在计算传输损耗时只考虑雨衰和大气衰减。那么，传输损耗则可表示为L＝10lg(P_t/P_r)+L_g+L_r，式中L_g表示大气衰减，L_r表示雨衰(单位为dB)。大气衰减计算模型由ITU-RP.676建议书给出：

L_g＝γ_gd_link＝(γ_dry+γ_water)d_link (12)

式中，γ_dry表示干燥空气造成的单位衰减(单位为dB/km)，γ_water表示水汽造成的单位衰减(单位为dB/km)，d_link表示链路长度(单位为km)。而雨衰计算选取ITU-RP.838建议书中的模型：

式中，r_z表示降雨区域，

表示单位雨衰(单位为dB/km)，且有

其中，α和β是与极化方式和频率(单位为GHz)相关的参数：

式中，a_i,j，b_i,j，c_i,j，m_α,β和c_α,β与极化方式相关，具体取值参见ITU-RP.838建议书。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作作进一步的描述：

实施例1：

设通信的收发两站抛物面天线直径为D＝2.4m，发射端天线仰角θ₁＝19.83mrad，降雨率R＝10mm/h，雨区位置选在链路的SCS内，接收端天线仰角为θ₂＝{10,20}mrad。根据气象参数采集模块获得的大气压p、温度T和水汽压e，可获得对流层大气折射指数的垂直梯度。在本实施例的仿真中，通信地域设为中纬度地区，因此其大气结构可简化为ITU-P.835建议书中模型(分为夏天和冬天两类)：

T_夏天(h)＝294.9838-5.2159h-0.07109h²

p_夏天(h)＝1012.8186-111.5569h+3.8646h²；

ρ_夏天(h)＝14.3542exp(-0.4174h-0.02290h²+0.001007h³)

T_冬天(h)＝272.7241-3.6217h-0.1759h²

p_冬天(h)＝1018.8627-124.2954h+4.8307h²；

ρ_冬天(h)＝3.4742exp(-0.2697h-0.03604h²+0.0004489h³)

式中ρ表示水汽密度(单位为g/m³)，可根据e(h)＝ρ(h)T(h)/216.7(单位为hPa)转换得到水汽压。最优工作频率计算结果如图4所示，由图可知无论是雨环境还是晴空环境下，随着通信距离和接收端仰角的增大，最优频率呈下降趋势，由迅速增加的路径损耗造成的。

1、相干带宽计算

相干带宽是描述对流层散射通信多径传播中接收信号相干特性的重要指标。当相干带宽大于信道带宽时，对流层散射信道表征为平坦衰落。在大容量的散射通信系统中，信道带宽大于相干带宽时对流层散射信道为频率选择性衰落，在时域上表征为符号间干扰。

在工程应用中，对流层散射信道的相干带宽计算可表示为：

f_d＝fDR_e/(1.2d²) (15)

式中，d为通信两站的距离，R_e为等效地球半径，可表示为：

式中，R₀为地球真实半径，dN/dh为折射率的垂直梯度变化。折射率N与折射指数n有如下关系：

N＝(n-1)×10⁶ (17)

2、频谱感知模块

本发明将认知无线电相关技术引入对流层散射通信，结合现装备的对流层散射通信设备特点，设计了如图2所示的频谱感知模块。本发明以认知对流层散射设备为中心，建立了如图5所示的认知场景图，解决对流层散射设备与微波设备、地面卫星设备和干扰机之间的频谱共享与干扰检测问题。

频谱感知是认知用户获取主用户频谱使用情况的关键手段，而众多检测算法中，能量检测因其算法简单且不需要主用户先验知识而得到广泛应用。本发明立足于对流层散射通信设备为对抗多径衰落大多采用了多天线的空间分集或者多馈源的角分集的现状，将分集能量检测应用于系统架构的频谱感知模块。对于分集接收，信号的合成方式可以是选择合并，等增益合并和最大比值合并。

实施例2

频率设置为f＝4.5GHz(主要指对流层散射设备、干扰机和微波设备)和f＝15.5GHz(主要指对流层散射设备和卫星地面设备)，信号合并方式采用最大比值合并。图6示出给定虚警概率为0.01时，在不同信噪比的情形下，分集有无及分集数目对检测性能的影响。图7示出降雨量为R＝5mm/h，15mm/h和25mm/h时，分集检测对检测性能的影响。图8示出分集检测对卫星地面设备不同仰角下(ψ＝10°，20°和30°)的检测性能。仿真结果表明，对给定信噪比，降雨量和天线仰角ψ，分集检测能明显提升检测性能。

判决逻辑和功率控制模块

在本发明中，判决逻辑模块根据物理感知和频谱感知的结果做出判断。当物理环境对通信的质量影响较小(即没有大雨等极端气象条件)，判决逻辑可根据频谱感知的结果，选取适当的频段进行数据通信，以提升通信容量；当物理环境对通信的质量影响较大时，判决逻辑应优先保证通信的质量。

在本发明中，功率控制模块用于控制散射设备发射功率，避免在租用授权用户的授权频带或其他空闲频带时对授权用户造成干扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种认知对流层散射通信系统，其特征在于，所述认知对流层散射通信系统包括：

物理环境感知模块，用于接收附近气象测站发报的通信站址的气象参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出信道带宽；

频谱感知模块，用于根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知；

功率控制模块，用于控制散射设备发射功率；

判决逻辑模块，根据物理感知和频谱感知的结果做出判断。

2.如权利要求1所述的认知对流层散射通信系统，其特征在于，所述物理环境感知模块包括：

对流层散射链路数据库，由链路数据库调出链路剖面信息，并输入ALPS，其中ALPS表示为自动链路规划单元；

气象参数获取模块，通过接收附近气象测站发报的通信站址的大气压、温度、水汽压和降雨量，并输入ALPS；

自动链路规划单元，据相应的计算公式和输入的相关参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出合适的信道带宽。

3.一种如权利要求1所述认知对流层散射通信系统的认知对流层散射通信方法，其特征在于，所述认知对流层散射通信方法包括：

步骤一，对于某条给定的对流层散射链路，由链路数据库调出链路剖面信息，并输入ALPS；另一方面，气象参数获取模块通过接收附近气象测站发报的通信站址的气象参数，并输入ALPS,其中ALPS表示为自动链路规划单元；

步骤二，ALPS根据相应的计算公式和输入的相关参数，计算通信链路的最优工作频率和相干带宽，再根据物理层采用的具体调制解调技术，计算出信道带宽；

步骤三，ALPS根据计算结果发出参数重设请求；

步骤四，大流量数据传输服务发起拓展信道带宽需求；检测设备发起干扰检测请求；

步骤五，频谱感知模块根据带宽扩展或者干扰检测请求，进行频谱感知，并将检测结果输入判决逻辑和功率控制模块。

4.如权利要求3所述的认知对流层散射通信方法，其特征在于，所述认知对流层散射通信方法的工作频率计算公式：

式中，f_m为最优频率，f表示为载波频率；

对流层散射通信的传输损耗为L＝10lg(P_t/P_r)，且接收功率P_r表示为：

式中，λ为波长，P_t为发射功率，ρ_c是天线耦合因子，R_t表示散射交叠区到发射站的距离，R_r表示散射交叠区到接收站的距离，G_t＝G_r＝4.5×(D/λ)²为发射和接收天线增益，D表示为天线口径尺寸，σ_v为散射交叠区散射因子，由下面式子计算得到：

σ_v＝2πk⁴sin²χΦ(k_s)；

式中，对于水平极化波χ＝π/2，对于垂直极化波χ＝Θ+π/2，Θ为散射角，k＝2π/λ表示波数，Φ(k_s)为Kolmogorov谱，k_s＝2ksin(Θ/2)，C_n表示折射指数结构变化，n表示为大气折射指数，Λ₀为湍流外尺度，M为折射指数垂直梯度；对流层大气折射指数的垂直梯度表示为大气压p，温度T，水汽压e，大气压p的单位为hPa，温度T的单位为K，大气压p随高度h的梯度变化：

大气湍流外尺度对应于高度变化的经验公式为：

天线耦合损耗定义为L_c＝-10lgρ_c，表示为：

式中G′_t，G′_r为收发天线增益的dB形式；

考虑到收发散射天线的立体角很小，因此散射交叠区表示为：

式中，θ_t，θ_r，和φ_t，φ_r分别表示收发天线在垂直和水平方向的半功率波束宽度，可表示为(70°～75°)×λ/D。

5.如权利要求3所述的认知对流层散射通信方法，其特征在于，所述认知对流层散射通信方法的相干带宽计算为：

f_d＝fDR_e/(1.2d²)；

式中，d为通信两站的距离，f表示为载波频率，D表示为天线口径尺寸，R_e为等效地球半径，表示为：

式中，R₀为地球真实半径，dN/dh为折射率的垂直梯度变化；折射率N与折射指数n有如下关系：

N＝(n-1)×10⁶。

Images