基于信噪比估算的短波通信輔助決策模型研究*

董 航,徐 池,易 濤,韓 東

(1.海軍大連艦艇學院,遼寧大連116018;2.65334部隊,吉林延吉133000)

基于信噪比估算的短波通信輔助決策模型研究*

董 航1,徐 池1,易 濤2,韓 東1

(1.海軍大連艦艇學院,遼寧大連116018;2.65334部隊,吉林延吉133000)

為滿足復雜戰場條件下通信指揮員的短波通信決策需求,對場強預測模型和噪聲模型進行簡化和參數程序化,提出了以短波通信信噪比估算為基礎的態勢可視化模型,可視化的實現有利于通信指揮員直觀地掌握短波通信的整體態勢;構建和定義了以信噪比估算模型函數為基礎的短波輔助決策模型,根據函數的可控因子,運用數學分析方法對輸入參數進行合理配置,為最佳通信效果的實現提供輔助決策信息。通過仿真預測結果和參考數據的對比,驗證了仿真模型的合理性,對短波通信的輔助決策研究有一定的參考價值。

短波 信噪比 輔助決策

0 引 言

短波通信是中遠程通信的重要手段之一,因其抗毀性強,通信設備成本低廉、易實現等優點而在軍事領域廣泛運用。軍事應用方面,除去短波通信設備具備的基本通信能力,當前短波通信的組織運用中缺乏有效的輔助決策工具,通信指揮員無法獲取定量、科學的輔助決策信息,難以根據不同作戰條件實時調整通信組織方案、通信系統運轉參數。通信計算模型是實現通信指揮輔助決策的基礎和前提。目前,用于通信計算的短波預測軟件主要有IONCAP、ICEPAC和PropMan,上述成果為指揮決策提供的輔助信息有限且不直觀。美國海軍開發的通信評估工具NCAT是模型預測、效能評估和輔助決策有效結合典型案例[1],取得了巨大的軍事效益。

在構建短波通信信噪比估算模型的基礎上,突出短波通信組織方案的要素特點,將預測模型與通信指揮、輔助決策緊密結合,研究短波通信輔助決策模型,為通信指揮員提供調控短波通信資源、提高短波通信效能的輔助決策工具。

1 短波通信信噪比估算模型的構建

短波頻段的電波傳播有地波傳播和天波傳播兩種形式,其中天波傳播是短波通信主要的傳播方式。

1.1 短波場強預測模型

1.1.1 地波傳播場強預測

海上短波地波在傳播所受到的衰減主要有自由空間傳播擴散引起的自然衰減和海面對電波的吸收。當海面地波傳播距離r≥80f-1/3時,必須考慮地球曲率的影響,遠距離海面地波場強使用繞射公式計算[2]:

式中,Ed為地波場強有效值,r為接收點距離發射點的距離,λ為短波波長,P為發射機功率,G為天線增益系數,δ為與給定波長和相對介電常數和電導率相關的實數,Im(τ0)是|δ|的函數。其中,

式中,εr和σ分別為海面的相對介電常數和電導率。Im(τ0)一般通過曲線查詢確定,不便于計算機仿真實現,采用分段函數方式,給出典型海面上地波傳播的Im(τ0)計算公式:

計算地波傳播場強時需要考慮地球曲率和粗糙海面引起的附加衰減因子的影響。通過建立附加衰減As數據庫的方法,通信指揮員可根據當前通信距離、頻率和海況確定具體的附加衰減As值,對估算的光滑海面地波場強值進行修正。表1為不同海況條件下,地波通信頻率為5 MHz時粗糙海面相對均勻光滑海面的附加衰減As與距離的關系。

表1 5 MHz不同海況、不同通信距離的附加衰減Table 1 Additional attenuation of 5MHz frequency under different sea conditions and communication distances

計算地波傳播場強時需要考慮地球曲率和粗糙海面引起的附加衰減因子的影響。通過建立附加衰減As數據庫的方法,通信指揮員可根據當前通信距離、頻率和海況確定具體的附加衰減As值,對估算的光滑海面地波場強值進行修正。表1為不同海況條件下,地波通信頻率為5 MHz時粗糙海面相對均勻光滑海面的附加衰減As與距離的關系。

1.1.2 天波傳播場強預測

天波傳播是短波通信主要的傳播方式,發射功率、工作頻率、天線增益、傳播損耗、時間季節、地理位置都是影響天波傳播的重要因素。天波場強計算主要參考ITU-R P.533-11計算流程,同時根據實際運用對模型進行了適當的簡化處理。短波天波接收點場強Et可用下式計算:

式中,Et為天波傳播時接收點信號強度;f為工作頻率;P為發射機發射功率;Gt為天線增益;Lbf自由空間傳輸的傳輸損耗;Li電離層吸收損耗;Lg地面反射損耗;Yp額外系統損耗。

(1)自由空間基本傳輸損耗Lbf。

自由空間基本傳輸損耗是無線電波離開發射天線后因幾何擴散而引起的能量損失。Lbf的計算公式為:

式中,f為工作頻率,r為電波傳播有效路徑。有效路徑的求取可由大圓距離、地球半徑、天線仰角等參數利用三角形正弦定理求得。

(2)電離層吸收損耗Li

電離層的吸收損耗是無線電傳播中的第二大項損耗。通過對一些參數進行量化或建立數據庫查詢的方法,實現參數計算程序化,進而應用半經驗公式進行計算。

計算電離層吸收損耗工程中常利用以下半經驗公式:

式中,I為吸收系數;i100為100 km高度處電波入射角,Δ為射線仰角;fH為100 km高處磁旋頻率,工程上常根據吸收區緯度查詢100 km磁旋頻率,仿真計算中對重點地區運用典型值的方法簡化處理,如反射點位于北緯22°～35°,fH=1.3 MHz,北緯35°～ 45°,fH=1.4 MHz,北緯45°～55°,fH=1.5 MHz;為太陽黑子數“12月滑動平均值”;χ為太陽頂角。

(3)地面反射損耗Lg

地面損耗是電波經由地面反射發生的,這種損耗只是兩跳以上的電波傳輸模式才有。為較簡單地估算地面反射損耗,海面反射每次取1 dB,陸地反射每次取4 dB。

(4)額外系統損耗Yp

額外系統損耗是指除自由空間基本傳輸損耗、電離層吸收損耗,地面反射損耗以外的其他原因造成的損耗總和,要求精確計算比較困難。在保證90%的時間可靠性的條件下,可根據接收點的實際參數查表估算出額外系統損耗值。

1.2 噪聲模型

信號場強這一參數對于通信指揮員而言相對抽象,信噪比是通信信號的關鍵參數,是衡量通信質量的重要指標,也是通信指揮員根據裝備使用環境有效預測、判斷短波通信實際效能的重要依據。因此,考慮到輔助決策模型的實用性和適用范圍,可以場強預測模型為基礎構建和嵌入噪聲模型。根據短波通信的特點和軍事應用背景,在10 MHz以下,大氣噪聲是主要影響因素,在10 MHz以人為噪聲影響為主。

(1)大氣噪聲模型

大氣噪聲又叫天電噪聲,主要由雷電引起,地球上任意地點的大氣噪聲是世界性雷電與本地雷電輻射疊加的效果[2]。噪聲的傳播受電離層的影響,其強度隨頻率、時間、季節、地理位置及氣候變化。大氣噪聲的計算主要方法和依據有CCIR-322報告和ITU-R P.372-10推薦書中所提供的一套全球大氣噪聲分布圖,可依照步驟查詢圖表得到計算大氣噪聲的各種參數,最終計算得到大氣噪聲。國際電聯也提供了用于計算大氣噪聲的程序模塊NOISEDAT,考慮到插圖計算的低效和不精確性以及輔助決策模型的兼容問題。根據美國國家電信和信息管理局(NTIA)85-173報告提供的底層數據,采用傅里葉正弦技術和多項式插值方法建立計算大氣噪聲中值的通用數學模型。

(2)人為無線電噪聲

人為無線電噪聲主要是工業、電氣、電器設備和設施的輻射干擾,這些干擾電平隨頻率、地區不同而異[3]。ITU P.372-10給出了工業區(城市)、居民區(住宅)、鄉村(農村)等幾種環境下計算人為無線電噪聲的經驗公式(適用于0.2～250 MHz)。考慮到艦艇是個電磁環境惡劣的場所,多頻段多設備擠在狹窄的空間里,可以最大級別的城市人為無線電噪聲數據代表艦艇人工噪聲。

2 短波信噪比估算的可視化

信息態勢的可視化是輔助決策中的重要內容[4],在實際通信過程中,對指定區域內每一個接收點的信噪比進行估算,耗時費力,且結果不夠清晰直觀。可采用通用的電子海圖軟件開發包,便于與其他系統的集成,常用的開發包可提供地理信息的可視化功能,具有漫游、縮放、地理信息查詢等功能。通信指揮員根據參數分布態勢可以預測短波通信可通范圍,為通信方案的制定提供定量的、科學的輔助參數。圖1為發射點位于(160°E,20°N),太陽黑子數為110,發射頻率為15 MHz,發射天線為鞭狀天線等條件下的信噪比可視化示意圖。

圖1 信噪比可視化示意Fig.1 Visual diagram of SNR

實際運用中需要結合具體的天線參數,可運用NEC軟件仿真天線場分布,計算出短波通信常用天線在不同參數下的增益數據,建立短波天線增益數據庫信息,對天線信息進行查詢[5]。

對于天波傳播而言,修正地面反射損耗等相關參數,就可以將仿真輸出結果與短波通信經驗數據相比較。運用上述模型對發射點位置(160.4°E, 39.9°N)、接收點位置(113.3°E,23.2°N),通信時間2010年1月、太陽黑子數R12=120、發射功率P= 1.6 kW的情況進行仿真。

圖2中,仿真數據與參考數據未完全重合,主要原因在于計算額外損耗時,參考數據中所有時間點選用的都是14 dB,而仿真模型中在計算額外損耗時是根據發射點的地方時確定具體數值的,且損耗值都大于14 dB,消除這一誤差可以發現兩者數據吻合度較高。

圖2 信噪比估算值與實測值比較Fig.2 Comparison of SNR estimation value and the measured value

3 基于信噪比的短波輔助決策模型

根據實際應用環境,及時調整通信組織方案、通信系統運轉參數以保持短波通信效能是通信指揮員指揮決策的重要內容[6]。通信方案和系統參數調整的輔助決策內容包括:在對通信時機、工作頻率、發信功率計算分析的基礎上,估算電離層傳播可通頻率段,選擇合適的工作頻率;對影響傳播場強的各項參數,如時間、通信艦位、發信功率、天線進行配置,分別進行計算,從而得到最佳輔助決策方案,為指揮員提供輔助決策信息。根據上述分析,定義短波通信輔助決策函數為F。

式中,E為短波傳播場強預測模型函數,En為噪聲模型函數。場強模型函數E是多變量函數,受多個變量影響,即

式中,vi(i=1,2,3…,N)是第i個影響預測場強E的變量,N為變量個數,根據短波傳播方式的不同,變量也不同。以天波為例,vi包括發射機功率、工作日期及時間、發射接收艦位、工作頻率、太陽黑子數等。將變量分為兩類:指揮員決策可控因子和固定因子,可控因子是指指揮員在決策中根據具體通信要求可以人為調整控制的參數,固定因子是指在當前環境下無法改變的參數。

設N=10,因子選擇矩陣為Ui= (0,0,…,1,…,0)T,即選擇第i項參數,式中第i項就為1。參數矩陣為:

式中,Pt為發射機發射功率;f為通信工作頻率;Gt為天線增益系數;tj為通信工作時間;x1、y1、x2、y2分別為發射點和接收點的地理經緯度;θ為天線仰角;h′為電離層虛高。

其中,

改變參數vi的不同配置組合,通過多次運算得到短波傳播場強預測的最佳解Eopt,結合噪聲參數,將計算結果與短波通信不同工作種類所需高頻信噪比進行比較,得到滿足條件的短波通信輔助決策函數最佳解Fopt。表2中提供了部分工作種類的最小高頻信噪比[7]。

表2 部分工作種類所需帶寬和高頻信噪比Table 1 Part types required bandwidth and HF SNR

通過計算機仿真,可以改變以往純經驗型的指揮決策,從定量的角度出發,輔助通信指揮員快速進行復雜的仿真,檢驗和估算各種情況、要素對通信產生的影響,提高了通信指揮員的決策效率,增強通信指揮員決策的科學性和針對性。圖3為基于信噪比估算的短波通信輔助決策模型的工作流程圖。

圖3 輔助決策流程Fig.3 Aid decision-making flow chart

4 結 語

通過對經典場強預測模型的適當簡化,建立了相應的子模型數據庫,一定程度上實現了預測模型“本地化”。借助計算機仿真功能,通過模型輸入參數的改變求解輔助決策模型函數的最佳值,可為通信指揮員提供定量的輔助決策信息,輔助指揮員主動調整通信狀態參數,在一定程度上避開不利的傳播信道,提高短波通信效能;實現了關鍵參數的可視化,可為通信指揮員提供形象、直觀的短波通信態勢信息,能夠提高短波通信效能。研究中選用的是經驗性的統計預測模型,模型精度隨著底層參數的不斷增加還有較大提升空間,提高模型精度是后續的研究重點。

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DONG Hang(1992-),female,B.Sci., majoring in communication system analysis and application.

徐 池(1984—),男,碩士,講師,主要研究方向為通信系統分析與應用;

XU Chi(1984-),male,M.Sci.,lecturer,majoring in communication system analysis and application.

易 濤(1983—),男,碩士,參謀,主要研究方向為軍事通信;

YI Tao(1983-),male,M.Sci,staff officer,majoring in military communication.

韓 東(1978—),男,博士,講師,主要研究方向為水聲通信。

HAN Dong(1978-),male,Ph.D.,lecturer,majoring in underwater acoustic communication.

HF Communication Aid Decision-Making Model based on SNR Evaluation

DONG Hang1,XU Chi1,YI Tao2,HAN Dong1
(1.Dalian Naval Academy,Dalian Liaoning 116018,China;2.Unit 65334 of PLA,Yanji Jilin 133000,China)

In order to meet the communication commander′s demands on HF communication aid-decisionmaking in complicated battlefield,the field-intensity prediction model and noise model are simplified and parameter programmed,thus a situation-visualized model based on the evaluation of SNR is proposed,visualization implementation is beneficial to communication commander in grasping the overall situation intuitively.Meanwhile,HF aid-decision-making model based on the model function of SNR evaluation is constructed and defined.According to the controllable factors of function,input parameter is reasonably allocated via mathematical analysis,thus the aid decision-making information is provided to achieve optimum communication.Rationality of the simulation model is verified through the comparison of between simulation prediction result and reference data,and the proposed model can serve as a reference for the research of HF communication aid decision-making.

HF;SNR;aid decision-making

TN925

A

1002-0802(2014)11-1313-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.015

董 航(1992—),女,學士,主要研究方向為通信系統分析與應用;

2014-09-01;

2014-10-08 Received date：2014-09-01;Revised date：2014-10-08

國家自然科學基金資助項目(No.11374001)

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China(11374001)