CN110958063A

CN110958063A - 一种基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法

Info

Publication number: CN110958063A
Application number: CN201911173412.4A
Authority: CN
Inventors: 王健; 曹月彬; 黄翔东
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-04-03

Abstract

本发明公开一种基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法，包括步骤：建立多元信道质量评估体系，确立评价信道质量的多个评价指标；根据基于所述评价指标建立的判断矩阵，确定第一评价权重；根据所述评价指标对待评估可用信道进行质量分析，确定第二评价权重；基于第一评价权重和\或第二评价权重，利用加权平均法计算用户对待评估可用信道的评估值。本发明实现对可用信道的综合评估。

Description

一种基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法

技术领域

本发明涉及海上通信评估技术领域，特别是涉及一种基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法。

背景技术

海上通信波段通常有4种通信类型可供选择：中波(MF,I型)、短波(HF,II 型)、超短波(VHF,III型)、卫星(IV型)，可用信道数分别为N_I，NII，NIII，NIV。用户通信前，除了要选择波段类型外，还要综合考虑多方面因素，从这些可用波段中选择尽量合适频点，使之既满足用户自己通信需求，又能保证该海域其他船舶通信质量，因此海上通信不可避免地要在中波、短波、超短波、卫星等不同波段内做具体频点的选择。然而这些波段所属的通信制式存在兼容性、频带宽度、盲区面积、传输时延等方面悬殊差别，故至今仍未建立其统一高效管理的机制，因此迫切需要建立一套可行的可用信道质量评估方法。

现有信道质量评估技术的研究主要分为两大类。一类是以单性能指标为旨向的频率分配方法，如以最大化整个网络的信息传输速率为目标实现了单终端在多模式通信中的恰当选择，以信噪比为评价标准设计了动态频率管理方法用于指导通信双方选择合适的可用频率。第二类是多性能指标综合方法，典型有简单加权法、逼近理想解排序法、层次分析法，改进的理想排序选择接入算法等。显然，多性能指标综合方法考虑的要素更为全面，更具有实用性。

但上述方法并没有与海上通信场景做具体结合。为满足不同用户通信需求，急需调研海上通信场景，综合考虑具体通信指标因素，建立合理的信道质量评估体系，并提出对应评估方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法，包括步骤：

建立多元信道质量评估体系，确立评价信道质量的多个评价指标；

根据基于所述评价指标建立的判断矩阵，确定第一评价权重；

根据所述评价指标对待评估可用信道进行质量分析，确定第二评价权重；

基于第一评价权重和\或第二评价权重，利用加权平均法计算用户对待评估可用信道的评估值。

其中，所述评价指标包括可用频点比率η_c，最大通信距离d_max，通信容量C，传输时延τ，通信资费M以及频率容限度μ：

式中，N_C为所选的信道类型可用频点的数量，N为所有信道类型的可用频点数量，N_I、N_II、N_III、N_IV为对应信道类型的可用频点数量；

最大通信距离d_max包括自由空间中的最大通信距离

以及非自由空间中的最大通信距离

式中，E_min为已知通信设备接收灵敏度；

当

与

差值小于规定允许值，此时

即为最大通信距离d_max；

C＝Wlog₂(1+ρ),

式中，W为以所选频点f为中心的可用带宽，ρ＝10^SNR/10，SNR是单位为 dB的接收信噪比；

τ＝d/c，式中，d为传输距离，c为光速，

若使用地面通信，则d为直接传输路径；若使用卫星通信则d＝d_s+d_r，其中d_s、d_r分别为发送端和接收端到卫星的距离；

M＝I·u/C_I，

式中，I为传输数据量，C_I为传输速率，u为单位时间内租用频段的价格；

μ＝f_d/f_t，f_d＝vf_ccosθ/c，

式中，f_t为通信设备的频率容差，f_d为设备移动造成的多普勒频移，c为光速，v为相对移动速度，θ为信号与移动终端移动方向的瞬时夹角。

其中，所述第一评价权重的计算方式如下：

式中，

为待评估信道m的第i个评价指标的权重，r_ij为评价指标i与评价指标j两两比较后的尺度所得值，为判断矩阵的矩阵元素。

其中，所述第二评价权重的计算步骤如下；

其中，可用频点比率η_c，最大通信距离d_max，通信容量C的第二评价权重计算方式如下：

传输时延τ，通信资费M以及频率容限度μ的第二评价权重计算方式如下：

m为某船舶所选用的N个可选信道中的序号，

为该船舶选用第n个信道所对应的第j个指标值。

其中，所述利用加权平均法用户对待评估可用信道的评估值的公式如下：

式中，Q_m为待评估信道m评估值，

为待评估信道m的第n个评价指标的第二评估值，

为待评估信道m的第n个评价指标的第一评估值。

本发明提出的可用信道质量评估方法较为全面的覆盖了频率优选中的重要元素，并且指标易于量化计算，设计的统一的多属性归一化计算方法，结合层次分析法，实现对可用信道的综合评估，直观反映了涉频用户对不同信道的满意度，便于挑选出最符合用户需求的信道，对海上通信用频辅助决策有重要的应用价值。

附图说明

图1是基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法的流程图；

图2是建立多元信道质量评估体系的流程图；

图3是依据依据评价指标确定主观属性权重的流程示意图；

图4是依据评估指标确定客观属性权重的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

本发明基于动态频率管理的特点与海上无线电通信的研究现状，将用户需求与有限的频率资源信息有机地结合在一起，综合考虑中波、短波、超短波、卫星等多波段通信方式差异，提出了面向海上通信信道的多元指标评估体系。一方面对可用的频率资源可用性进行描述，对影响通信质量的多项因素进行分析处理，另一方面，将用户用频需求纳入考虑范围，根据用户业务及偏好，对可用的海上通信信道进行合理评估。

如图1所示，本发明基于多元指标融合的海上通信信道质量评估方法，其步骤如下：

步骤A：综合考虑中波、短波、超短波、卫星等多波段通信方式差异，提出了面向海上通信信道质量的多元指标评估体系，其具体过程如下：

步骤A1：分析问题的基础上，将各个因素按照不同的属性分为3层，综合考虑通信稳定性、服务质量、经济成本、移动适应性等多方面需求，建立层次结构模型，表1给出了利用层次分析法建立的多元信道质量评估体系。

表1

步骤A2；结合海上通信设备性能指标与无线通信特点，对各个指标的具体计算方式进行表征。

1)可用频点比率(η_c)：

定义为所选的信道类型可用频点的数量N_C与所有信道类型的可用频点数量 N的比值，即：

式中，N_I、N_II、N_III、N_IV为对应信道类型的可用频点数量。

例如，若中波、短波、超短波、卫星频段可用频点数量分别为2、3、5、7，则短波频段的可用频点的比率为3/17。该比率越大，意味着该信道类型通信设备的频率选择充裕度就越高。

2)最大通信距离d_max：

若已知通信设备接收灵敏度为E_min，则自由空间中的最大通信距离由下式确定：

而非自由空间中的d_max则采用迭代法求解：

以自由空间计算得到的

计算传播衰减

计算第1次修正值：

以第一次修正值计算传播衰减

计算第2次修正值：

以此类推，当第n次修正值

与第n-1次修正值

差值小于规定允许值，此时

即为最大通信距离d_max。

3)通信容量(C)：

C＝Wlog₂(1+ρ), (5)

式中，W为以所选频点f为中心的可用带宽(单位:Hz)，ρ＝10^SNR/10(其中SNR 是单位为dB的接收信噪比)。

4)传输时延τ：

该指标取决于传输距离d和光速c的比值，即

τ＝d/c， (6)

若使用地面通信，式(6)中的d为直接传输路径；若使用卫星通信，则 d＝d_s+d_r(其中d_s、d_r分别为发送端和接收端到卫星的距离)。

5)通信资费(M)

定义为M＝I·u/C_I， (7)

式中，I为传输数据量，C_I为传输速率，u为单位时间内租用频段的价格。

6)频率容限度μ：

μ＝f_d/f_t， (8)

式(8)中f_t为通信设备的频率容差，f_d为设备移动造成的多普勒频移，可计算为：

f_d＝vf_ccosθ/c， (9)

式(9)中c为光速，v为相对移动速度，θ为信号与移动终端移动方向的瞬时夹角。

步骤B：对用户所设各因素重要程度进行分析，得出主观偏好权重，即第一评价权重。

其具体过程如下：

步骤B1:根据层次分析法常用的数量标度，将判决指标两两比较得到判决矩阵。依据建立的层次结构模型中所确立的指标，对指标进行两两比较来确定矩阵元素的值。对于待评估信道m，依据6个指标，可构造如下判断矩阵R：

其中矩阵元素r_ij为指标i与指标j两两比较后的尺度所得值。表2列出了采用判断尺度对要素重要进行赋值时的定义。

判断尺度	定义
		9	表示两个元素比较，前者比后者绝对重要
7	表示两个元素比较，前者比后者重要很多
		5	表示两个元素比较，前者比后者重要
3	表示两个元素比较，前者比后者稍重要
		1	表示两个元素比较，重要程度相同
2，4，6，8	表示上述判断的相邻中间值
		倒数	两目标反过来比较

表2

步骤B2:计算主观偏好权重向量，即第一评价权重。

对于待评估信道m，将判断矩阵中各矩阵元素r_ij相乘,并开n次根。

进一步归一化处理：

则可得待评估信道m的所有指标的主观偏好权重向量为：

步骤B3:进行一致性检验。

求出判断矩阵对应的一致性指标值CI(Consistency Index)。

式(14)中，λ_max为判断矩阵的最大特征值，将计算得到的CI值与平均随机一致性指标值RI进行比较，求出一致性比例值CR(Consistency Ratio)：

若CR<O.1则判断矩阵一致性满足要求，反之应对判断矩阵进行适当调整，判断矩阵为6阶时，RI值为1.26。

步骤C：根据步骤A所建层次结构模型中的各项评价指标对待评估信道进行质量分析，确定客观属性权重，即第二评价权重。

其具体过程如下：

步骤C1:对于待评估信道m，按步骤A中确定的四个方面共6项指标中，按顺序分别赋名为I₁,...,I₆。

其中对I₁(对应为η_c)、I₂(对应为d_max)、I₃(对应为C)而言，其指标值越高，则其质量评价值也应越高；

而对于I₄(对应为τ)、I₅(对应为M)、I₆(对应为μ)而言，其指标值越高，则其质量评价值反而应更低。

很明显，I₁,...,I₆的指标量纲是不一样的，为了定量反映某指标的重要程度，需要对该指标做归一量化处理。

具体而言，对于I₁、I₂、I₃“越大越优型”的评价指标，其量纲归一化客观属性值应计算为：

其中m为某船舶所选用的N个可选信道中的序号，

为该船舶选用第n个信道所对应的第j个指标值。

相应地，对于I₄、I₅、I₆“越小越优型”的评价指标，其量纲归一化客观属性值应计算为：

经过式(16)、(17)处理，可以保证不同量纲的各指标值

都满足

步骤C2:根据步骤C1可以得到待评估信道m的各指标归一化处理后的结果，进而，可构造归一化客观属性向量为：

步骤D：由步骤B2和步骤C2在获得用户对可用信道的主观偏好权重

和信道的客观属性权重

后，依据加权平均法可得用户对该待评估信道m的综合满意度：

由公式(20)计算出的用户满意度最高为1。可根据用户需求对评估结果进行分级判断。表3给出了一种用户满意度分级判断示例分级表。

满意度值	等级
		0.8-1.0	非常满意
0.6-0.8	满意
		0.4-0.6	一般
0-0.4	不满意

表3

需要说明的是，本发明中，所述的评价指示中的可用频点比率η_c，最大通信距离d_max，通信容量C，传输时延τ，通信资费M以及频率容限度μ，可以是上述的各个指标的相互组合使用，不限于上述的六个指标一起组合使用，如可以是其中两个指标的组合，或是排除另一种指标。

进一步的，需要说明的是，本发明中，所述的第一评价权重以及第二评价权重可以单独分别使用，分别进行评价，也可以是综合起来评价，具体不限。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。