電離層信道特征參數(shù)對短波通信質(zhì)量影響的試驗(yàn)分析

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。該平臺融斜測和通信于一體，其最大的優(yōu)勢在于斜測和通信都采用同一套硬件設(shè)備，不存在探測與通信之間設(shè)備不匹配的問題，再者信道探測和通信同時(shí)進(jìn)行，也不存在探測與通信之間時(shí)間上的差異，這兩個(gè)方面的優(yōu)勢保證了分析信道特征信息對短波通信質(zhì)量影響的可信度。

依據(jù)上述試驗(yàn)平臺錄取數(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)量評估方法。

1 試驗(yàn)安排

本次電離層斜向探測與短波通信誤碼率同步測量試驗(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，獲取該時(shí)段的斜向探測掃頻電離圖［6］，輔助辨識電離層傳播模式，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較小的頻點(diǎn)進(jìn)行通信，借助干擾檢測儀可以很容易地實(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接收到的通信信號進(jìn)行譯碼計(jì)算得到，而信道特征信息則是通過對斜向定頻探測結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算得到。

前面已經(jīng)提到發(fā)射的信號為二元偽隨機(jī)調(diào)相信號，屬絕對移相信號。鑒于絕對移相信號對傳輸過程中的相位擾動比較敏感，進(jìn)行譯碼處理時(shí)將發(fā)射的“絕對移相”信號視為“相對移相”信號，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“相對序列”進(jìn)行比對，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

信號能量與噪聲功率的比值。計(jì)算時(shí)首先利用沒有信號到達(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接收的每個(gè)信號子樣進(jìn)行判決，僅利用大于門限的子樣進(jìn)行信號能量計(jì)算。

b)衰落深度和衰落率［8］

接收信號幅度累積分布曲線上90%與10%兩點(diǎn)之間所對應(yīng)的信號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)各模式信號幅度、群距離

模式識別后，選取每個(gè)模式幅度最大點(diǎn)對應(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)能夠識別的傳播模式為主傳播模式，其幅度最大點(diǎn)對應(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，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，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序列對應(yīng)的衰落深度變化曲線與對應(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相對應(yīng)的衰落深度與誤碼數(shù)的對照關(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，通常會出現(xiàn)誤碼數(shù)突增。

圖4 衰落深度與誤碼數(shù)的對照關(guān)系圖

衰落率與誤碼數(shù)的對照關(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衰落率的依賴性不強(qiáng)，不能僅依據(jù)衰落率的大小評估通信誤碼率的高低。

3.3 相位擾動

圖5 衰落率與誤碼數(shù)的對照關(guān)系圖

此次綜合試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，相位擾動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)測得，根據(jù)實(shí)測的瞬時(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會引起很高的誤碼。

3.4 多徑效應(yīng)

大量實(shí)測數(shù)據(jù)的分析顯示:單一傳播模式下，細(xì)微多徑散布對誤碼率的影響不大，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照關(guān)系，圖7(b)為誤碼數(shù)與主副模式比的對照關(guān)系。由此可以看出，多徑散布對誤碼數(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。因此，采用主副模式比作為量化多徑效應(yīng)對通信誤碼率影響的參量。

3.5 經(jīng)驗(yàn)評估模式

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。但是如何評估這些因素對通信的綜合影響，卻是一個(gè)需要深入研究的問題。

基于對綜合試驗(yàn)平臺實(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)評估模式，而模式的相關(guān)參數(shù)稱為經(jīng)驗(yàn)評估系數(shù)，然后基于實(shí)測的信道參數(shù)和相關(guān)參數(shù)，代入該經(jīng)驗(yàn)評估模式便可定量評估這些參數(shù)對通信質(zhì)量的影響。

描述相位擾動的參量——多普勒頻移和多普勒展寬與相位擾動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)測的多普勒頻移和展寬預(yù)測的誤碼率與實(shí)測誤碼率能夠很好的吻合。

此外，也開展了基于斜向探測得到的信噪比和衰落深度評估通信質(zhì)量的研究，通過對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停鐖D12所示。

利用未參與擬合的實(shí)測數(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)測的接收信噪比和衰落深度預(yù)測的接收信噪比低引起的誤碼率與實(shí)測誤碼率吻合的比較好，表明該經(jīng)驗(yàn)評估模型具有一定的實(shí)效性。

4 結(jié)語

基于綜合試驗(yàn)平臺實(shí)錄信道參量對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估，即:對于單一傳播模式，主要考慮電離層相位擾動引起的誤碼率和接收信噪比低引起的誤碼率之和的大小;而對于多種傳播模式，則主要考慮電離層相位擾動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)評估模式的思想評估短波通信質(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)評估模式或模式的系數(shù)，實(shí)時(shí)評估當(dāng)前信道參數(shù)對通信的影響，可能會取得更好的效果。

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