一種基於多因素影響建模的超短波通信系統效能評估方法與流程
2023-09-16 02:28:30
本專利屬於通信系統評估領域，尤其涉及超短波通信系統效能評估方法的研究。
背景技術：
：通信系統的效能評估是分析系統工作性能的重要環節。本專利以超短波通信系統的效能評估為研究背景。現階段，通信系統的複雜度日益提升，通過數學建模的手段對系統進行預研和分析，可以短時高效的掌握系統的工作特性和性能影響機理，為後續的集成實現或系統改進提供可靠的理論支撐。在合作通信中，通信雙方的信道環境暴露在複雜電磁環境下，會同時受到各種自然、人為、自身等因素的影響。同時，由於通信系統集成度高，對系統本身的認知存在難度，伴隨著通信信號處理技術的飛速發展，通信系統編碼和調製樣式日益增多，對無線信道的研究也愈加深入，信道類型和依賴性也進一步加強。一系列因素導致通信系統模型眾多，影響因素眾多，評估難度加大。對於大型裝備所搭載的通信系統，若通過試驗手段對系統性能進行測試和分析，必然會花費大量的時間和精力，若直接引用實驗室檢驗報告進行佐證或乾脆進行捨棄，則無法充分釋放系統的檢驗風險，系統在實際工作中可能出現各類新的問題和使用需求。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種基於多因素影響建模的超短波通信系統效能評估方法，以超短波通信系統為例，在充分認知系統基礎之上，對系統在各類應用背景下的效能評估方法展開研究，包括通信覆蓋能力、組網能力、鏈路傳輸能力和抗幹擾能力，以保證通信系統的有效性，為通信系統優化和完善提供可靠的理論指導。一種基於多因素影響建模的超短波通信系統效能評估方法，具體步驟如下：S1、通過對超短波通信系統工作原理與效能影響機理的研究，將通信過程中各環節對系統的影響等效折算為信噪比的增大或減小，並以此為基礎對通信系統各模塊進行數學建模，具體步驟如下：S11、用編碼增益的近似界來等效信道編碼對系統誤碼性能的改善，即γ(dB)＝10log10Rdmin，其中，R為編碼效率，dmin為碼間最小距離；S12、用擴頻增益來描述擴展頻譜技術對系統抗幹擾性能的改善，即，Gp(dB)＝10lg(2N-1)，其中，N為為擴頻碼的級數；S13、用天線增益表示收發端天線對信號的增強或減弱。式中，為天線效率，為天線的方向圖函數，即，其中，ηA為天線效率，f為天線的方向圖函數，S14、通過建立噪聲的數學模型來計算噪聲功率，即，N(dB)＝10lgkTB+F+G，其中，T為等效噪聲溫度，B為接收機帶寬，F為噪聲係數，G為低噪放增益，k為玻爾茲曼常數；S15、通過建立相應的損耗模型來描述信號在不同傳播環境下的傳輸損耗，即，自由空間模型PL(dB)＝32.44+20lgd+20lgf，反射模PL(dB)＝40lgd-20lght-20lghr，散射模型PL(dB)＝M+30lgf+10lgd+30lgθ+N(H,h)+Lc，其中，d為傳輸距離，f為信號頻率，ht,hr為收發天線高度，θ為散射角，M,N,Lc為與氣候相關的環境參數；S16、通過算法仿真和數據擬合，建立同步和信道均衡的模型；S2、根據通信系統的實際工作環境和使用需求，推導並建立信號在不同調製方式、不同信道環境下的錯誤判決概率，得到以信噪比為主變量的系統誤碼率計算公式，具體為：利用公式計算積分，得到系統誤碼率，其中，Pe(γb)為不同調製方式下的錯誤判決概率，p(γb)為不同衰落服從的概率密度函數，衰落主要包括如下幾種類型：瑞利衰落萊斯衰落C.Loo衰落頻率選擇性衰落；S3、完善系統的效能評估模型，即，根據評估類型，擬定評估變量，將評估變量與信噪比進行關聯，得到以評估變量為主變量的系統誤碼率的數學表達式，並根據系統誤碼率閾值來約束變量區間，得到評估結果，數學模型為Pe＝f{X,a1,a2…}，其中，Pe為系統誤碼率，X為評估主變量，a1,a2…為影響通信系統信噪比的其他因素，f為將多因素整合關聯並計算誤碼率的函數。本發明的有益效果是：支持系統在不同工作模式、不同傳輸背景下的效能仿真與評估，支持對效能的影響因素分析，為研發人員設計和改善系統提供可靠的理論支撐和技術指導，具有一定的前瞻性。附圖說明圖1：超短波通信系統通信流程以及信噪比流動過程示意圖。圖2：效能評估流程示意圖。圖3：通信覆蓋能力評估結果圖。圖4：通信組網能力評估結果圖。具體實施方式下面結合附圖與具體實施例進一步闡述本發明。如圖1所示，一種基於多因素影響建模的超短波通信系統效能評估方法，具體步驟如下：S1、通過對超短波通信系統工作原理與效能影響機理的研究，將通信過程中各環節對系統的影響等效折算為信噪比的增大或減小，並以此為基礎對通信系統各模塊進行數學建模，具體步驟如下：S11、用編碼增益的近似界來等效信道編碼對系統誤碼性能的改善，即γ(dB)＝10log10Rdmin，其中，R為編碼效率，dmin為碼間最小距離；S12、用擴頻增益來描述擴展頻譜技術對系統抗幹擾性能的改善，即，Gp(dB)＝10lg(2N-1)，其中，N為為擴頻碼的級數；S13、用天線增益表示收發端天線對信號的增強或減弱。式中，為天線效率，為天線的方向圖函數，即，其中，ηA為天線效率，f為天線的方向圖函數，S14、通過建立噪聲的數學模型來計算噪聲功率，即，N(dB)＝10lgkTB+F+G，其中，T為等效噪聲溫度，B為接收機帶寬，F為噪聲係數，G為低噪放增益，k為玻爾茲曼常數；S15、通過建立相應的損耗模型來描述信號在不同傳播環境下的傳輸損耗，即，自由空間模型PL(dB)＝32.44+20lgd+20lgf，反射模PL(dB)＝40lgd-20lght-20lghr，散射模型PL(dB)＝M+30lgf+10lgd+30lgθ+N(H,h)+Lc，其中，d為傳輸距離，f為信號頻率，ht,hr為收發天線高度，θ為散射角，M,N,Lc為與氣候相關的環境參數；S16、通過算法仿真和數據擬合，建立同步和信道均衡的模型；S2、根據通信系統的實際工作環境和使用需求，推導並建立信號在不同調製方式、不同信道環境下的錯誤判決概率，得到以信噪比為主變量的系統誤碼率計算公式，具體為：利用公式計算積分，得到系統誤碼率，其中，Pe(γb)為不同調製方式下的錯誤判決概率，p(γb)為不同衰落服從的概率密度函數，衰落主要包括如下幾種類型：瑞利衰落萊斯衰落C.Loo衰落頻率選擇性衰落；S3、完善系統的效能評估模型，即，根據評估類型，擬定評估變量，將評估變量與信噪比進行關聯，得到以評估變量為主變量的系統誤碼率的數學表達式，並根據系統誤碼率閾值來約束變量區間，得到評估結果，數學模型為Pe＝f{X,a1,a2…}，其中，Pe為系統誤碼率，X為評估主變量，a1,a2…為影響通信系統信噪比的其他因素，f為將多因素整合關聯並計算誤碼率的函數。本專利中，對系統效能評估主要研究如下幾種類型：通信覆蓋能力評估用於評估超短波通信系統的有效通信覆蓋範圍，評估變量為通信距離。參考表1和表2。根據系統實際工作環境選擇合適的信道模型，將通信距離設定值代入信號傳播損耗公式，與信噪比進行關聯，得到以通信距離為主變量的系統誤碼率計算公式。根據誤碼率計算結果，使用二分法增大或減小通信距離設定值，直至誤碼率結果貼近閾值，得到滿足該閾值的最大通信距離D。環境類型信道衰落模型城市頻率選擇性衰落山地瑞利衰落鄉村、曠野萊斯衰落森林C.Loo衰落表1傳輸距離傳輸損耗類型視距自由空間模型長距離(通常為d＞4hthr/λ)反射模型超視距散射模型表2組網能力評估用於分析和評估超短波系統在接力組網方式下的通信覆蓋能力，其實質是在通信覆蓋能力評估的基礎上，新增一個或多個中繼平臺，實現通信接力。因此，其評估方式與覆蓋能力評估方式一致，評估結果是通信覆蓋能力評估結果的併集。鏈路傳輸能力評估用於分析和評估超短波系統在不同傳輸速率下的系統誤碼率和鏈路重傳率，評估變量為傳輸速率。鏈路重傳率使用下式計算。其中，Pc表示沒有差錯發生的概率，定義為Pc＝(1-p)n，p為信道差錯概率，n為數據幀長度；Pe表示發生不可檢測的差錯概率，其近似界為其中，dmin為最小碼距，n,k為編碼參數。根據誤碼率和重傳率的閾值，使用二分法不斷調整傳輸速率設定值，可得到系統的最大傳輸速率R。抗幹擾能力評估用於分析和評估超短波通信系統抗各種幹擾的工作能力。由於幹擾功率大，針對性強，其對系統的影響遠大於隨機噪聲，因此在評估系統抗幹擾性能時，可忽略噪聲的影響，用信幹比替換信噪比。評估主變量為幹擾信號功率。下面給出系統抗不同幹擾的效能評估的數學模型。式中，Pe1為未受幹擾部分的誤碼率，Pe2為受幹擾部分的誤碼率，ρ1是幹擾的帶寬佔比，ρ2是幹擾的時間佔比。Pe＝(1-ρ1)Pe1+ρPe2(瞄準式幹擾)Pe＝(1-ρ2)Pe1+ρPe2(跟蹤式幹擾)根據系統誤碼率上限約束，可以得到系統能夠抵抗的不同類型幹擾的最大幹擾功率P。效能評估的整體流程如圖2所示。實施例1、選取通信系統通信覆蓋能力評估，用於分析系統在符合通信質量的前提下所能覆蓋的最遠通信距離，首先配置系統的工作參數，發射信號功率45dBm，帶寬6.8kHz，頻率225MHz，編碼為(7,4)線性分組碼，調製方式為BPSK，通信平臺的地理位置設為空中離地8Km處。效能評估與仿真包括如下步驟：在本實例中，採用的信道編碼類型為(7,4)線性分組碼，碼率R＝4/7，最小碼距dmin＝3，由式計算可得漸進編碼增益為2.3dB；設定機載天線為全向天線，由式(3)計算可得收發天線增益均約為0dB；設定系統和天線的等效溫度為1000K，噪聲係數為7.4dB，由式計算得到噪聲功率為-23dBm。根據大量工程數據顯示，信號在高空傳播時的無線信道非常貼近萊斯因子為4的萊斯信道，設定誤碼率上限為10-5，根據BPSK調製模式下萊斯信道的誤碼率計算公式，用誤碼率上限對接收端信噪比進行約束，得到信噪比下限約為35dB。通過信噪比將各模塊進行關聯，形成一條通信系統信噪比預算鏈路，去除步驟一中的影響因素，得到信號傳播損耗的上限值為133.4dB，根據通信平臺的位置高度，信道損耗符合自由空間傳播模式，因此代入該傳播損耗公式，得到通信距離的極限值約為500km。用仿真軟體對上述理論分析進行仿真驗證，結果如圖3所示，圖中，每個仿真點的時間間隔為5min。可見，結果與理論值非常貼切，由於平臺在運動過程中所處環境的變化，每個仿真點的數據會有小幅度的波動。實施例2、選取通信系統組網能力評估，用於分析系統在組網接力通信下的最遠通信距離。在實例一的基礎上新增一個空中中繼平臺，其發射信號功率為39.2dBm，其餘參數不變，得到評估結果如圖4所示。可見，接力通信大大增加系統的通信範圍，通過組網可實現750km左右的遠距離傳輸。當前第1頁1 2 3