基于空中平臺(tái)的無線話音中繼通信網(wǎng)的容量分析*

向國(guó)菊，張遠(yuǎn)利

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

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基于空中平臺(tái)的無線話音中繼通信網(wǎng)的容量分析*

向國(guó)菊，張遠(yuǎn)利

(中國(guó)西南電子技術(shù)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(duì)無線話音中繼網(wǎng)絡(luò)多平臺(tái)共用信道必然產(chǎn)生“互擾”的特點(diǎn)，定義了話音中繼網(wǎng)絡(luò)三種通信形態(tài)，提出了判決網(wǎng)絡(luò)容量的網(wǎng)絡(luò)噪雜系數(shù)的概念，將無線通信信號(hào)衰落特性與Erlang話務(wù)量模型相結(jié)合，通過分析不同調(diào)制方式下中繼平臺(tái)數(shù)量與干擾概率、擁塞概率之間的關(guān)系，得出了中繼網(wǎng)絡(luò)容量。并指出話音中繼通信時(shí)可通過合理規(guī)劃中繼網(wǎng)絡(luò)、選擇調(diào)制方式及人為協(xié)同的方法，合理規(guī)避通信干擾或擁塞，對(duì)工程應(yīng)用具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：話音中繼；網(wǎng)絡(luò)容量；干擾；規(guī)避

0引言

面對(duì)自然災(zāi)害或人為災(zāi)難，需由救援中心提供對(duì)前方災(zāi)區(qū)救援實(shí)施可靠有效的指揮引導(dǎo)。但當(dāng)災(zāi)區(qū)處于高原、山區(qū)、盆地等特殊地域時(shí)，由于復(fù)雜的地形因素，災(zāi)區(qū)內(nèi)的救援飛機(jī)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(tái)，搭載話音中繼系統(tǒng)，完成救援飛機(jī)和救援指揮中心之間的話音中繼通信[8]。

當(dāng)受災(zāi)特別嚴(yán)重時(shí)，所派出的救援飛機(jī)數(shù)量多，且各飛機(jī)的話務(wù)量大，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)飛機(jī)平臺(tái)同時(shí)發(fā)話音，相互之間形成干擾或信道擁塞的現(xiàn)象，影響中繼網(wǎng)通信質(zhì)量。

本文基于當(dāng)前主流話音技術(shù)體制，對(duì)話音中繼網(wǎng)容量進(jìn)行分析，并提出規(guī)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(jī)以f2發(fā)送話音，中繼臺(tái)1收到信號(hào)后，解調(diào)出話音信號(hào)，通過接口送中繼臺(tái)2話音發(fā)送口；中繼臺(tái)1同時(shí)給出控制信號(hào)，控制中繼臺(tái)2發(fā)送，中繼臺(tái)2將話音調(diào)制后通過f1發(fā)送至無線信道，救援指揮中心接收后解調(diào)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(wǎng)絡(luò)容量分析

2.1定義

2.1.2中繼通信形態(tài)

在中繼通信過程中，根據(jù)各平臺(tái)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(tài)[3]，即：

(1)自由通信：通信網(wǎng)不存在任意兩個(gè)平臺(tái)之間的發(fā)射沖突，任意平臺(tái)均能正常通信，即任意時(shí)刻只有一部機(jī)載臺(tái)在發(fā)射，能夠和救援指揮中心進(jìn)行通信，定義其出現(xiàn)的概率為PA。

(2)中繼擁塞：通信網(wǎng)存在發(fā)射沖突，但只有一個(gè)平臺(tái)能正常通信，即多部機(jī)載臺(tái)同時(shí)發(fā)送話音，有且僅有一部機(jī)載臺(tái)和地面臺(tái)能進(jìn)行正常通信，其余信號(hào)無法中繼到地面臺(tái)，定義其出現(xiàn)的概率為PC。

(3)中繼干擾：通信網(wǎng)存在發(fā)射沖突，任意平臺(tái)均不能正常通信，即多部機(jī)載臺(tái)同時(shí)發(fā)送話音，信號(hào)相互影響，多部機(jī)載臺(tái)均不能和地面臺(tái)進(jìn)行正常通信，定義其出現(xiàn)的概率為PI。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)嘈雜系數(shù)

由于中繼干擾時(shí)網(wǎng)絡(luò)是不可用的狀態(tài)，任何一方均不能通信，而擁塞時(shí)至少一個(gè)成員可以通信，綜合考慮這兩個(gè)因素[4]，定義網(wǎng)絡(luò)嘈雜系數(shù):

(1)

2.1.3中繼網(wǎng)絡(luò)容量

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)嘈雜系數(shù)大于0.2時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)平臺(tái)數(shù)量定義為網(wǎng)絡(luò)容量N。

(2)

2.2分析模型

在中繼應(yīng)用中，往往是一個(gè)救援指揮中心對(duì)多個(gè)直升機(jī)，上行鏈路不會(huì)擁塞，故僅需要考慮下行鏈路擁塞。考慮到現(xiàn)有通信設(shè)備及天線條件下，飛機(jī)之間有效通信一般不超過400 Km，飛機(jī)分布在400 Km范圍內(nèi)是隨機(jī)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(tái)為中心，分析范圍為半徑400 km的球型區(qū)域；

(2)各被中繼平臺(tái)在中繼平臺(tái)覆蓋范圍內(nèi)呈隨機(jī)分布。

因飛機(jī)所用天線一般為全向天線，而球形區(qū)域中，平臺(tái)位置的三個(gè)因素(ρ，φ，θ)中影響無線通信干擾分析的因素只有ρ一項(xiàng)，故可以將模型進(jìn)行等效簡(jiǎn)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(tái)為原點(diǎn)，各平臺(tái)分布在一條直線上；

(2)由于各平臺(tái)在400 km內(nèi)各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性是相同的，服從均勻分布。

2.3調(diào)幅、調(diào)頻方式通信網(wǎng)干擾與擁塞

2.3.1調(diào)幅、調(diào)頻信號(hào)強(qiáng)度信道擁塞概率

首先，在不考慮機(jī)載臺(tái)的分布規(guī)律，在各機(jī)載臺(tái)和中繼平臺(tái)等距離情況下計(jì)算中繼通信網(wǎng)的擁塞概率，等距離也就意味著中繼平臺(tái)收各部機(jī)載臺(tái)信號(hào)強(qiáng)度基本一致。調(diào)幅調(diào)頻模式下，當(dāng)?shù)刃盘?hào)強(qiáng)度時(shí)，任意兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)發(fā)射都會(huì)彼此引起干擾，定義此干擾概率為P1，可用Erlang公式[1]進(jìn)行計(jì)算：

(3)

其中,y為平均話務(wù)量，N為信道數(shù)量，n為同時(shí)呼叫的人員數(shù)量。

平均話務(wù)量y與空中平臺(tái)數(shù)量、飛行員通話頻率和每次通話時(shí)間有關(guān)。根據(jù)飛行及任務(wù)過程中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)飛行平臺(tái)通話頻率λ一般為0.2次/分鐘，每次說話平均時(shí)長(zhǎng)t約為5S左右，故：

(4)

對(duì)于無線中繼通信來說，所有用戶公用一個(gè)信道，故N=1，n=1。

用以上參數(shù)對(duì)公式1進(jìn)行簡(jiǎn)化：

(5)

上式為等信號(hào)強(qiáng)度情況下中繼通信網(wǎng)內(nèi)被中繼的平臺(tái)數(shù)和擁塞概率的關(guān)系式。

2.3.2調(diào)幅、調(diào)頻通信干擾門限與任意平臺(tái)之間形成干擾的概率

與電話交換網(wǎng)不同，電話交換網(wǎng)中，當(dāng)某一用戶占用信道后，其他用戶不能再占用該信道，但對(duì)于無幅調(diào)頻方式通信來說，由于無線信道的衰落，中繼平臺(tái)接收不同的機(jī)載臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)度有區(qū)別，當(dāng)接收的兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度可比擬時(shí)，會(huì)造成干擾或擁塞，而當(dāng)某一信號(hào)對(duì)另一信號(hào)具有壓制性優(yōu)勢(shì)時(shí)，弱信號(hào)不會(huì)影響強(qiáng)信號(hào)的接收，用干擾門限定義信號(hào)之間強(qiáng)度關(guān)系[1]。

干擾門限：當(dāng)中繼平臺(tái)同時(shí)收到兩個(gè)平臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)度之差小于某個(gè)數(shù)值時(shí)，則會(huì)形成干擾，導(dǎo)致地面臺(tái)無法正確解調(diào)出話音，此信號(hào)強(qiáng)度差即定義為干擾門限。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在調(diào)幅調(diào)頻通信方式下，干擾門限約為6dB。根據(jù)無線信道衰落公式[2]：

L=32.45+20logf(MHz)+20logρ(Km)

(5)

假設(shè)通信的各平臺(tái)之間無線通信終端及天線配置情況基本一致，那么，根據(jù)公式(4)計(jì)算，當(dāng)任意兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)發(fā)射時(shí)，他們與中繼平臺(tái)的距離之比小于2，則中繼平臺(tái)收到二者信號(hào)強(qiáng)度之差則小于6 dB，低于干擾門限閥值，會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致中繼擁塞。假設(shè)平臺(tái)1距離中繼平臺(tái)距離為L(zhǎng)1，平臺(tái)2距離中繼平臺(tái)距離為L(zhǎng)2，如圖4所示。

圖4調(diào)幅調(diào)頻通信方式任意平臺(tái)之間同時(shí)發(fā)射干擾區(qū)間

(6)

2.3.3調(diào)幅、調(diào)頻通信中繼干擾和擁塞概率

中繼干擾概率應(yīng)該與超過干擾門限的概率和等信號(hào)強(qiáng)度信道擁塞概率有關(guān)，而超過干擾門限與等信號(hào)強(qiáng)度信道擁塞兩個(gè)事件為獨(dú)立事件[3]，故中繼干擾概率PI：

(7)

系統(tǒng)擁塞概率PC：

(8)

圖5調(diào)幅、調(diào)頻方式下機(jī)載臺(tái)數(shù)量與不同概率的關(guān)系圖

從圖 5可以看出，當(dāng)一個(gè)話音中繼網(wǎng)內(nèi)機(jī)載平臺(tái)數(shù)量為15架時(shí)，網(wǎng)絡(luò)干擾概率大致為10%。當(dāng)機(jī)載平臺(tái)數(shù)量達(dá)到40架時(shí)，擁塞概率基本達(dá)到20%。可以看出，調(diào)幅、調(diào)頻通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)容量N約為22。

推論：調(diào)幅、調(diào)頻方式無線通信中繼網(wǎng)不會(huì)隨著用戶數(shù)量的增加而出現(xiàn)“堵死”的現(xiàn)象，而是隨著機(jī)載平臺(tái)數(shù)量增加，干擾概率逼近1/2。這是與普通民用電話交換網(wǎng)不一致的地方。究其原因，就是因?yàn)闊o線信號(hào)傳輸過程中由于平臺(tái)之間距離不一致帶來的信號(hào)衰落不一致，強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的壓制所致。

2.4跳頻方式通信網(wǎng)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(jī)跳頻圖案算法的控制下，射頻頻率在約定的頻率表內(nèi)，以離散頻率的形式偽隨機(jī)且同步地快速跳變。通信雙方有個(gè)同步過程，也就是接收臺(tái)跳頻圖案跟隨發(fā)送臺(tái)同步。如此時(shí)第三部臺(tái)也在發(fā)射，其發(fā)射頻點(diǎn)和接收臺(tái)并不同步，實(shí)際上接收臺(tái)無法接收第三部臺(tái)的信號(hào)，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(diào)幅、調(diào)頻方式，在相同干擾信號(hào)強(qiáng)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(diào)幅調(diào)頻通信，當(dāng)“干擾信號(hào)”到來時(shí)，如果與正在通信的信號(hào)強(qiáng)度之比超過干擾門限，由于接收機(jī)的AGC作用，接收端會(huì)將“干擾信號(hào)”正常解調(diào)，此時(shí)干擾信號(hào)能正常通信，而原來正在通信的信號(hào)受到壓制。而對(duì)于跳頻通信，需有頻率同步、糾錯(cuò)譯碼等過程，可允許部分頻點(diǎn)被壓制干擾，故干擾概率基本為0。對(duì)0的模型進(jìn)行修正后，可計(jì)算得跳頻方式下機(jī)載臺(tái)數(shù)量與擁塞概率、干擾概率、自由通信概率和網(wǎng)絡(luò)嘈雜系數(shù)的關(guān)系圖，見圖6。

圖6　跳頻方式機(jī)載臺(tái)數(shù)量與四個(gè)概率關(guān)系圖

從圖6可以看出，當(dāng)一個(gè)話音中繼網(wǎng)內(nèi)機(jī)載平臺(tái)數(shù)量為20架時(shí)，網(wǎng)絡(luò)干擾概率大致為20%。當(dāng)機(jī)載平臺(tái)數(shù)量達(dá)到40架時(shí)，擁塞概率基本達(dá)到38%，采用跳頻方式通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)容量N約為40。

從圖5、圖6對(duì)比可以看出，跳頻方式干擾概率比調(diào)幅調(diào)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(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)容量是有好處的，故跳頻方式網(wǎng)絡(luò)容量比調(diào)幅調(diào)頻方式要高。

3規(guī)避干擾和擁塞方法探討

當(dāng)遇到可能出現(xiàn)中繼網(wǎng)干擾或擁塞時(shí)，可采取以下三種方式進(jìn)行處理：

(1)合理規(guī)劃中繼網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)任務(wù)特性，以能夠忍受的干擾或擁塞程度合理規(guī)劃中繼網(wǎng)絡(luò)，將需要執(zhí)行任務(wù)的平臺(tái)分別配屬到不同的中繼網(wǎng)絡(luò)中，保持通信的可達(dá)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(yōu)選跳頻方式進(jìn)行中繼；

(3)人工協(xié)同：由于目前話音未采用“尋址呼叫”體制，而采用廣播機(jī)制，當(dāng)各平臺(tái)之間不存在遮擋且互相在覆蓋范圍之內(nèi)時(shí)，本平臺(tái)可以監(jiān)聽到其他平臺(tái)的話音，當(dāng)監(jiān)聽到其他平臺(tái)正在

進(jìn)行中繼通信時(shí)，盡量不要搶話，待信道空閑之后再進(jìn)行通信。

4結(jié)語

本文分析了當(dāng)前主流通信體制下中繼話音網(wǎng)絡(luò)的容量，并給出了規(guī)避干擾或擁塞的方法建議，所采用的分析模型與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景基本一致，其結(jié)論具有普遍性和實(shí)用性，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中指導(dǎo)了中繼網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，取得了較好的效果。同時(shí)需要指出的是，文中所采用的都是比較傳統(tǒng)的通信體制，干擾基本都是體現(xiàn)在“射頻”層面，分析模型尚不復(fù)雜，目前，定向天線，尋址呼叫或同步時(shí)分復(fù)用等多種通信技術(shù)都已經(jīng)大量運(yùn)用，如將之引入中繼通信，將進(jìn)一步提高中繼網(wǎng)絡(luò)的容量，可作為深入研究本課題的重要方向。

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向國(guó)菊(1983—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ旁O(shè)備和系統(tǒng)研制；

張遠(yuǎn)利(1979—)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ旁O(shè)備和系統(tǒng)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(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2015)07-0835-05

收稿日期：*2015-03-06；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.017