艦船無線通信設(shè)備的干擾建模和性能分析

何方敏，劉芳，唐健，李毅

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艦船無線通信設(shè)備的干擾建模和性能分析

何方敏1，劉芳2，唐健1，李毅1

（1. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033；2. 中信建筑設(shè)計研究總院有公司，武漢 430014）

利用隨機幾何理論建立了艦船無線通信設(shè)備的干擾模型，并在此基礎(chǔ)上分析了多種信道參數(shù)對無線通信設(shè)備性能的影響。本文首先理論分析了在艦船環(huán)境下的無線通信干擾源分布的系統(tǒng)模型。其次，基于隨機幾何理論討論了船體區(qū)域中的干擾對無線通信設(shè)備性能的影響，并給出了干擾和積分形式的表達(dá)式。最后仿真分析了多種無線通信信道參數(shù)對設(shè)備性能的影響。仿真結(jié)果表明，信道狀況對無線通信設(shè)備的性能有很大的影響，合理部署無線通信設(shè)備可有效的改善無線通信性能。

無線通信 隨機幾何理論 干擾模型 容量

0 引言

艦船上的大功率發(fā)射機和寬帶接收機同時工作時，由于空間距離近，會產(chǎn)生干擾。特別是大功率發(fā)射機、阻塞式干擾機工作時，己方接收機受干擾尤為嚴(yán)重。因此無線傳輸需要在時域、頻域、和/或空域之間進行分離，以避免產(chǎn)生較大的干擾。相對而言，時域和頻域的干擾可以通過位置配置，將干擾的影響盡可能地減小。而空域的干擾由于受麥克斯韋方程的限定，很難采取有效措施來降低對相鄰接收端的干擾，從而影響目的接收信號的強度并導(dǎo)致信干比下降。

由于空間配置有無限種可能的變化，很難針對某一種具體的配置來設(shè)計常用系統(tǒng)；因此有必要考慮節(jié)點分布的統(tǒng)計模型，利用統(tǒng)計的分布來模擬可能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓??？紤]到在無線通信環(huán)境中通信節(jié)點間的距離對網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響，通常用隨機點過程（Stochastic point process），來模擬節(jié)點的空間位置分布[1-2]。隨機點過程是一種具有較高空間維度（二維平面或者三維空間）的廣義點過程。而隨機幾何（Stochastic geometry）理論提供了分析干擾分布和鏈路中斷等指標(biāo)的數(shù)學(xué)工具，能對網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計性能做出合理評估，并且還能對單個接收節(jié)點或鏈路進行精確的數(shù)學(xué)分析，以便于進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究。在這類隨機點過程中，由于泊松點過程（Poisson Point Process（PPP））的解析易控性和對隨機分布或者移動節(jié)點位置建模的合理性等優(yōu)點，是目前使用最廣泛的隨機點過程[3]。

1 系統(tǒng)模型

利用坎貝爾定理可以很方便的分析艦船上的無線網(wǎng)絡(luò)中用戶集合所產(chǎn)生的干擾。而泊松點過程由于其簡單實用性，已廣泛應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置分布建模。下面文章將嘗試?yán)每藏悹柖ɡ韥韺ε灤瑹o線通信設(shè)備的干擾進行建模。

2 艦船無線通信系統(tǒng)性能分析

由（2）可知，分析艦船無線網(wǎng)絡(luò)用戶集合所產(chǎn)生的干擾首先需要分析單個節(jié)點產(chǎn)生干擾的概率密度函數(shù)。

圖1 艦船無線通信節(jié)點分布圖

為了簡化分析，我們考慮干擾節(jié)點的平均發(fā)射功率[]=0。在（3）中，由于和均為常數(shù)，干擾節(jié)點到目標(biāo)設(shè)備的距離服從泊松分布，因此()就和路徑衰減的概率密度函數(shù)相關(guān)?？紤]無線通信路徑衰減的一般情況，平坦衰落信道下的包絡(luò)一般服從Nakagami-m分布，而功率則服從Gamma分布[7]，即：

且

將（3）和（4）代入到（2）中，并對艦船區(qū)域的面積進行圍線積分，可以得到艦船目標(biāo)設(shè)備受到的總干擾特征函數(shù)的表達(dá)式：

對（6）進行反傅里葉變換，得到艦船區(qū)域內(nèi)干擾節(jié)點產(chǎn)生的總干擾功率的概率密度函數(shù)。

3 艦船通信中斷概率的分析仿真

圖2 不同干擾節(jié)點密度條件下的發(fā)射功率

圖3 不同反比例參數(shù)條件下的發(fā)射功率

4 總結(jié)與展望

從已有的仿真結(jié)果來看，節(jié)點密度的增加會使發(fā)射功率的峰值右移，使系統(tǒng)所需要的平均發(fā)射功率增加，這是由于當(dāng)系統(tǒng)場景的其它參數(shù)不變時，單純增加干擾節(jié)點的個數(shù)會使總干擾功率增加，并使得目標(biāo)節(jié)點維持同樣的信噪比所需的發(fā)射功率增加；Gamma分布的形狀參數(shù)和反比例參數(shù)增加都會使發(fā)射功率的峰值左移，使系統(tǒng)所需要的平均發(fā)射功率減少，這是由于當(dāng)Gamma分布的形狀參數(shù)和反比例參數(shù)增加時，路徑衰減的增加，如果干擾節(jié)點的發(fā)射功率不變，那么到目標(biāo)節(jié)點的干擾功率下降，最終使得目標(biāo)節(jié)點維持同樣的信噪比所需的發(fā)射功率減少。

由于艦船無線通信場景的復(fù)雜性，在未來的工作中，我們將進一步對無線傳輸場景進行建模分析，開展更為深入的研究。

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Modeling and Performance Analysis of Wireless Communication Devices for a Ship

He Fangmin1, Liu Fang2, Tang Jian1, Li Yi1

(1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, CITIC，Wuhan 430014, China)

2013-11-14

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目(2013CB035601)，國家自然科學(xué)基金資助項目(61201055)

何方敏（1982-），男，博士，講師。研究方向為電磁兼容。

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1003-4862（2014）04-0005-04