一種基于正交設(shè)計的通信抗干擾性能試驗與評估方法

殷 璐

（解放軍91404 部隊，河北 秦皇島 066001）

0 引言

隨著電子、計算機、數(shù)字信號處理等技術(shù)的快速發(fā)展，通信對抗裝備的作戰(zhàn)效能越來越強，無線通信裝備面臨的干擾環(huán)境越來越嚴峻［1］，為了準確評價無線通信裝備在未來信息化戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，需要對裝備的抗干擾性能進行全面的測試。無線通信裝備的使用效能受多個因素的影響，這些因素對裝備的影響程度各不相同，而且各因素不同水平的組合數(shù)量非常大，如影響因素有5個，每個因素有3 種水平，其組合數(shù)量為243 個，完成全部因素水平組合的試驗與評估計算非常困難。為了通過有限的測試次數(shù)得到更多有價值的試驗數(shù)據(jù)，需要采用正交試驗設(shè)計等試驗優(yōu)化技術(shù)，高效費比地完成抗干擾性能試驗［2］。

本文提出了一種基于正交試驗設(shè)計的無線通信裝備抗干擾性能試驗與結(jié)果評估方法，用探索性數(shù)據(jù)分析的方法，對各種試驗因素產(chǎn)生的結(jié)果進行整體研究，分析各因素對結(jié)果的影響，全面比較各因素的相對重要性和顯著性，并引入了方差分析中的SNK 多重比較法，對試驗因素的參數(shù)設(shè)置進行檢驗，從而實現(xiàn)試驗設(shè)計的優(yōu)化和各試驗因素的準確評估。

1 抗干擾性能試驗

無線通信裝備抗干擾性能試驗的目的是對無線通信裝備的抗干擾性能或復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性進行鑒定，檢驗其是否滿足作戰(zhàn)的使用要求［3-4］?？垢蓴_性能試驗按試驗場地劃分可分為外場試驗和內(nèi)場仿真試驗。

外場試驗是在接近實戰(zhàn)的地理環(huán)境和電磁環(huán)境下進行的試驗，試驗時被試裝備按照野外或海上實際使用條件部署，通信信號和干擾信號的傳播損耗、接收增益等比較接近實際，對裝備抗干擾性能的評估最大程度地貼近實戰(zhàn)［5］。內(nèi)場仿真試驗是基于控制理論、計算機技術(shù)、微波暗室技術(shù)的，利用相關(guān)系統(tǒng)模型對無線通信裝備進行的抗干擾試驗［6-7］，按照信號引入方式又可分為輻射式和注入式［8］。

本文以針對跳頻通信電臺的注入式仿真試驗為例，說明無線通信裝備抗干擾性能試驗設(shè)計和定量評估方法。試驗中跳頻通信電臺、干擾設(shè)備和電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備均連接在射頻耦合網(wǎng)絡(luò)上，通信雙方的電臺以跳頻工作方式進行數(shù)據(jù)通信，干擾設(shè)備產(chǎn)生一定帶寬和功率的噪聲調(diào)制信號來模擬攔阻式干擾，頻譜監(jiān)測設(shè)備對試驗環(huán)境中的通信信號和干擾信號進行監(jiān)測，該試驗環(huán)境和條件可控，通過分別設(shè)置不同的干擾帶寬、干擾功率和電臺的傳輸速率，可以考察上述3 個因素對電臺傳輸質(zhì)量的影響。

2 正交試驗設(shè)計

無論是外場試驗，還是內(nèi)場仿真試驗，為充分檢驗裝備在干擾信號環(huán)境下的可靠性和可用性，裝備的通信參數(shù)和干擾裝備的工作參數(shù)需要在一定范圍內(nèi)改變，而在外場試驗和內(nèi)場輻射式仿真試驗中，通信距離和干擾距離也需要調(diào)整以構(gòu)建不同干信比的干擾態(tài)勢。上述因素的水平數(shù)一般多于2個，如果對每種因素的每個水平都相互組合進行全面試驗，試驗次數(shù)是驚人的，而且隨著因素數(shù)量的增加，試驗次數(shù)增加得更快，另外還要用相當長的時間對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為了通過有限的試驗次數(shù)和計算代價獲得更多有價值的試驗信息，需要采用正交試驗設(shè)計來安排試驗。

正交試驗設(shè)計是一種研究多因素多水平的試驗設(shè)計方法，利用正交表科學(xué)地安排多因素試驗。正交試驗設(shè)計能夠在試驗的全部處理組合中，僅挑選部分有代表性的水平組合進行測試［9］。

2.1 確定試驗?zāi)康?/h3>

任何一個試驗都是為了解決某個問題，或為了得到某個結(jié)論而進行的，所以進行試驗設(shè)計前應(yīng)該明確試驗?zāi)康?。在?fù)雜的電磁干擾環(huán)境中，無線通信設(shè)備的傳輸質(zhì)量受多種因素的影響，采用正交試驗設(shè)計來組織無線通信裝備抗干擾性能試驗的目的，就是確定各因素對傳輸質(zhì)量的影響大小，通過定量分析發(fā)現(xiàn)裝備的弱點，提高其在干擾條件下的可靠性和可用性。

衡量通信傳輸質(zhì)量的指標有語音指標和數(shù)據(jù)通信指標兩類，語音指標是以人為主體對通信話音的質(zhì)量進行主觀評估，是由專家對被測通信裝備的話音音質(zhì)進行評分來得到的，常用的語音指標有診斷押韻測試（DRT）得分、平均意見得分（MOS）等；數(shù)據(jù)通信指標是在試驗中以某種手段采集一定的測試數(shù)據(jù)并進一步量化，以對通信抗干擾效果進行衡量，常用的數(shù)據(jù)通信指標有誤碼率、分組傳輸成功率、丟包率等。由于我們設(shè)計的試驗環(huán)境數(shù)據(jù)容易獲取，采用分組產(chǎn)生成功率來衡量通信傳輸質(zhì)量。

2.2 選定試驗因素及水平

試驗中需要考慮的對試驗結(jié)果可能有影響的變量稱為因素，而每個因素可能處的狀態(tài)稱為因素的水平。由于試驗條件所限，影響試驗結(jié)果的因素不可能全面考察，所以應(yīng)在試驗設(shè)計時進行具體分析，并根據(jù)試驗?zāi)康?，選出主要因素，忽略次要因素，以減少要考察的因素數(shù)，避免加大無效試驗工作量。確定因素的水平數(shù)時，重要因素水平數(shù)可多取，各因素的水平數(shù)值應(yīng)適當拉開，以利于對試驗結(jié)果的分析處理，當各因素的水平數(shù)相等時，試驗數(shù)據(jù)的處理較方便。

在設(shè)計的跳頻通信電臺的注入式仿真試驗中，選取了傳輸速率、干信比和干擾帶寬3 個試驗因素來考察其對電臺傳輸質(zhì)量的影響大小。其中可以通過設(shè)置電臺以3 種不同的傳輸速率分別進行試驗，來改變傳輸速率的因素水平；通過調(diào)整干擾信號功率，使干信比因素的水平在0～5 dB 范圍內(nèi)變化；通過設(shè)置干擾設(shè)備不同的干擾帶寬，使其占跳頻帶寬的比例依次為高中低3 個水平。試驗考察的3 個因素和具體水平如表1 所示。

表1 試驗因素和水平設(shè)置表

2.3 利用正交表設(shè)計試驗

表2 4 因素3 水平正交表

正交表是根據(jù)正交原理設(shè)計的已規(guī)范化的表格。表2 是一個4 因素3 水平正交表，可用符號表示為L9（34），其中L 為正交表代號，下標9 為正交表的行數(shù)，即需要進行的試驗次數(shù)，3 為因素水平數(shù)，4為正交表的列數(shù)，即最多可安排的因素個數(shù)。具有以下兩個特點：1）每一列中不同數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相同；2）任意兩列中，同一行的數(shù)字搭配次數(shù)是相同的。

在試驗中，傳輸速率、干信比和干擾帶寬3 個試驗因素各有3 個水平，全部遍歷各因素水平的組合，需要進行27 次試驗，而按照表2 所示的正交表安排試驗時，由于試驗點能夠分布均勻，具有代表性，只需要進行9 次試驗。

根據(jù)因素數(shù)和水平數(shù)來選擇合適的正交表。一般要求，因素數(shù)小于或等于正交表列數(shù)，因素水平數(shù)與正交表對應(yīng)的水平數(shù)一致，在滿足上述條件的前提下，可選擇較小的表，然后將試驗因素安排到所選正交表相應(yīng)的列中。當試驗因素數(shù)少于正交表的列數(shù)，表中會有空列，如不考慮交互作用，空列可作為誤差列，其位置可放置在中間或靠后。

2.4 確定試驗方案

將試驗的3 個因素傳輸速率、干信比和干擾帶寬作為表2 的前3 列，每列的水平按照表1 對號入座來確定各因素的參數(shù)設(shè)置，就得到了試驗方案，表3 的上半部分為9 次試驗的參數(shù)設(shè)置和每次試驗的結(jié)果（測試得到的分組傳輸成功率）。

表3 4 因素3 水平正交表

3 試驗結(jié)果分析與評估

3.1 試驗結(jié)果的極差分析

表3 中的k1、k2和k3分別表示各因素的1、2、3 水平對應(yīng)的試驗結(jié)果的平均值；而同一列中，k值最大值與最小值之差稱為極差R。各列的極差反映了該列因素的水平改變時，試驗結(jié)果的變動幅度。極差越大，表示該列因素對試驗結(jié)果的影響越大，在本試驗中，干擾帶寬的極差最大，干信比的極差最小，表明干擾帶寬對分組傳輸成功率指標的影響最大，傳輸速率次之，干信比的影響最小，這與圖1 中3 個因素的主效應(yīng)圖展示的是一致的，圖中可見干擾帶寬在其3 個水平間改變時，分組成功率指標的變動最大；下頁圖2 為3 個因素兩兩間的交互效應(yīng)圖，可見干信比與其他兩個因素均有交互作用。

圖1 3 個因素的主效應(yīng)圖

3.2 試驗結(jié)果的方差分析

極差分析法只能定性地估計各因素對試驗結(jié)果的影響程度，而且不能估計試驗過程中存在的誤差大小，需要采用方差分析的方法進一步分析試驗結(jié)果，將試驗因素水平改變所引起的試驗結(jié)果的差異與誤差的波動區(qū)分開來。對于正交試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的方差分析，其基本思路是將數(shù)據(jù)的總離差平方和分解成各因素的離差平方和以及誤差引起的離差平方和，并根據(jù)各自的自由度構(gòu)造F 統(tǒng)計量，進行F檢驗［10］，以判斷各因素的作用是否顯著。

試驗中，總離差平方可以分解如下：

以顯著性水平0.05，對F 統(tǒng)計量進行F 檢驗，就可以對傳輸速率因素的影響進行定量判別。同理可對干信比和干擾帶寬因素進行F 檢驗，得到的結(jié)果見表4，從中可以看出，傳輸速率、干信比和干擾帶寬3 個因素水平的改變對試驗結(jié)果均有顯著影響，顯著性的排序依次為干擾帶寬、傳輸速率和干信比，這與極差分析法的定性結(jié)果一致。

表4 方差分析表

3.3 方差分析結(jié)果的進一步分析

圖2 顯示干信比與其他兩個因素有交互作用，但由于誤差的離差平方和較小，故試驗設(shè)計中未考慮交互作用的離差平方和也較?。?1］，對于誤差平方和較大的情況，則要考慮因素間的交互作用重新設(shè)計正交表組織試驗。試驗中干信比因素對試驗結(jié)果的影響顯著，顯著性達到0.011，但這并不意味著干信比因素的3 個水平中任意兩個水平的結(jié)果間均存在顯著差異，可以通過多重比較法來確定干信比參數(shù)的設(shè)置是否存在問題。SAS、SPSS 或MINITAB等軟件提供了多種多重比較的方法［12］，比如LSD法、SNK 法、REGWQ 法、Bonferroni 法等，選用SNK法對干信比因素的3 個水平的試驗結(jié)果進行比較，因為SNK 法在控制假陰性上比其他方法更嚴格，更容易檢出各組數(shù)據(jù)間的差異，其基本思路是將各組數(shù)據(jù)的平均數(shù)之差與最小差異統(tǒng)計量比較，進而作出統(tǒng)計推斷。通過SAS 軟件的lsmeans 命令對3 組數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果表明干信比參數(shù)取3 dB 和5 dB 的兩組數(shù)據(jù)間無顯著差異，這說明干信比為3 dB時，干擾信號已經(jīng)能夠有效壓制數(shù)據(jù)通信。

圖2 3 個因素的交互效應(yīng)圖

4 結(jié)論

本文提出的無線通信裝備抗干擾性能試驗設(shè)計與結(jié)果評估方法，基于正交試驗設(shè)計進行試驗設(shè)計，并利用探索性數(shù)據(jù)分析的方法對各種試驗因素進行分析和比較。通過一個針對跳頻通信電臺的注入式仿真試驗設(shè)計為案例，說明了實現(xiàn)方法的步驟，結(jié)果表明該方法提高了試驗設(shè)計與實施的工作效率，能夠?qū)崿F(xiàn)對各試驗因素的準確分析和評估，進而完成對裝備抗干擾性能的評估，具有一定軍事應(yīng)用價值。