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)

0 引言

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。

1 試驗(yàn)安排

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。

2 數(shù)據(jù)選取及信息提取方法

2.1 數(shù)據(jù)選取方法

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。

2.2 信息提取方法

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。

3 信道參數(shù)對(duì)誤碼率影響的分析

3.1 信噪比

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

3.2 衰落深度和衰落率

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。

3.3 相位擾動(dòng)

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。

3.4 多徑效應(yīng)

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。

3.5 經(jīng)驗(yàn)評(píng)估模式

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。

4 結(jié)語

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。

［1］戴耀森.高頻時(shí)變信道［M］.北京:人民郵電出版社，1985.

［2］凡俊梅，馬小村，李雪，等.電離層不均勻體對(duì)短波信號(hào)影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(3):443-448.

［3］魯轉(zhuǎn)俠，凡俊梅，柳文，等.短波信道時(shí)間選擇性衰落特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2011(6):597-602.

［4］凡俊梅，吳振森，焦培南，等.電離層不同傳播模式信號(hào)衰落的實(shí)驗(yàn)研究［J］.武漢科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，55(2):244-248.

［5］凡俊梅，焦培南，吳振森，等.電離層不同傳播模式信號(hào)多普勒頻移的實(shí)驗(yàn)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(1)，34-40.

［6］凡俊梅，魯轉(zhuǎn)俠，焦培南.電離層斜向傳播模式的智能判別［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(3):471-475.

［7］戴耀森.短波數(shù)字通信自適應(yīng)選頻技術(shù)［M］.浙江:浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

［8］孫鳳娟，焦培南，李鐵成.短波信道衰落特性試驗(yàn)研究與仿真［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009(4):399-403.

［9］DAVIES N C，CANNON P S.DAMSON-A System to Measure Multipath Dispersion，Doppler Spread and Doppler Shift on Multi-Mechanism Communications Channels［C］.CP-543，AGARD CP 543，1993.