CN112600590B - 一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法及系统 - Google Patents

一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法及系统，上行链路和下行链路的载波位于440MHz～460MHz范围内；采用频率分集，频率分集的中心频率相差在甲板反射模型的深度衰落带宽及以上；每个频率分集的载波带宽小于立面反射模型的相干带宽。本发明通过频率分集来抵抗空间选择性衰落和频率选择性衰落，通过频率分集的中心频率差的设置保证频率分集不同时落入深度衰减；同时通过对载波带宽的限制保证信道的平坦特性，通过OFDM技术消除或减弱干扰，适用于强反射环境。

Description

一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信领域,特别是涉及到一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法及系统。
背景技术
目前无线通信技术应用在手持的移动终端上，移动终端在常规应用场合的无线通信系统技术已经比较成熟，但在一些特殊场景下，受到地形或环境的干扰，常规的通信系统不再适用，例如在强反射环境下，存在空间选择性衰落和频率选择性衰落，无线通信会受到非常大的影响，因此需要设计一种适用强反射环境的无线通信系统。
发明内容
本发明提出一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法及系统，能够抵抗空间选择性衰落和频率选择性衰落，适用于强反射环境。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于强反射环境下的双天线双频点通信系统，所述强反射环境包括甲板反射和立面反射；采用双天线，上行链路和下行链路的载波位于440MHz～460MHz范围内；采用频率分集，频率分集的中心频率相差在甲板反射模型的深度衰落带宽及以上；每个频率分集的载波带宽小于立面反射模型的相干带宽。
进一步的，所述甲板反射模型存在直射路径和甲板反射路径，反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化，衰减值还随着频率变化而变化。
进一步的，所述甲板反射模型的深度衰落带宽为9.6MHz。
进一步的，所述立面反射模型存在直射路径和立面反射路径，反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化，衰减值还随着频率的变化而变化。
进一步的，所述立面反射模型的相干带宽为0.7MHz。
进一步的，所述载波带宽采用低阶OFDM调制。
本发明的另一方面，提出了一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法，包括：
(5)上行链路和下行链路的载波位于440MHz～460MHz范围内；
(6)采用频率分集；
(7)频率分集的中心频率至少相差9.6MHz；
(8)每个频率分集的载波带宽小于0.7MHz，采用低阶OFDM调制方式。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过频率分集来抵抗空间选择性衰落和频率选择性衰落，通过频率分集的中心频率差的设置保证频率分集不同时落入深度衰减；同时通过对载波带宽的限制保证信道的平坦特性，通过OFDM技术消除或减弱干扰，适用于强反射环境。
附图说明
图1是本发明实施例的自由空间模型电磁波传播示意图；
图2是本发明实施例的自由空间模型的信道衰减图；
图3是本发明实施例的甲板反射模型电磁波传播示意图；
图4是本发明实施例的甲板反射模型的信道衰减图；
图5是本发明实施例的甲板反射模型中不同距离下的幅频特性图一；
图6是本发明实施例的甲板反射模型中不同距离下的幅频特性图二；
图7是本发明实施例的立面反射模型电磁波传播示意图；
图8是本发明实施例的立面反射模型的信道衰减值；
图9是本发明实施例的双反射模型的信道衰减图；
图10是本发明实施例的反射模型的多径时延图；
图11是本发明实施例的立面反射模型的幅频特性图；
图12是本发明实施例的甲板反射和立面反射模型中的幅频特性图一；
图13是本发明实施例的甲板反射和立面反射模型中的幅频特性图二。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明应用场景是在甲板上存在甲板反射和立面反射的强反射环境下。
一、自由空间模型
当甲板比较空旷，且其反射系数为0(即甲板不反射电磁波)时，如图1所示，无线分配天线与手持终端天线之间只存在直射路径，信道模型近似为自由空间模型。此时只存在路径损耗。
直射路径的传播距离d0与无线分配天线的高度ht、手持终端天线的高度hr和两者的水平距离d相关：
Figure BDA0002828471860000031
根据电磁波传播理论可知，信号衰减值L0的计算如下式所示：
L0＝92.44+20×log10(f)+20×log10(d0)
上式中的f为信号载波频率，取值450，单位MHz；d0的单位为m。
则信号衰减值与收发天线距离的关系如图2所示。
二、甲板反射模型
当甲板反射系数不为0时，且甲板比较空旷时，无线分配天线与手持终端天线之间存在直射路径和甲板反射路径，信道模型为直射-反射模型，如图3所示。此时不仅存在路径损耗，且由于反射路径与直射路径之间的距离差与载波波长相当，因此反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化。同时由于相位差与频率相关，衰减值还随着频率的变化而变化。
反射波与直射波的路径差为：
Figure BDA0002828471860000032
反射波与直射波的相位差为：
Figure BDA0002828471860000033
反射波与直射波相加后的路径损耗L1为：
Figure BDA0002828471860000041
其中Γ为甲板的反射系数，当Γ为0时，该模型等价于自由空间模型，当Γ为1时，路径损耗的变化最剧烈。
如图4所示给出了Γ＝1时，440.8MHz和459.2MHz两种载波的信道衰减值与收发天线水平距离的关系。从中可以看到，在甲板的某些地方存在衰落，接收信号的幅度大幅衰落，可能导致接收机不能正常工作。而在某些地方，由于反射信号和直射信号的叠加，信号幅度增加，提高了接收信号的信噪比；因此存在空间扩展。同时可以看到不同频率电磁波的衰落位置不一样，因此可利用频率分集实现空间分集(如紫色虚线所示)，以提高系统的抗衰落能力。
图5和图6给出了在甲板反射模型中不同距离条件下的幅频特性，可知在系统可用20MHz带宽内，信道就有频率选择性衰落。则甲板反射模型假设条件下，本系统的无线信道是空间和频率选择性信道。
三、立面反射模型
当手持终端附近有飞机(立面)的反射系数不为0时，且甲板比较空旷时，无线分配天线与手持终端天线之间存在直射路径和立面反射路径，且不存在甲板反射路径时，信道模型为直射-反射模型，如图7所示。此时不仅存在路径损耗，且由于反射路径与直射路径之间的距离差与载波波长相当，因此反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化。同时由于相位差与频率相关，衰减值还随着频率的变化而变化。
反射波与直射波的路径差为：
Figure BDA0002828471860000042
反射波与直射波的相位差为：
Figure BDA0002828471860000043
反射波与直射波相加后的路径损耗L1为：
Figure BDA0002828471860000044
其中Γ为甲板的反射系数，当Γ为0时，该模型等价于自由空间模型，当Γ为1时，路径损耗的变化最剧烈。
图8给出了Γ＝1和d1＝2m时，440.8MHz和459.2MHz两种载波的信道衰减值与收发天线水平距离的关系；图11给出了在立面反射模型中的幅频特性，从图8可以看到，在某些地方存在衰落，接收信号的幅度大幅衰落，可能导致接收机不能正常工作。而在某些地方，由于反射信号和直射信号的叠加，信号幅度增加，提高了接收信号的信噪比；因此存在空间扩展。同理，在该模型中，无线信道也是频率选择性信道。同时可以看到不同频率电磁波的衰落位置不一样，因此与甲板反射模型类似，可利用频率分集实现空间分集，以提高系统的抗衰落能力。
四、双反射模型
当手持终端附近只有一架飞机时，存在直射路径、甲板反射路径和立面反射路径，为双反射模型。
图9给出了各条路径的信道衰减值与距离的变化情况，同时也给出了三条路径的合成情况，可以发现双反射模型引起的空间选择性被减弱了。两条反射路径相当于实现了空间分集，提供了系统的抗衰落能力。不过依然存在空间选择性衰落和频率选择性衰落。
图12和13给出了双反射模型的幅频特性。
由以上三种模型可知，本系统的无线传播信道是空间选择性和频率选择性信道。由于空间选择性与频率是相关的，因此可通过频率分集来抵抗空间选择性衰落和频率选择性衰落。
四、相干频率
当立面位于船舶的边缘时，可假设其与无线分配天线的距离为200m，此时立面反射具有多径中的最大时延。图10给出了甲板反射和立面反射与收发天线距离的关系。从图10可知，多径的延时不大于1.4us，由多径引入的相干频率要小于714KHz。
通过对甲板上的无线通信信道进行分析，可知在一般情况下，系统分配的20MHz带宽信道属于频率、空间和角度选择性慢衰落(时间非选择性)信道；而在特殊情况下，该信道可能为频率、时间、空间选择性衰落信道。同时船舶上的电磁环境比较负责，可能产生各种干扰信号。为了保证该无线传输系统的可靠性，应针对信道这种特殊性进行设计。
当不采用频率分集时，信道衰减值在45dB～120dB(75dB动态范围)；采用频率分集后的信道衰减范围为45dB～95dB(50dB动态范围)。而来自遮蔽(阴影衰落)和大幅度反射的平均路径损失呈正态(高斯)分布，信号衰减的典型值为6～10dB；在非视距小幅度衰落的最坏情况下，多径各部分完全反相而发生最深度衰落，此时的信号衰减将达到20～30dB；因此系统应具有40dB的衰落余量。综上所述，信道的衰减范围为45dB～135dB，动态范围达到90dB；即在设计设备时，应具有90dB的动态调整能力。
本发明的目的是提高ADS-B数据帧检测概率和符号同步的，减少同步的失步率和误帧率，提高ADS-B接收的灵敏度，扩大ADS-B监测范围。
本发明的技术方案如下：
根据上述分析可知该无线系统的传输信道是空间和频率选择性衰落，而且船舶的电磁环境非常复杂，所以在建立通信连路之前和通信过程中，必须对信道进行选择。而选择的基础则是对信道的建模和对外部电磁环境准确全面的监测，在监测基础上调整通信方式和通信链路来应对。
信道选择设计方案为：甲板反射模型中的相干带宽为300MHz，立面反射模型中的相干带宽为63MHz。当d1＝100m～200m时，立面反射模型的相干带宽约为0.7MHz。因此本方案将单载波带宽设计为小于0.7MHz，以保证信道的平坦特性。
当信号带宽小于700KHz时，信道是平坦信道，但是依然存在两个问题：
(1)当信号处于深度衰落边缘时，信道存在不理想的幅频特性，而这可能导致信号在时域上的扩展，引起符号间干扰(ISI)。
(2)采用频率分集的两个信号可能都处于深度衰落中，导致接收机不能正确解调信号。
针对第一个问题，可以采用均衡器对信道进行补偿和OFDM技术，消除或减弱符号间干扰。针对第二个问题，必须使用2个频率的频率分集来保证某一分集不处于深度。
定义深度衰落带宽是相对信号最大值差值为-30dB的最近两个频率的间距。以甲板反射模型(d＝56.5m)为例，其深度衰落带宽为9.6MHz(454.5-444.9MHz)；而在立面反射模型(d＝56.5m，d1＝2m)中，其深度衰落带宽则较小。在使用2个频率分集时，这2个频率分集的频率差不能小于9.6MHz，否则2个载波可能同时落入甲板反射模型中的深度衰落中。
根据以上分析可知，在对该系统的信道进行选择的原则如下：
(9)上行链路和下行链路的载波应位于440MHz～460MHz范围内；
(10)需采用频率分集来抵抗空间/频率选择性衰落；
(11)频率分集的中心频率至少相差9.6MHz；
(12)每个频率分集的载波带宽应小于0.7MHz，本方案采用低阶OFDM调制方式来保证载波带宽小于0.7MHz；
(13)每个载波的位置应避开强干扰。
为了使得系统满足以上选择原则，需要进行以下工作：设计无线分配装置的信道扫描功能；设计信道列表、列表定时更新和列表维护功能；设计根据信道列表选择最佳信道功能；设计能够反映信道状态的各种参数输出功能。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于强反射环境下的双天线双频点通信系统，所述强反射环境包括甲板反射和立面反射；其特征在于，采用双天线，上行链路和下行链路的载波位于440MHz~460MHz范围内；采用频率分集，频率分集的中心频率相差在甲板反射模型的深度衰落带宽及以上；每个频率分集的载波带宽小于立面反射模型的相干带宽；
所述甲板反射模型存在直射路径和甲板反射路径，反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化，衰减值还随着频率变化而变化；
所述深度衰落带宽是相对信号最大值差值为-30dB的最近两个频率的间距；
所述甲板反射模型的深度衰落带宽为9.6MHz；
所述立面反射模型存在直射路径和立面反射路径，反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化，衰减值还随着频率的变化而变化；
所述立面反射模型的相干带宽为0.7MHz。
2.根据权利要求1所述的一种用于强反射环境下的双天线双频点通信系统，其特征在于，所述载波带宽采用低阶OFDM调制。
3.一种用于强反射环境下的双天线双频点通信方法，其特征在于，包括：
所述强反射环境包括甲板反射和立面反射；
（1）上行链路和下行链路的载波位于440MHz~460MHz范围内；
（2）采用频率分集；
（3）频率分集的中心频率相差在甲板反射模型的深度衰落带宽及以上，至少相差9.6MHz；所述甲板反射模型存在直射路径和甲板反射路径，反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化，衰减值还随着频率变化而变化；所述深度衰落带宽是相对信号最大值差值为-30dB的最近两个频率的间距；
（4）每个频率分集的载波带宽小于立面反射模型的相干带宽，小于0.7MHz，采用低阶OFDM调制方式；所述立面反射模型存在直射路径和立面反射路径，反射和直射电磁波的相位差和衰减值随着位置进行变化，衰减值还随着频率的变化而变化。
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