电离层信道特征参数对短波通信质量影响的试验分析

孙凤娟，柳 文，李铁成

(中国电波传播研究所青岛分所，山东青岛 266107)

0 引言

短波通信以其抗摧毁能力强、灵活性高、设备简单及造价低廉等特点，成为世界各国中、远程通信的主要手段。但是，短波通信也有其缺点。由于电离层媒质的时变、色散特性再加上环境和人为的干扰，使其通信质量低、误码率高，如果不采用信道自适应技术加以克服，很难满足用户对通信服务的需求［1，2］。高频自适应技术的关键是如何实现对众多信道进行实时有效的估值，这就是人们通常所说的实时信道估值技术，即RTCE技术。实时信道估值的含义是实时测量一组信道参数，并利用得到的参数来定量描述信道的状态和对传输各通信业务的能力。

通常，表征短波信道性能的参数一般有信号能量、噪声功率、多径扩展、多普勒频移、多普勒展宽、衰落率和衰落深度等［3～5］。这些参数都从不同的侧面描述了信道的特征。为了便于研究短波各信道参量对短波通信质量的影响，电波所在新乡和青岛之间搭建起综合试验平台。该平台融斜测和通信于一体，其最大的优势在于斜测和通信都采用同一套硬件设备，不存在探测与通信之间设备不匹配的问题，再者信道探测和通信同时进行，也不存在探测与通信之间时间上的差异，这两个方面的优势保证了分析信道特征信息对短波通信质量影响的可信度。

依据上述试验平台录取数据进行了信道特征参量及通信误码率的统计计算，分析了各特征参量对误码率的影响，并提出了一种基于经验模式的短波通信质量评估方法。

1 试验安排

本次电离层斜向探测与短波通信误码率同步测量试验开展于2010年1月至6月之间，每月进行一次试验，每次试验时间为5～10天，每天基本上涵盖日出、日落、白天、夜晚四个时段。

试验采用扫频工作方式，扫频范围6～25 MHz，步进1 MHz，每个频点驻留2 048个信号重复周期，以便获取信道散射函数及通信误码率。每个扫频周期开始之前，先进行一次电离层常规探测，获取该时段的斜向探测扫频电离图［6］，辅助辨识电离层传播模式，获取信道特征信息。

2 数据选取及信息提取方法

2.1 数据选取方法

文献资料［7］指出外部干扰对短波通信的影响非常大，约有80%的通信中断是由外部干扰引起的。因此，进行短波通信选频时应该避开那些被干扰的频点，选择没有干扰或干扰相对较小的频点进行通信，借助干扰检测仪可以很容易地实现这个功能。为此，分析信道参量对通信质量影响时，并没有着重分析干扰的影响，而是避开了强干扰频点，重点分析其余参量的影响。因此，数据选取时首先依据接收到的通信信号时域、频域特征将强干扰频点的数据进行了剔除。

另一方面，短波数据传输中对误码率的要求一般是在信噪比为10 dB条件下制定的，因此数据处理时主要选取信噪比大于10 dB的数据进行分析。

2.2 信息提取方法

该试验需要提取的信息包括两部分:信道特征信息和通信误码率信息。其中，通信误码率信息是通过对接收到的通信信号进行译码计算得到，而信道特征信息则是通过对斜向定频探测结果进行分析计算得到。

前面已经提到发射的信号为二元伪随机调相信号，属绝对移相信号。鉴于绝对移相信号对传输过程中的相位扰动比较敏感，进行译码处理时将发射的“绝对移相”信号视为“相对移相”信号，采用2DPSK方式进行译码，并将译码结果与发射码序列的“相对序列”进行比对，统计每个码序列上的误码数及连续2 048个码序列的累积误码率。

至于信道特征信息的提取，综合考察各个参数的影响，提取了信噪比、衰落深度、衰落率、多径散布、各模式信号幅度、群距离、主模式相位、多普勒频移及多普勒扩展等参量，具体定义及提取方法如下。

a)信噪比

信号能量与噪声功率的比值。计算时首先利用没有信号到达的噪声子样计算噪声功率，然后利用该噪声功率作为门限对接收的每个信号子样进行判决，仅利用大于门限的子样进行信号能量计算。

b)衰落深度和衰落率［8］

接收信号幅度累积分布曲线上90%与10%两点之间所对应的信号幅度之差为衰落深度;衰落率则定义为单个小m序列周期内以正斜率越过中值电平的次数。

c)多径扩展［9］

定义模式识别后，第一个传播模式3 dB上升沿与最后一个传播模式3 dB下降沿之间的时延差为多径扩展，当只存在一种传播模式时，多径扩展等于该模式的时延扩展，用3 dB宽度表征。

d)各模式信号幅度、群距离

模式识别后，选取每个模式幅度最大点对应的群距离和幅度值作为该模式的群距离和幅度。

e)主模式相位、多普勒频移和多普勒扩展

定义第一个能够识别的传播模式为主传播模式，其幅度最大点对应的相位为主模式瞬时相位;当接收信噪比较大时，该值表征电离层相位扰动引起的主模式相位的变化量;将相干积累时间内多个主模式相位进行周期延拓，然后用直线去拟合，得到的直线斜率便为主模式的多普勒频移，而拟合后剩余的残差项表征多普勒扩展。

3 信道参数对误码率影响的分析

3.1 信噪比

试验数据研究结果表明，信噪比是影响短波通信的一个主要因素。给出两个分析实例如图1、图2所示，图中曲线a表征每帧数据内误码个数的变化趋势，曲线b表征每帧数据接收信噪比的变化情况，由此可以明显看出，除了个别时段信噪比较高、误码率也比较高(后续分析可知这是由其他原因导致)外，其余时段都有信噪比降低误码率升高的规律，这表明接收信噪比低会引起较高的误码。

定量分析结果表明，除个别点外，大致存在通信误码率随接收信噪比的增大而减小的趋势，且绝大部分高误码点都发生在接收信噪比小于10 dB的地方。2010年5月份实测短波通信误码率与接收信噪比的累积分布曲线如图3所示，从图3中可以看出，约有95%的误码发生在接收信噪比低于9.2 dB的情况。

图3 实录误码率与接收信噪比的累积分布关系

3.2 衰落深度和衰落率

将一个定频积累周期内小m序列对应的衰落深度变化曲线与对应周期内误码数的变化曲线、接收信噪比的变化曲线比较后发现:衰落深度对误码的影响主要发生在信噪比较低的情况，整体信噪比越高，衰落深度的影响越弱。在信噪比较低的情况下，即使衰落深度不是很大，也可造成很高的误码;而如果整体信噪比较高，即使衰落深度较大，也不一定产生误码，这也说明，信噪比和衰落深度对误码的影响不是独立的，二者存在一定的相关性。与图2相对应的衰落深度与误码数的对照关系图如图4所示，由此可以看出衰落深度出现明显尖峰的区域，通常会出现误码数突增。

图4 衰落深度与误码数的对照关系图

衰落率与误码数的对照关系，如图5所示，表明误码与衰落率的变化关系不明显，意味着通信误码率对衰落率的依赖性不强，不能仅依据衰落率的大小评估通信误码率的高低。

3.3 相位扰动

图5 衰落率与误码数的对照关系图

此次综合试验平台数据统计中发现，相位扰动是造成误码的重要因素。2010年5月7日14时24分的一次试验结果如图6所示。其中，图6(a)为信号瞬时相位与误码数的关系，图中直线为相位判决门限。从图中可以看出瞬时相位共有11次扩越判决门限，引起相当大的误码。由于瞬时相位已经测得，根据实测的瞬时相位进行相位补偿，相位补偿前后误码数的对比如图6(b)所示。

相位补偿后，该时段内的累积误码率由原来的11.289 8%降至1.199%，降了约10个百分点，这表明该时段内的误码主要由电离层相位扰动引起的，约占误码总数的89.38%。这充分说明电离层相位扰动会引起很高的误码。

3.4 多径效应

大量实测数据的分析显示:单一传播模式下，细微多径散布对误码率的影响不大，多种模式之间的码间串扰才是引起误码的重要因素。此外还发现，多种传播模式对通信误码率的影响不能单纯用多径散布来描述，需综合考虑主副模式比的影响。多径效应对误码率影响的示例图如图7所示，其中图7(a)为误码率与多径散布的对照关系，图7(b)为误码数与主副模式比的对照关系。由此可以看出，多径散布对误码数的影响不明显，高误码数主要发生在主副模式比小的情况。

2010年5月份实录多模数据在平均接收信噪比大于10 dB情况下，相位补偿后误码率随主副模式比的变化关系如图8所示，对应相同数据、相位补偿后误码率与多径散布的变化关系如图9所示。图形显示，相位补偿后累积误码率随主副模式比的增大有逐渐减小的趋势。因此，采用主副模式比作为量化多径效应对通信误码率影响的参量。

3.5 经验评估模式

前4小节单独描述了影响短波通信质量的因素，事实上，这些因素并不是独立存在，往往是多种因素的综合效果影响短波通信的质量。但是如何评估这些因素对通信的综合影响，却是一个需要深入研究的问题。

基于对综合试验平台实录数据的深入分析，提出了一种基于经验模式描述多种因素综合影响通信质量的方法。其基本思想是基于大量的实测数据，拟合通信误码率关于不同影响因素的多元函数，该函数称为经验评估模式，而模式的相关参数称为经验评估系数，然后基于实测的信道参数和相关参数，代入该经验评估模式便可定量评估这些参数对通信质量的影响。

描述相位扰动的参量——多普勒频移和多普勒展宽与相位扰动引起的误码率之间的一个经验模式如图10所示;利用未参与拟合的实测数据验证该经验模式的一个结果如图11所示，从图11中可以看出，基于实测的多普勒频移和展宽预测的误码率与实测误码率能够很好的吻合。

此外，也开展了基于斜向探测得到的信噪比和衰落深度评估通信质量的研究，通过对2010年1月至2010年6月连续6次试验数据的分析统计，初步拟合出接收信噪比低引起的误码率随接收信噪比、衰落深度变化的经验模型，如图12所示。

利用未参与拟合的实测数据验证该经验模型的一个结果如图13所示，从图13中可以看出，基于实测的接收信噪比和衰落深度预测的接收信噪比低引起的误码率与实测误码率吻合的比较好，表明该经验评估模型具有一定的实效性。

4 结语

基于综合试验平台实录信道参量对通信误码率影响的定量分析可以得到两点结论。

(1)当信道中不存在外部干扰，且信噪比达到一定量值时，各信道参量引起的误码率确实可由相应的信道参量的大小来度量。但是要综合评估某一频点下通信误码率的大小，还需要综合考虑各信道参量的影响。

(2)当系统可以容忍较大误码时，可采用简单的方法来评估，即:对于单一传播模式，主要考虑电离层相位扰动引起的误码率和接收信噪比低引起的误码率之和的大小;而对于多种传播模式，则主要考虑电离层相位扰动引起的误码和主副模式比较小(多径效应)引起的误码率之和的大小。

目前，只是基于有限的试验数据开展了一些理论研究工作，得到的经验评估模式不一定具有普适性。但是，研究结果表明基于经验评估模式的思想评估短波通信质量是可行的。此外，在研究中也发现，不同时段(如日出、日落时段)经验评估模式及系数是不同的，因此，在实际工程应用中，不能简单采用已有的经验模式，而是通过大量积累信道探测和通信的历史数据，采用就近原则，利用接近当前时刻的历史数据，实时重建经验评估模式或模式的系数，实时评估当前信道参数对通信的影响，可能会取得更好的效果。

［1］戴耀森.高频时变信道［M］.北京:人民邮电出版社，1985.

［2］凡俊梅，马小村，李雪，等.电离层不均匀体对短波信号影响的实验研究［J］.电波科学学报，2008，23(3):443-448.

［3］鲁转侠，凡俊梅，柳文，等.短波信道时间选择性衰落特性的实验研究［J］.中国电子科学研究院学报，2011(6):597-602.

［4］凡俊梅，吴振森，焦培南，等.电离层不同传播模式信号衰落的实验研究［J］.武汉科学学报，2009，55(2):244-248.

［5］凡俊梅，焦培南，吴振森，等.电离层不同传播模式信号多普勒频移的实验研究［J］.电波科学学报，2008，23(1)，34-40.

［6］凡俊梅，鲁转侠，焦培南.电离层斜向传播模式的智能判别［J］.电波科学学报，2009，24(3):471-475.

［7］戴耀森.短波数字通信自适应选频技术［M］.浙江:浙江科学技术出版社，1990.

［8］孙凤娟，焦培南，李铁成.短波信道衰落特性试验研究与仿真［J］.中国电子科学研究院学报，2009(4):399-403.

［9］DAVIES N C，CANNON P S.DAMSON-A System to Measure Multipath Dispersion，Doppler Spread and Doppler Shift on Multi-Mechanism Communications Channels［C］.CP-543，AGARD CP 543，1993.