艦船無線通信設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. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033；2. 中信建筑設計研究總院有公司，武漢 430014）

利用隨機幾何理論建立了艦船無線通信設備的干擾模型，并在此基礎上分析了多種信道參數對無線通信設備性能的影響。本文首先理論分析了在艦船環境下的無線通信干擾源分布的系統模型。其次，基于隨機幾何理論討論了船體區域中的干擾對無線通信設備性能的影響，并給出了干擾和積分形式的表達式。最后仿真分析了多種無線通信信道參數對設備性能的影響。仿真結果表明，信道狀況對無線通信設備的性能有很大的影響，合理部署無線通信設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

艦船上的大功率發射機和寬帶接收機同時工作時，由于空間距離近，會產生干擾。特別是大功率發射機、阻塞式干擾機工作時，己方接收機受干擾尤為嚴重。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計常用系統；因此有必要考慮節點分布的統計模型，利用統計的分布來模擬可能的網絡拓撲的變化。考慮到在無線通信環境中通信節點間的距離對網絡性能有重要影響，通常用隨機點過程（Stochastic point process），來模擬節點的空間位置分布[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的數學工具，能對網絡的統計性能做出合理評估，并且還能對單個接收節點或鏈路進行精確的數學分析，以便于進行網絡設計研究。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點位置建模的合理性等優點，是目前使用最廣泛的隨機點過程[3]。

1 系統模型

利用坎貝爾定理可以很方便的分析艦船上的無線網絡中用戶集合所產生的干擾。而泊松點過程由于其簡單實用性，已廣泛應用于大型網絡中節點的位置分布建模。下面文章將嘗試利用坎貝爾定理來對艦船無線通信設備的干擾進行建模。

2 艦船無線通信系統性能分析

由（2）可知，分析艦船無線網絡用戶集合所產生的干擾首先需要分析單個節點產生干擾的概率密度函數。

圖1 艦船無線通信節點分布圖

為了簡化分析，我們考慮干擾節點的平均發射功率[]=0。在（3）中，由于和均為常數，干擾節點到目標設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相關。考慮無線通信路徑衰減的一般情況，平坦衰落信道下的包絡一般服從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，并對艦船區域的面積進行圍線積分，可以得到艦船目標設備受到的總干擾特征函數的表達式：

對（6）進行反傅里葉變換，得到艦船區域內干擾節點產生的總干擾功率的概率密度函數。

3 艦船通信中斷概率的分析仿真

圖2 不同干擾節點密度條件下的發射功率

圖3 不同反比例參數條件下的發射功率

4 總結與展望

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

由于艦船無線通信場景的復雜性，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

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

何方敏（1982-），男，博士，講師。研究方向為電磁兼容。

TP27

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1003-4862（2014）04-0005-04