基于空中平臺的無線話音中繼通信網的容量分析*

向國菊，張遠利

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

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基于空中平臺的無線話音中繼通信網的容量分析*

向國菊，張遠利

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

修回日期：2015-05-26Received date:2015-03-06；Revised date：2015-05-26

摘要：針對無線話音中繼網絡多平臺共用信道必然產生“互擾”的特點，定義了話音中繼網絡三種通信形態，提出了判決網絡容量的網絡噪雜系數的概念，將無線通信信號衰落特性與Erlang話務量模型相結合，通過分析不同調制方式下中繼平臺數量與干擾概率、擁塞概率之間的關系，得出了中繼網絡容量。并指出話音中繼通信時可通過合理規劃中繼網絡、選擇調制方式及人為協同的方法，合理規避通信干擾或擁塞，對工程應用具有參考價值。

關鍵詞：話音中繼；網絡容量；干擾；規避

0引言

面對自然災害或人為災難，需由救援中心提供對前方災區救援實施可靠有效的指揮引導。但當災區處于高原、山區、盆地等特殊地域時，由于復雜的地形因素，災區內的救援飛機往往因地形遮擋而無法與救援中心正常通信。為此，需要空中通信中繼平臺，搭載話音中繼系統，完成救援飛機和救援指揮中心之間的話音中繼通信[8]。

當受災特別嚴重時，所派出的救援飛機數量多，且各飛機的話務量大，就會出現多個飛機平臺同時發話音，相互之間形成干擾或信道擁塞的現象，影響中繼網通信質量。

本文基于當前主流話音技術體制，對話音中繼網容量進行分析，并提出規避干擾或擁塞的建議。

1話音中繼原理

話音中繼原理見圖1所示。直升機以f2發送話音，中繼臺1收到信號后，解調出話音信號，通過接口送中繼臺2話音發送口；中繼臺1同時給出控制信號，控制中繼臺2發送，中繼臺2將話音調制后通過f1發送至無線信道，救援指揮中心接收后解調出話音，下行話音中繼完成。反之亦然。

圖1話音中繼原理圖

2網絡容量分析

2.1定義

2.1.2中繼通信形態

在中繼通信過程中，根據各平臺是否能正常通信，可枚舉在中繼通信中存在的三種通信形態[3]，即：

(1)自由通信：通信網不存在任意兩個平臺之間的發射沖突，任意平臺均能正常通信，即任意時刻只有一部機載臺在發射，能夠和救援指揮中心進行通信，定義其出現的概率為PA。

(2)中繼擁塞：通信網存在發射沖突，但只有一個平臺能正常通信，即多部機載臺同時發送話音，有且僅有一部機載臺和地面臺能進行正常通信，其余信號無法中繼到地面臺，定義其出現的概率為PC。

(3)中繼干擾：通信網存在發射沖突，任意平臺均不能正常通信，即多部機載臺同時發送話音，信號相互影響，多部機載臺均不能和地面臺進行正常通信，定義其出現的概率為PI。

2.1.2網絡嘈雜系數

由于中繼干擾時網絡是不可用的狀態，任何一方均不能通信，而擁塞時至少一個成員可以通信，綜合考慮這兩個因素[4]，定義網絡嘈雜系數:

(1)

2.1.3中繼網絡容量

當網絡嘈雜系數大于0.2時網絡內平臺數量定義為網絡容量N。

(2)

2.2分析模型

在中繼應用中，往往是一個救援指揮中心對多個直升機，上行鏈路不會擁塞，故僅需要考慮下行鏈路擁塞。考慮到現有通信設備及天線條件下，飛機之間有效通信一般不超過400 Km，飛機分布在400 Km范圍內是隨機的，故可以建立如圖2的分析模型：

圖2　中繼通信干擾與擁塞分析模型

(1)以中繼平臺為中心，分析范圍為半徑400 km的球型區域；

(2)各被中繼平臺在中繼平臺覆蓋范圍內呈隨機分布。

因飛機所用天線一般為全向天線，而球形區域中，平臺位置的三個因素(ρ，φ，θ)中影響無線通信干擾分析的因素只有ρ一項，故可以將模型進行等效簡化，見圖3。

圖3中繼通信干擾與擁塞等效分析模型

(1)以中繼平臺為原點，各平臺分布在一條直線上；

(2)由于各平臺在400 km內各點出現的可能性是相同的，服從均勻分布。

2.3調幅、調頻方式通信網干擾與擁塞

2.3.1調幅、調頻信號強度信道擁塞概率

首先，在不考慮機載臺的分布規律，在各機載臺和中繼平臺等距離情況下計算中繼通信網的擁塞概率，等距離也就意味著中繼平臺收各部機載臺信號強度基本一致。調幅調頻模式下，當等信號強度時，任意兩個平臺同時發射都會彼此引起干擾，定義此干擾概率為P1，可用Erlang公式[1]進行計算：

(3)

其中,y為平均話務量，N為信道數量，n為同時呼叫的人員數量。

平均話務量y與空中平臺數量、飛行員通話頻率和每次通話時間有關。根據飛行及任務過程中經驗數據，每個飛行平臺通話頻率λ一般為0.2次/分鐘，每次說話平均時長t約為5S左右，故：

(4)

對于無線中繼通信來說，所有用戶公用一個信道，故N=1，n=1。

用以上參數對公式1進行簡化：

(5)

上式為等信號強度情況下中繼通信網內被中繼的平臺數和擁塞概率的關系式。

2.3.2調幅、調頻通信干擾門限與任意平臺之間形成干擾的概率

與電話交換網不同，電話交換網中，當某一用戶占用信道后，其他用戶不能再占用該信道，但對于無幅調頻方式通信來說，由于無線信道的衰落，中繼平臺接收不同的機載臺的信號強度有區別，當接收的兩個信號強度可比擬時，會造成干擾或擁塞，而當某一信號對另一信號具有壓制性優勢時，弱信號不會影響強信號的接收，用干擾門限定義信號之間強度關系[1]。

干擾門限：當中繼平臺同時收到兩個平臺的信號強度之差小于某個數值時，則會形成干擾，導致地面臺無法正確解調出話音，此信號強度差即定義為干擾門限。

根據實驗室實驗結果，在調幅調頻通信方式下，干擾門限約為6dB。根據無線信道衰落公式[2]：

L=32.45+20logf(MHz)+20logρ(Km)

(5)

假設通信的各平臺之間無線通信終端及天線配置情況基本一致，那么，根據公式(4)計算，當任意兩個平臺同時發射時，他們與中繼平臺的距離之比小于2，則中繼平臺收到二者信號強度之差則小于6 dB，低于干擾門限閥值，會產生干擾，導致中繼擁塞。假設平臺1距離中繼平臺距離為L1，平臺2距離中繼平臺距離為L2，如圖4所示。

圖4調幅調頻通信方式任意平臺之間同時發射干擾區間

(6)

2.3.3調幅、調頻通信中繼干擾和擁塞概率

中繼干擾概率應該與超過干擾門限的概率和等信號強度信道擁塞概率有關，而超過干擾門限與等信號強度信道擁塞兩個事件為獨立事件[3]，故中繼干擾概率PI：

(7)

系統擁塞概率PC：

(8)

圖5調幅、調頻方式下機載臺數量與不同概率的關系圖

從圖 5可以看出，當一個話音中繼網內機載平臺數量為15架時，網絡干擾概率大致為10%。當機載平臺數量達到40架時，擁塞概率基本達到20%。可以看出，調幅、調頻通信時，網絡容量N約為22。

推論：調幅、調頻方式無線通信中繼網不會隨著用戶數量的增加而出現“堵死”的現象，而是隨著機載平臺數量增加，干擾概率逼近1/2。這是與普通民用電話交換網不一致的地方。究其原因，就是因為無線信號傳輸過程中由于平臺之間距離不一致帶來的信號衰落不一致，強信號對弱信號的壓制所致。

2.4跳頻方式通信網干擾與擁塞

跳頻通信[2]：通信雙方在相同同步算法和偽隨機跳頻圖案算法的控制下，射頻頻率在約定的頻率表內，以離散頻率的形式偽隨機且同步地快速跳變。通信雙方有個同步過程，也就是接收臺跳頻圖案跟隨發送臺同步。如此時第三部臺也在發射，其發射頻點和接收臺并不同步，實際上接收臺無法接收第三部臺的信號，也就無法形成干擾。由于跳頻方式本身具有的抗干擾性能，相較于調幅、調頻方式，在相同干擾信號強度的情況下，采用跳頻方式只是形成擁塞，而未形成干擾。

采用調幅調頻通信，當“干擾信號”到來時，如果與正在通信的信號強度之比超過干擾門限，由于接收機的AGC作用，接收端會將“干擾信號”正常解調，此時干擾信號能正常通信，而原來正在通信的信號受到壓制。而對于跳頻通信，需有頻率同步、糾錯譯碼等過程，可允許部分頻點被壓制干擾，故干擾概率基本為0。對0的模型進行修正后，可計算得跳頻方式下機載臺數量與擁塞概率、干擾概率、自由通信概率和網絡嘈雜系數的關系圖，見圖6。

圖6　跳頻方式機載臺數量與四個概率關系圖

從圖6可以看出，當一個話音中繼網內機載平臺數量為20架時，網絡干擾概率大致為20%。當機載平臺數量達到40架時，擁塞概率基本達到38%，采用跳頻方式通信時，網絡容量N約為40。

從圖5、圖6對比可以看出，跳頻方式干擾概率比調幅調頻方式明顯降低，擁塞概率較高。降低干擾概率而提高擁塞概率對于提高網絡容量是有好處的，故跳頻方式網絡容量比調幅調頻方式要高。

3規避干擾和擁塞方法探討

當遇到可能出現中繼網干擾或擁塞時，可采取以下三種方式進行處理：

(1)合理規劃中繼網絡：根據任務特性，以能夠忍受的干擾或擁塞程度合理規劃中繼網絡，將需要執行任務的平臺分別配屬到不同的中繼網絡中，保持通信的可達性；

(2)跳頻通信雖然擁塞概率較高，但其受干擾的概率低，即保證一方能正常通信的可能性大，未能中繼方可通過再次呼叫獲得通信，故優選跳頻方式進行中繼；

(3)人工協同：由于目前話音未采用“尋址呼叫”體制，而采用廣播機制，當各平臺之間不存在遮擋且互相在覆蓋范圍之內時，本平臺可以監聽到其他平臺的話音，當監聽到其他平臺正在

進行中繼通信時，盡量不要搶話，待信道空閑之后再進行通信。

4結語

本文分析了當前主流通信體制下中繼話音網絡的容量，并給出了規避干擾或擁塞的方法建議，所采用的分析模型與實際應用場景基本一致，其結論具有普遍性和實用性，在實際應用場景中指導了中繼網絡的設計，取得了較好的效果。同時需要指出的是，文中所采用的都是比較傳統的通信體制，干擾基本都是體現在“射頻”層面，分析模型尚不復雜，目前，定向天線，尋址呼叫或同步時分復用等多種通信技術都已經大量運用，如將之引入中繼通信，將進一步提高中繼網絡的容量，可作為深入研究本課題的重要方向。

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向國菊(1983—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為航空通信設備和系統研制；

張遠利(1979—)，男，學士，工程師，主要研究方向為航空通信設備和系統的研制。

Capability Analysis of Wireless Voice-Relay

Communication Network based on Airborne Platform

XIANG Guo-ju，ZHANG Yuan-li

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

Abstract：Aiming at the characteristics of mutual interference by multiple platforms of wireless voice-relay network with shared channel, three types of voice-relay network are defined, and the concept of network noisy-coefficient for judging network capacity also presented. In combination with the fading characteristic of wireless communication signal and Erlang's telephone traffic model, and the capacity of relay network is obtained through analysis on the relation between relay platform number and interference probability and congestion probability in different modulation systems. Furthermore, this paper points out that communication interference or congestion could be properly avoided by reasonable planning of relay network, choice of modulation system and manual collaboration in voice-relay communication. All this could serves as a reference for engineering application.

Key words：voice-relay; network capacity; interference; avoidance

作者簡介：

中圖分類號：

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0835-05

收稿日期：*2015-03-06；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.017