孫鳳娟,柳 文,李鐵成
(中國電波傳播研究所青島分所,山東青島 266107)
短波通信以其抗摧毀能力強(qiáng)、靈活性高、設(shè)備簡單及造價(jià)低廉等特點(diǎn),成為世界各國中、遠(yuǎn)程通信的主要手段。但是,短波通信也有其缺點(diǎn)。由于電離層媒質(zhì)的時(shí)變、色散特性再加上環(huán)境和人為的干擾,使其通信質(zhì)量低、誤碼率高,如果不采用信道自適應(yīng)技術(shù)加以克服,很難滿足用戶對(duì)通信服務(wù)的需求[1,2]。高頻自適應(yīng)技術(shù)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多信道進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的估值,這就是人們通常所說的實(shí)時(shí)信道估值技術(shù),即RTCE技術(shù)。實(shí)時(shí)信道估值的含義是實(shí)時(shí)測(cè)量一組信道參數(shù),并利用得到的參數(shù)來定量描述信道的狀態(tài)和對(duì)傳輸各通信業(yè)務(wù)的能力。
通常,表征短波信道性能的參數(shù)一般有信號(hào)能量、噪聲功率、多徑擴(kuò)展、多普勒頻移、多普勒展寬、衰落率和衰落深度等[3~5]。這些參數(shù)都從不同的側(cè)面描述了信道的特征。為了便于研究短波各信道參量對(duì)短波通信質(zhì)量的影響,電波所在新鄉(xiāng)和青島之間搭建起綜合試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)融斜測(cè)和通信于一體,其最大的優(yōu)勢(shì)在于斜測(cè)和通信都采用同一套硬件設(shè)備,不存在探測(cè)與通信之間設(shè)備不匹配的問題,再者信道探測(cè)和通信同時(shí)進(jìn)行,也不存在探測(cè)與通信之間時(shí)間上的差異,這兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)保證了分析信道特征信息對(duì)短波通信質(zhì)量影響的可信度。
依據(jù)上述試驗(yàn)平臺(tái)錄取數(shù)據(jù)進(jìn)行了信道特征參量及通信誤碼率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算,分析了各特征參量對(duì)誤碼率的影響,并提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)J降亩滩ㄍㄐ刨|(zhì)量評(píng)估方法。
本次電離層斜向探測(cè)與短波通信誤碼率同步測(cè)量試驗(yàn)開展于2010年1月至6月之間,每月進(jìn)行一次試驗(yàn),每次試驗(yàn)時(shí)間為5~10天,每天基本上涵蓋日出、日落、白天、夜晚四個(gè)時(shí)段。
試驗(yàn)采用掃頻工作方式,掃頻范圍6~25 MHz,步進(jìn)1 MHz,每個(gè)頻點(diǎn)駐留2 048個(gè)信號(hào)重復(fù)周期,以便獲取信道散射函數(shù)及通信誤碼率。每個(gè)掃頻周期開始之前,先進(jìn)行一次電離層常規(guī)探測(cè),獲取該時(shí)段的斜向探測(cè)掃頻電離圖[6],輔助辨識(shí)電離層傳播模式,獲取信道特征信息。
文獻(xiàn)資料[7]指出外部干擾對(duì)短波通信的影響非常大,約有80%的通信中斷是由外部干擾引起的。因此,進(jìn)行短波通信選頻時(shí)應(yīng)該避開那些被干擾的頻點(diǎn),選擇沒有干擾或干擾相對(duì)較小的頻點(diǎn)進(jìn)行通信,借助干擾檢測(cè)儀可以很容易地實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。為此,分析信道參量對(duì)通信質(zhì)量影響時(shí),并沒有著重分析干擾的影響,而是避開了強(qiáng)干擾頻點(diǎn),重點(diǎn)分析其余參量的影響。因此,數(shù)據(jù)選取時(shí)首先依據(jù)接收到的通信信號(hào)時(shí)域、頻域特征將強(qiáng)干擾頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除。
另一方面,短波數(shù)據(jù)傳輸中對(duì)誤碼率的要求一般是在信噪比為10 dB條件下制定的,因此數(shù)據(jù)處理時(shí)主要選取信噪比大于10 dB的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
該試驗(yàn)需要提取的信息包括兩部分:信道特征信息和通信誤碼率信息。其中,通信誤碼率信息是通過對(duì)接收到的通信信號(hào)進(jìn)行譯碼計(jì)算得到,而信道特征信息則是通過對(duì)斜向定頻探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算得到。
前面已經(jīng)提到發(fā)射的信號(hào)為二元偽隨機(jī)調(diào)相信號(hào),屬絕對(duì)移相信號(hào)。鑒于絕對(duì)移相信號(hào)對(duì)傳輸過程中的相位擾動(dòng)比較敏感,進(jìn)行譯碼處理時(shí)將發(fā)射的“絕對(duì)移相”信號(hào)視為“相對(duì)移相”信號(hào),采用2DPSK方式進(jìn)行譯碼,并將譯碼結(jié)果與發(fā)射碼序列的“相對(duì)序列”進(jìn)行比對(duì),統(tǒng)計(jì)每個(gè)碼序列上的誤碼數(shù)及連續(xù)2 048個(gè)碼序列的累積誤碼率。
至于信道特征信息的提取,綜合考察各個(gè)參數(shù)的影響,提取了信噪比、衰落深度、衰落率、多徑散布、各模式信號(hào)幅度、群距離、主模式相位、多普勒頻移及多普勒擴(kuò)展等參量,具體定義及提取方法如下。
a)信噪比
信號(hào)能量與噪聲功率的比值。計(jì)算時(shí)首先利用沒有信號(hào)到達(dá)的噪聲子樣計(jì)算噪聲功率,然后利用該噪聲功率作為門限對(duì)接收的每個(gè)信號(hào)子樣進(jìn)行判決,僅利用大于門限的子樣進(jìn)行信號(hào)能量計(jì)算。
b)衰落深度和衰落率[8]
接收信號(hào)幅度累積分布曲線上90%與10%兩點(diǎn)之間所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度之差為衰落深度;衰落率則定義為單個(gè)小m序列周期內(nèi)以正斜率越過中值電平的次數(shù)。
c)多徑擴(kuò)展[9]
定義模式識(shí)別后,第一個(gè)傳播模式3 dB上升沿與最后一個(gè)傳播模式3 dB下降沿之間的時(shí)延差為多徑擴(kuò)展,當(dāng)只存在一種傳播模式時(shí),多徑擴(kuò)展等于該模式的時(shí)延擴(kuò)展,用3 dB寬度表征。
d)各模式信號(hào)幅度、群距離
模式識(shí)別后,選取每個(gè)模式幅度最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的群距離和幅度值作為該模式的群距離和幅度。
e)主模式相位、多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展
定義第一個(gè)能夠識(shí)別的傳播模式為主傳播模式,其幅度最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位為主模式瞬時(shí)相位;當(dāng)接收信噪比較大時(shí),該值表征電離層相位擾動(dòng)引起的主模式相位的變化量;將相干積累時(shí)間內(nèi)多個(gè)主模式相位進(jìn)行周期延拓,然后用直線去擬合,得到的直線斜率便為主模式的多普勒頻移,而擬合后剩余的殘差項(xiàng)表征多普勒擴(kuò)展。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究結(jié)果表明,信噪比是影響短波通信的一個(gè)主要因素。給出兩個(gè)分析實(shí)例如圖1、圖2所示,圖中曲線a表征每幀數(shù)據(jù)內(nèi)誤碼個(gè)數(shù)的變化趨勢(shì),曲線b表征每幀數(shù)據(jù)接收信噪比的變化情況,由此可以明顯看出,除了個(gè)別時(shí)段信噪比較高、誤碼率也比較高(后續(xù)分析可知這是由其他原因?qū)е?外,其余時(shí)段都有信噪比降低誤碼率升高的規(guī)律,這表明接收信噪比低會(huì)引起較高的誤碼。
定量分析結(jié)果表明,除個(gè)別點(diǎn)外,大致存在通信誤碼率隨接收信噪比的增大而減小的趨勢(shì),且絕大部分高誤碼點(diǎn)都發(fā)生在接收信噪比小于10 dB的地方。2010年5月份實(shí)測(cè)短波通信誤碼率與接收信噪比的累積分布曲線如圖3所示,從圖3中可以看出,約有95%的誤碼發(fā)生在接收信噪比低于9.2 dB的情況。
圖3 實(shí)錄誤碼率與接收信噪比的累積分布關(guān)系
將一個(gè)定頻積累周期內(nèi)小m序列對(duì)應(yīng)的衰落深度變化曲線與對(duì)應(yīng)周期內(nèi)誤碼數(shù)的變化曲線、接收信噪比的變化曲線比較后發(fā)現(xiàn):衰落深度對(duì)誤碼的影響主要發(fā)生在信噪比較低的情況,整體信噪比越高,衰落深度的影響越弱。在信噪比較低的情況下,即使衰落深度不是很大,也可造成很高的誤碼;而如果整體信噪比較高,即使衰落深度較大,也不一定產(chǎn)生誤碼,這也說明,信噪比和衰落深度對(duì)誤碼的影響不是獨(dú)立的,二者存在一定的相關(guān)性。與圖2相對(duì)應(yīng)的衰落深度與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系圖如圖4所示,由此可以看出衰落深度出現(xiàn)明顯尖峰的區(qū)域,通常會(huì)出現(xiàn)誤碼數(shù)突增。
圖4 衰落深度與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系圖
衰落率與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系,如圖5所示,表明誤碼與衰落率的變化關(guān)系不明顯,意味著通信誤碼率對(duì)衰落率的依賴性不強(qiáng),不能僅依據(jù)衰落率的大小評(píng)估通信誤碼率的高低。
圖5 衰落率與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系圖
此次綜合試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn),相位擾動(dòng)是造成誤碼的重要因素。2010年5月7日14時(shí)24分的一次試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。其中,圖6(a)為信號(hào)瞬時(shí)相位與誤碼數(shù)的關(guān)系,圖中直線為相位判決門限。從圖中可以看出瞬時(shí)相位共有11次擴(kuò)越判決門限,引起相當(dāng)大的誤碼。由于瞬時(shí)相位已經(jīng)測(cè)得,根據(jù)實(shí)測(cè)的瞬時(shí)相位進(jìn)行相位補(bǔ)償,相位補(bǔ)償前后誤碼數(shù)的對(duì)比如圖6(b)所示。
相位補(bǔ)償后,該時(shí)段內(nèi)的累積誤碼率由原來的11.289 8%降至1.199%,降了約10個(gè)百分點(diǎn),這表明該時(shí)段內(nèi)的誤碼主要由電離層相位擾動(dòng)引起的,約占誤碼總數(shù)的89.38%。這充分說明電離層相位擾動(dòng)會(huì)引起很高的誤碼。
大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析顯示:單一傳播模式下,細(xì)微多徑散布對(duì)誤碼率的影響不大,多種模式之間的碼間串?dāng)_才是引起誤碼的重要因素。此外還發(fā)現(xiàn),多種傳播模式對(duì)通信誤碼率的影響不能單純用多徑散布來描述,需綜合考慮主副模式比的影響。多徑效應(yīng)對(duì)誤碼率影響的示例圖如圖7所示,其中圖7(a)為誤碼率與多徑散布的對(duì)照關(guān)系,圖7(b)為誤碼數(shù)與主副模式比的對(duì)照關(guān)系。由此可以看出,多徑散布對(duì)誤碼數(shù)的影響不明顯,高誤碼數(shù)主要發(fā)生在主副模式比小的情況。
2010年5月份實(shí)錄多模數(shù)據(jù)在平均接收信噪比大于10 dB情況下,相位補(bǔ)償后誤碼率隨主副模式比的變化關(guān)系如圖8所示,對(duì)應(yīng)相同數(shù)據(jù)、相位補(bǔ)償后誤碼率與多徑散布的變化關(guān)系如圖9所示。圖形顯示,相位補(bǔ)償后累積誤碼率隨主副模式比的增大有逐漸減小的趨勢(shì)。因此,采用主副模式比作為量化多徑效應(yīng)對(duì)通信誤碼率影響的參量。
前4小節(jié)單獨(dú)描述了影響短波通信質(zhì)量的因素,事實(shí)上,這些因素并不是獨(dú)立存在,往往是多種因素的綜合效果影響短波通信的質(zhì)量。但是如何評(píng)估這些因素對(duì)通信的綜合影響,卻是一個(gè)需要深入研究的問題。
基于對(duì)綜合試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)錄數(shù)據(jù)的深入分析,提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)J矫枋龆喾N因素綜合影響通信質(zhì)量的方法。其基本思想是基于大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),擬合通信誤碼率關(guān)于不同影響因素的多元函數(shù),該函數(shù)稱為經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式,而模式的相關(guān)參數(shù)稱為經(jīng)驗(yàn)評(píng)估系數(shù),然后基于實(shí)測(cè)的信道參數(shù)和相關(guān)參數(shù),代入該經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式便可定量評(píng)估這些參數(shù)對(duì)通信質(zhì)量的影響。
描述相位擾動(dòng)的參量——多普勒頻移和多普勒展寬與相位擾動(dòng)引起的誤碼率之間的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)J饺鐖D10所示;利用未參與擬合的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該經(jīng)驗(yàn)?zāi)J降囊粋€(gè)結(jié)果如圖11所示,從圖11中可以看出,基于實(shí)測(cè)的多普勒頻移和展寬預(yù)測(cè)的誤碼率與實(shí)測(cè)誤碼率能夠很好的吻合。
此外,也開展了基于斜向探測(cè)得到的信噪比和衰落深度評(píng)估通信質(zhì)量的研究,通過對(duì)2010年1月至2010年6月連續(xù)6次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì),初步擬合出接收信噪比低引起的誤碼率隨接收信噪比、衰落深度變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,如圖12所示。
利用未參與擬合的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷囊粋€(gè)結(jié)果如圖13所示,從圖13中可以看出,基于實(shí)測(cè)的接收信噪比和衰落深度預(yù)測(cè)的接收信噪比低引起的誤碼率與實(shí)測(cè)誤碼率吻合的比較好,表明該經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模型具有一定的實(shí)效性。
基于綜合試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)錄信道參量對(duì)通信誤碼率影響的定量分析可以得到兩點(diǎn)結(jié)論。
(1)當(dāng)信道中不存在外部干擾,且信噪比達(dá)到一定量值時(shí),各信道參量引起的誤碼率確實(shí)可由相應(yīng)的信道參量的大小來度量。但是要綜合評(píng)估某一頻點(diǎn)下通信誤碼率的大小,還需要綜合考慮各信道參量的影響。
(2)當(dāng)系統(tǒng)可以容忍較大誤碼時(shí),可采用簡單的方法來評(píng)估,即:對(duì)于單一傳播模式,主要考慮電離層相位擾動(dòng)引起的誤碼率和接收信噪比低引起的誤碼率之和的大小;而對(duì)于多種傳播模式,則主要考慮電離層相位擾動(dòng)引起的誤碼和主副模式比較小(多徑效應(yīng))引起的誤碼率之和的大小。
目前,只是基于有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了一些理論研究工作,得到的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式不一定具有普適性。但是,研究結(jié)果表明基于經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式的思想評(píng)估短波通信質(zhì)量是可行的。此外,在研究中也發(fā)現(xiàn),不同時(shí)段(如日出、日落時(shí)段)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式及系數(shù)是不同的,因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中,不能簡單采用已有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)J?,而是通過大量積累信道探測(cè)和通信的歷史數(shù)據(jù),采用就近原則,利用接近當(dāng)前時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)重建經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式或模式的系數(shù),實(shí)時(shí)評(píng)估當(dāng)前信道參數(shù)對(duì)通信的影響,可能會(huì)取得更好的效果。
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