無線環境對手持終端設備的影響

劉 法

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

近些年，在機載電子設備的長期使用過程中，由于元器件指標漂移等原因，設備可能會出現發射功率、接收靈敏度等性能指標的下降，此類性能指標的下降通過機內自檢不可檢測。同時，現有飛機的天線、饋線、連接電纜等硬件部分的故障也無法通過機內軟件自檢進行檢測和定位，因此需要配置外部手持終端對飛機航電功能進行無線驗證。即手持終端檢測儀通過無線檢測的方式，覆蓋航電功能子系統的硬件資源，彌補機內自檢能力的不足，通過粗精度指標測試分析，及早發現性能指標下降問題。在子系統出現故障時，提出維修策略和建議，對子系統維修提供有力支撐，同時在修復性維修完成后對維修效果進行確認。

現階段為了提高航電系統的測試診斷能力，國外和國內分別制定了SAEAIR5783-2007[1]/GJB25 47A[2]等規范標準；但是這些標準只負責研制階段，不能指導后期功能驗證。此外，文獻[3]設計了針對機內航電系統FC網絡的檢測方法；文獻[4]設計了基于PXI總線的航電設備檢測系統；文獻[5]給出了基于連續模糊動態模型的航電系統失效檢測方法。但以上標準和文獻僅聚焦于機內航電故障診斷，而沒有考慮外部設備對航電功能的驗證。文獻[6]給出了基于GPTS平臺的航空電子通用自動檢測系統，該系統位于機外，用于航電系統檢測。但該系統并沒有考慮無線環境對外部航電檢測系統的影響。

針對無線環境對機外手持終端設備的影響分析缺乏，本文在室外和室內2種傳輸場景中，基于兩徑模型、瑞利衰弱傳輸模型和萊斯衰弱傳輸模型等3種無線傳輸模型，給出了手持終端設備接收到的航電信號功率、航電功能的碼間串擾(ISI)和低于解調靈敏度的傳輸失敗概率等指標的理論分析及影響。最后，通過仿真結果驗證了該理論。

1 室外無線環境分析

在室外無線信道中，發射和接收天線之間總是存在多于一條的信號傳播路徑。因此，發射機和接收機之間的信道應建模為多徑信道。但是，在室外進行手持終端功能測試時，發射機和接收機均為靜止模型，故不存在多普勒頻移影響，只需考慮由時間色散效應引起的頻率選擇性衰弱。

由于飛機的外場檢測多處于室外空曠地區，因此，所采用的無線傳輸模型為單一地面反射波在多徑效應中起主導作用的兩徑傳輸模型，如圖1所示。在圖1中，手持終端的接收信號由兩部分組成：經自由空間到達接收機的直射分量和經過地面反射到達接收機的反射分量。如圖1所示，直射路徑為L，地面反射路徑分量分別為L0、L1。忽略地面反射面對航電信號造成的衰減，基于兩徑模型，手持終端接收到的信號[7]為：

(1)

由于兩徑傳輸模型的時延擴展等于反射路徑相對于直射路徑的時延τ，由此可得出兩徑傳輸模型的相干帶寬為：

(2)

如果發射信號帶寬B小于相干帶寬Bi，則發射信號經過平坦的信道頻率響應，故經歷非頻率選擇性衰弱；相反情況，如果信號帶寬大于相干帶寬，則發射信號會被有限的信道帶寬過濾掉，因此會經歷頻率選擇性衰弱。

在實際航電檢測應用中，假定飛機的發射天線高度Ht為3 m，手持終端的接收天線高度Hr為1.5 m，飛機發射機與終端設備的距離d為50 m。發射機天線增益和接收機天線增益GL=Gr=1，應用公式(2)得到兩徑模型的相干帶寬為Bi=1.67 GHz。由于航電系統中通信、導航、識別(CNI)的功能信號帶寬均小于此相干帶寬；因此，針對兩徑傳輸環境而言，航電CNI功能信號頻帶內衰弱基本一致，即不會產生ISI情況。

當手持終端接收航電功能的窄帶信號時，其接收功率為：

(3)

當滿足d?Ht+Hr時(數量級為10倍以上)，可得：

(4)

將公式(4)轉化為分貝表示形式可得：

P2-way(dBm)=Pt(dBm)+10lg(Gl)+

20lg(HtHr)-40lg(d)

(5)

2 室內無線環境分析

由于室內無線多徑傳輸環境復雜，故假定航電功能的發射信號帶寬小于室內信道相干帶寬，即航電信號在室內無線環境中呈現平坦衰弱。基于此前提，飛機航電發射機發送的信號在傳輸過程中發生多徑傳輸，導致手持終端接收機接收的信號幅度因多徑信號疊加而產生衰弱，這個接收信號幅度的分布服從瑞利分布或者萊斯分布，即多條散射路徑中沒有一個散射路徑占主導地位，可用瑞利衰減信道模型建模；如果多徑中有一條路徑占主導地位，可用萊斯衰弱信道模型建模。

(1) 瑞利分布

(6)

式中：Pr=2σ2，為信號的平均接收功率。

考慮到路徑損耗和陰影效應，則手持終端的接收功率概率密度函數為：

(7)

手持終端的接收信號平均功率Pr由兩徑模型P2-way確定，參見公式(3)和(4)。假設手持終端某航電功能解調的靈敏度門限為Ps。基于瑞利衰弱信道模型，手持終端接收機接收到的信號功率低于門限功率Ps的概率(即手持終端接收信號的中斷概率)，表示如下：

(8)

(2) 萊斯分布

當手持終端所處無線多徑信道中存在一個固定直射分量時，其接收信號是復高斯分量和直射分量的疊加，信號包絡服從萊斯分布：

(9)

基于萊斯衰弱信道模型，手持終端接收的平均功率為：

(10)

采用衰弱參數K來表示萊斯分布，其定義為：

(11)

式中：K代表多徑中直射信號和非直射信號分量的功率比。

(12)

考慮到萊斯衰弱的信號功率概率密度函數計算復雜，故采用通過Nakagami衰弱信道模型來實現其功率概率密度仿真的實現。Nakagami衰弱分布為：

(13)

式中：m為衰減參數，令m=(K+1)2/(2K+1)，則Nakagami分布可近似為參數為K的萊斯分布；Γ(·)為伽馬函數，該函數定義為：

(14)

3 仿真分析驗證

本章節的仿真驗證主要研究在不同的載波頻率上，基于兩徑傳輸模型的接收功率仿真驗證，基于瑞利衰弱信道模型、手持終端的中斷概率仿真驗證，基于萊斯衰弱信道模型、手持終端的中斷概率仿真驗證。

(1) 基于兩徑傳輸信道模型仿真分析

在室外無線環境中，兩徑模型仿真參數設定為：飛機航電某功能的發射功率Pt=0 dBW，該發射天線高度Ht為4 m，手持終端的接收天線高度Hr為0.7 m。發射天線和接收天線增益Gt=Gr=1，該功能的發射信號載頻分別為30 MHz、300 MHz和1.1 GHz。

如圖2所示，在飛機發射機和手持終端接收機距離d大于50以上(lg50=1.7)時，手持終端的接收信號功率隨d-4呈現遞減，可由公式(4)得出該結論。而當距離d過近時，直射路徑和反射路徑2路電波發生干涉，形成一系列的最大、最小值。此時，小尺度衰弱起決定作用。故在實際測量過程中，不推薦將手持終端距離飛機發射天線過近。

圖2 兩徑模型中接收信號功率與距離關系

(2) 基于瑞利衰弱和萊斯衰弱信道模型的仿真分析

在室內無線環境中，基于瑞利衰弱信道模型，仿真參數設置為：飛機航電某功能發射功率為0 dBW，發射天線和手持終端接收天線的增益均為1，飛機和手持終端的距離d為100 m，發射天線高度為4 m，接收天線高度為0.7 m。基于兩徑信道傳輸模型，可得手持終端接收到信號在載波頻率為30 MHz、300 MHz和1.1 GHz的平均功率Pr=P2-way(由公式(3)可得)為[-41.07，-41.11，-41.68](dBm)。注意該仿真在基于兩徑傳輸模型的大尺度衰弱仿真中沒有考慮陰影效應，這是由于陰影效應需考慮飛機的形狀、大小、方位及飛機外皮的介電常數等因素，這些因素需根據實物實測給出。

圖3 基于瑞利衰弱信道模型的中斷概率仿真曲線

如圖3所示，橫坐標表示手持終端航電功能的解調靈敏度門限Ps，縱坐標表示接收到的實際功率低于該門限的概率，即中斷概率。如圖3所示，平均功率Pr=[-41.07，-41.11，-41.68](dBm)時，隨著靈敏度Ps的增大，手持終端接收到的信號能實現解調的中斷概率在增大。這是因為，基于相同的大尺度衰弱條件(即手持檢測終端距飛機的距離不變)，隨著靈敏度門限Ps的增大，手持終端接收到的航電功能信號功率大于靈敏度Ps的概率在降低，也就是說手持終端解調信號的能力在減弱，從而飛機與手持終端之間的通信中斷概率增大。此外，基于相同門限Ps，隨著載波頻率的增大，φ(Pr)增大。這是由指數函數特點決定的，參見公式(8)。

在室內無線環境中，基于瑞利衰弱信道和萊斯衰弱信道模型，仿真參數采用圖3所設參數，其中新增參數K=1，載波頻率為1.1 GHz。如圖4所示，當K=1時，通過Nakagami衰弱分布近似得到萊斯分布；而當m=1時，Nakagami衰弱分布退化為瑞利分布。如圖4所示，由于萊斯信道存在一條直射路徑，故在相同的靈敏度門限下，手持終端接收到的信號功率的中斷概率相比于瑞利信道環境下φ(Ps)的要低。

圖4 基于瑞利和萊斯衰弱信道中斷概率比較仿真曲線

4 結束語

本文分析了無線環境對用于機載航電綜合測試手持終端的影響。首先，基于室外環境模型，將無線信道模型建模為兩徑模型，并給出在該模型下手持終端接收信號的功率分析和該信號是否會受到ISI的影響；其次，基于瑞利和萊斯信道模型，并聯合大尺度和小尺度衰弱，給出手持終端的中斷概率理論推導；基于3種無線信道模型，分別給出手持終端接收信號的功率性能仿真分析、中斷概率與接收靈敏度之間的仿真分析。本文理論分析及仿真對提高未來手持終端航電檢測設備的設計具有一定的參考價值。