摘要:海上舰船之间的通信通常工作在复杂的信道环境下,通信距离可远可近,不仅存在强的敌方恶意干扰,由于受地球弧度和海浪、船只等的遮挡,还存在深衰落和多径效应,因此设计海上通信系统时需要充分考虑这些不利因素的影响。针对海上移动信道的路径衰减特性,提出利用Longley-Rice模型建立海上移动信道模型,并对信道衰减模型进行了数值仿真;分析了多径对扩频系统伪码捕获的影响,提出利用Rake接收技术改善接收机的抗多径性能,并设计了一个Rake接收机结构，最后进行了仿真分析。仿真结果表明所设计的Rake接收机具有良好的抗多径能力,能够满足海上通信的需要。

　　1　引言

　　海上舰船之间的通信一般采用短波通信技术,由于扩频通信系统具有抗干扰能力强、低截获概率等特点,其信号功率谱密度低,难以侦察,因此,在军事通信领域得到广泛应用,舰船之间的短波通信也大量采用扩频通信技术。由于海浪和舰船等的影响造成较严重的多径效应,在扩频移动通信系统中可以采用Rake接收技术克服和利用多径效应。扩频通信系统中由于信号带宽较宽,因此在时间上可以分辨出比较细微的多径信号,对分辨出的多径信号分别进行加权调整,使合成之后的信号得以加强,从而达到利用多径的目的。本文首先分析海上移动信道特性,提出恰当的信道模型。近年来移动信道的研究引起取得了较好的进展[1-4],文献[1]研究了海上信道的特点,但没有与实测数据作比较,文献[4]实际测试了信道衰减值,但没有与理论模型相结合和对比,本文提出利用Longley-Rice模型作为海上编队移动信道模型,对模型进行了数值仿真,并与文献[4]中提高的实测进行了比较,结果仿真与实测数据吻合较好。文章还分析了多径对伪码捕获的影响,在此基础上设计了一个Rake接收机方案,并对设计方案进行仿真分析。

　　2　海上移动信道模型

　　信道模型分为大尺度模型和小尺度模型两种,大尺度模型刻画信号传输过程中经历的路径损耗中值,小尺度模型刻画小范围内(几个波长)信号的幅度和相位上的快速衰落。在大尺度传播衰落模型研究方面先后建立了以下著名的信道模型[1]:Longley-Rice模型、Okumura模型、Durkin模型、Hata模型、Walfisch-BertoNI模型、LEE模型、Egli模型以及Carey模型等。这些模型各有特点,在几公里到几百公里范围内Okumura-Hata被广泛用来预测接收信号的场强,但海上移动信道路径损耗预测利用Longley-Rice模型更合适,Longley-Rice模型考虑了更多的与地形有关的因素,包括地面折射率、地面导电率、介电常数以及地面粗糙度等,还考虑了不同的气候类型和天线的位置标准等。文献[2]通过对Okumura-Hata和Longley-Rice模型仿真结果与实测数据的比较,指出预测海上传播损耗时后者更确切。但文献[2]没有考虑以下两个方面:①没有考虑地球弧度对电波传播的影响,海上编队舰船之间的距离往往会大于电波直视距离,这时传播特性会有明显改变。②Longley-Rice模型不能够预测短距离(1km以内)场强,所以需要对模型进行适应性修正和补充,以适应海上通信场强预测仿真建模的需要。本文提出在1km以内用双径反射模型预测路径衰减,超过此范围用Longley-Rice模型预测路径衰减。在1km以内的海面一般都存在较强的直达波信号和一条经海面反射的反射波,较为符合双径反射模型;本文通过仿真和参考文献提供的实测数据比较分析了地球弧度对电波传播的影响。

　　2.1　双径反射预测模型

　　当只考虑空中直射传播路径(LOS)和地面(或水面)反射路径时的情况叫双径反射模型,双径反射模型是基于几何光学的非常有用的传播模型,不仅考虑了直射路径,而且考虑了发射机和接收机之间的地面反射路径。该模型适用于视线范围以内、地形较平坦,例如平地(或水面)的情况,当传输距离远大于天线高度时双径反射模型可近似利用下式计算:

　　


式中ht、hr为发射天线和接收天线高度。
由式(1)知道,当距离很大时,接收功率随距离成4次方衰减,比自由空间衰减快的多。

　　2. 2　Longley-R ice模型算法设计

　　Longley-Rice模型参考衰减为距离的分段函数:

　　定义的三段分别称为视距区域,绕射区域和散射区域。模型控制置信度的参数由统计量给出A(qT, qL, qS),作为时间,位置,形势分量的函数,衰减不会超出这个值。也就是说,在qS的情况下,至少有qL的地点衰减不会超过A(qT, qL,qS),并且这个时间至少为qT。

　　对于光滑地球地平线dLSb的距离,是基于平坦地面的二径反射理论和一个绕射损耗的外插值计算的;对恰好超过从dLS到dx的地平线距离(为绕射损耗和散射损耗相等的地点),参考衰减值是刃峰绕射和光滑地球绕射计算的加权平均。加权因子为频率、地形不规则因子和天线高度的函数。对于很不规则地形,从终端看地平线障碍物可看做是锐利山脊,绕射损耗是基于Epstein -Peterson近似按双刃峰路径计算的。对范围大于的超视距路径,参考衰减按按绕射损耗计算和正向散射损耗计算中取较小者。

　　2.3　海上信道衰减仿真分析

　　按照上面建立的模型,利用Matlab进行数值仿真,仿真结果与实测数据如图1所示。Longley-Rice模型的具体算法和经验值以及近似拟合数据均等来自文献[3]。仿真模型主要参数为:频率1800MHz,发射天线高度200m,接收天线高度10m,气候类型为亚热带海洋性气候,地形为平地或水面,地面介电常数为海水(81),地面电导率为海水(5),地表折射率为320N单位。实测数据来自文献[4],文献[4]在福建漳州东海进行了海面信号衰落测试,基站高度为200m,频率1800MHz,移动台高度10m,通信距离为50至90km,每间隔1km测试一个点。

　　由图1知在预测海面传输衰落情况,利用Longley-Rice模型与实测数据吻合较好。平滑掉测试数据毛刺的影响仿真曲线和测试曲线基本一致,相差最大的点小于5dB,并且仿真结果和实测数据曲线均在65km左右突然变陡产生一个拐点,这是由于地球弧度的影响在这个位置直达路径消失,产生视距传播向衍射传播过渡的拐点,这与实际情况相符。

　　3　多径对伪码捕获的影响

　　当多径干扰落在一个扩频码片之外时,如果不采用Rake接收机,则多径干扰可以当作系统自噪声处理,自噪声过大会带来系统性能的下降。假设采用图2所示的伪码捕获方案,接收信号经过下变频后为其中s(t) =基于伪码速率的匹配滤波器的输出为:

　　当不存在多径干扰时,匹配滤波器输出序列的模方序列为yMF(k) =2PL2k,其中,伪码同步时Lk=1,否则(Lk)max=β/N(β为序列自相关序列绝对值次最大值,N为扩频伪码长)。当存在多径干扰时,匹配滤波器输出序列的模方序列为：

　　主径信号与本地伪码完全对齐时,模方值为(Lk)max=β/N(β为归一化互相关值,N为伪码长度)

　　多径信号与本地伪码完全对齐时,模方值为：

　　由此可以看出:匹配滤波器输出的主径信号与多径信号的差受到多径信号强度和伪码自相关特性的影响。多径干扰强度越大(α→1)、伪码自相关旁瓣值越大,匹配滤波器模方输出的多径信号峰与主径信号峰就越接近,在噪声干扰的情况下将多径信号捕获为强信号的概率就越大。如果将弱多径信号误捕为主径信号,会导致系统后续处理的有用信号功率降低,噪声干扰增大,从而导致信噪比降低。最恶劣的情况是多径信号特性不稳定,则导致后续无法跟踪和解调。下面提出利用Rake接收技术改善此性能。

4　Rake接收机设计及抗多径性能分析

　　4.1　结构设计及处理流程
　　　　

　　4.2　数值仿真及分析

　　利用Matlab对上文给出的理论性能和Rake接收机结构进行数值仿真。图4是由按(9)式解析仿真得到的理论误码率曲线,多径数为4,扩频增益为255。

　　图5是在以下仿真条件下得出的误码率性能曲线,仿真点数: 100000个bit莱斯因子K=5dB;扩频因子SF=255;多径数为7;LOS径延迟为0;其它六个多径延迟分别为: 1, 2, 3,4, 5, 6个码片;未采用Rake接收技术。图6是在以下仿真条件下得出的误码率性能曲线,仿真点数: 50000个bit;莱斯因子K=5dB;扩频因子SF=255;多径数为7;LOS径延迟为0;其它六个多径延迟分别为: 1, 2, 3, 4, 5, 6个码片, Rake叉指数为4;采用等增益合并方式。由于采用Rake接收机处理算法复杂,MentCarlo仿真很耗时,所以每个信噪比点只仿真了50000个点,信噪比大于6dB时点数不够多,得不出稳定的误码率,所以只仿真了6dB以内的点,也是因为仿真点数较少导致曲线不够光滑(但基本可以反映出解调性能)。

　　结论:①对比图4、6得出:采用Rake接收机理论解析仿真曲线与MentCarlo仿真曲线吻合较好;②由图5(未采用Rake接收机)、图6(采用Rake接收机)可以看出采用4个叉指的Rake接收机,与未采用Rake接收机相比,1dB~6dB范围内大约有大于2dB的性能改善,在信噪比为6dB时,误码率性能有大约一个数量级的改善,说明采用Rake接收技术确实能改善接收机性能。

　　5　结束语
本文取得了以下研究成果和创新:①分析了海上移动信道的特点,提出利用Longley-Rice模型作为海面无线信道仿真建模,小于1km以内用二径反射模型作为补充;②对信道模型进行了数值仿真分析;③分析了多径对扩频信号伪码捕获性能的影响,并提出采用Rake接收技术改善接收机的抗多径性能;④设计了一个Rake接收机方案,推导出该接收机结构的理论误码率公式;⑤进行了解析仿真和MentCarlo仿真,并比较分析了仿真结果,仿真结果与理论分析一致。本文研究成果对海上舰船之间的短波扩频通信系统设计提供比较有价值的参考。

　　参考文献:
[1]　杨大成.移动传播环境理论基础分析方法和建模技术[M].北京:机械工业出版社, 2003-8.
[2]　徐红艳,尉明明,冯玉珉.海上移动通信预测模型的选择[D].北京交通大学学报, 2005-4, 29(2).
[3]　P L Rice, A G Longley, K A Norton, A P Barsis. TransmissionLOSS Prodictions for Tropospheric Communication Circuits[R].U. S Government Printing Office, Washengton, DC, NBS Tech.Note 101. January 1967.
[4]　曾艳军.移动通信中电波传播特性研究及传播模型校正与应用[D].浙江工业大学硕士学位论文, 2003-1.
[5]　M Stojanovic and L Freitag. Hypothesis-Feedback EqualizationforDirect-Sequence Spread-Spectrum Underwater Communica-tions[J]. IEEE Oceans’00 Conference, Providence, RI, Sept.2000.
[6]　EM Sozer, JG Proakis, M Stojanovic, M Hatch, JA Rice andABenson. DirectSequence Spread Spectrum BasedModem forUnderWaterCommunication and ChannelMeasurement[C]. IEEE O-ceans’99 Conference, Seattle, WA, Sept. 1999.

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理