报务系统抗干扰通信效能评估

周国祥,戴浩, 刘兵, 周亚民



报务系统抗干扰通信效能评估

周国祥,戴浩, 刘兵, 周亚民

(海军蚌埠士官学校三系, 安徽蚌埠, 233012)

评估报务系统抗干扰通信效能, 对于干扰环境下科学制定报务计划、优化和提升报务系统各项抗干扰通信指标等具有重要意义。报务系统抗干扰通信效能评估涉及大量难以量化的因素, 且因素间存在多重相关性。建立了报务系统抗干扰通信效能评估模型, 运用主成分分析法将相关性很高的变量转化成彼此独立或不相关的变量, 并对该模型的多项指标进行综合聚集。计算结果表明, 利用主成分分析进行报务系统抗干扰通信效能评估是有效可行的。

报务系统; 抗干扰通信; 效能评估; 主成分分析

无线电报务是保障部队作战指挥的主要通信方式, 是现代海战中通信系统的一部分, 其目标是使部队在合成作战环境中达到高度的信息互通, 从而使战斗部队获得信息优势。同时, 报务系统也是敌方实施侦察、干扰的重要目标。对报务系统抗干扰通信效能进行评估, 对于干扰环境下科学制定报务计划、优化和提升报务系统各项抗干扰通信指标具有重要意义。目前, 对无线电报务方面的研究主要集中在莫尔斯报务信号的检测和识别、报务训练系统开发、报务训练组织等方面, 对报务系统抗干扰通信效能评估方面的研究较少, 缺乏具体的抗干扰通信效能评估指标。文献[1]构建了战术通信网抗干扰效能评估指标体系, 采用定性方法进行通信网效能评估, 结果难免受专家主观性影响; 文献[2]提出了报务系统通信效能指标, 但没有给出各指标的量化计算方法; 文献[3]采用PCA方法进行了超短波电台通信效能评估, 同样没有给出指标的计算方法。本文针对报务系统抗干扰通信问题, 提出了效能评估指标, 给出了部分评估指标的定量计算, 采用定量与定性相结合的方法进行效能评估[4–5]。同时, 为了消除各指标间的多重相关性, 采用主成分分析法(PCA)准确、快速地将相关性很高的变量转化成彼此独立或不相关的变量, 有效降低维度, 最终达到数据化简、揭示变量间关系和进行数据解释的目的。

1 报务系统抗干扰通信效能评估指标体系

1.1 指标体系建立

电报传递必须迅速、准确、保密和不间断, 以适应通信的实际需要, 因此报务系统抗干扰通信效能指标关心的是在干扰环境下电报传递的完成情况。报务系统抗干扰通信能力, 主要取决于报务系统性能、抗干扰战术运用水平、装备保障能力、战场电磁环境以及报务员技能5个方面, 如果详细考虑各方面指标, 所涉及的指标非常多, 虽然这些指标多少都会对报务系统抗干扰通信效能产生一定影响。若对其均一考评, 则会使得对系统的抗干扰效能评估成为一项极其复杂的过程。因此, 在报务系统性能方面选择电报传输能力、接收点场强、词汇清晰度及抗干扰能力4个指标, 而将抗干扰战术运用水平、装备保障能力、战场电磁环境以及报务员技能4个方面作为综合性指标。依据上述分析, 构建了报务系统抗干扰通信效能评估指标体系(图1)。

图1 报务系统抗干扰通信效能评估指标体系

1.2 指标计算方法

电报传输能力是指发信台站在一定工作模式、功率、效率等技术参数条件下发送定量报文的能力,用传输速率进行度量。在进制下, 设信息速率为b, 码元速率为, 则有。

在已知发射机功率T, 发射天线增益T, 则在计算出电路的基本传输损耗b后, 即可计算出接收点的场强。由天线理论可知, 接收功率R等于来波的功率流密度和接收天线有效面积e的乘积, 即, 其中:为接收点场强的有效值,R为接收天线增益。接收功率又可写成, 由以上两式求出接收点的接收场强。若以分贝表示, 则。

词汇清晰度是报务系统所传输的话音信息能被无误接收的非相关词汇的比例。首先, 计算通信接收机接收到的功率信干比。, 式中:j为干扰机发射功率;j为干扰机天线最大增益;t为通信发射机功率;t为通信发射机天线最大增益;rt为通信接收机天线最大增益;rt()为通信接收机天线在干扰机方向上的接收增益;为通信发射机、干扰机对通信接收机的张角;j为干扰的极化损失, 圆极化时取j= 0.5; Δr为通信接收机带宽; Δj为干扰信号带宽;为通信信号传播衰耗, 它与通信距离和传播条件有关;为干扰信号传播衰耗, 它与干扰机到通信接收机的距离和传播条件有关。若通信信号和干扰信号到接收机都是自由空间波传播, 则有。对模拟通信(话音通信)系统, 接收机解调器输出端的信干比, 式中:为模拟通信系统解调器制度增益。假设机内噪声与干扰相比可以忽略不计, 则可计算出话音通信的词汇清晰度。

抗干扰能力是指报务系统所采用的抗干扰技术和干扰识别技术[6], 消除或削弱敌方通信干扰的有害影响, 保障己方报务系统正常工作的能力[7]; 抗干扰战术运用水平是通信指挥员运用战术方法应对敌方对报务系统实施干扰的能力, 包括抗干扰组织指挥水平和战术运用水平2个方面; 装备保障能力包括装备保障、技术保障等; 战场电磁环境包括战场电磁频谱管控、电磁兼容、电磁防护等; 报务员技能包括装备操作熟练程度、战术创新能力、技术保障能力等。因上述5项指标涉及因素较广, 因此由领域专家依据实践经验进行评分。

2 主成分分析

(1) 为消除各指标之间因为量纲不同引起的差异, 先将原始数据矩阵中元素采用Score法进行标准化处理:

(2) 对标准化矩阵求样本指标相关矩阵:

。 (4)

(6) 计算综合评价值:

其中, 向量的第行元素表示第个被评价对象的综合评价值。

3 算例

应用上述模型, 通过使用Matlab数据处理工具[8], 对6个报务系统抗干扰通信效能进行评估排序。对电报传输能力、接收点场强、词汇清晰度依据定量方式计算得出, 其余指标依据专家打分, 依照好、中、差的模糊描述赋值为5, 3, 1。其原始数据如表1所示。

表1 评价目标及属性

依据表1中原始指标数据矩阵, 由(1)式得到标准化矩阵:

再由式(2)得样本的指标相关矩阵

并可计算出的特征值和方差贡献率。将特征值按从大到小的顺序列出，分别为1= 3.896 0,2= 2.888 2,3= 0.728 2,4= 0.360 6,5= 0.127 1,6=7= 0。根据特征值分别计算各分量的方差贡献率，由公式(3)得到1= 0.487 0,2= 0.361 0,3= 0.091 0,4= 0.045 1,5= 0.015 9,6=7= 0。则可得到各分量的累积贡献率1=1= 0.487 0,2=1+2= 0.848 0,3=1+2+3= 0.939 0,4=1+2+3+4= 0.984 1,5= 1,6=7= 0(表2)。

表2 R的特征值λi及方差贡献率pi

用Pareto图可直观地显示各主成分所引起变化的百分比情况(图2)。

图2 各主成分所在百分比

应用公式(5)构造主成分分量1,2,3, 得到:

,

。

图3 原数据在主成分上的投影

表3 报务系统抗干扰通信效能综合评价排序

上述评估结果与实际情况相符, 可为客观的评估报务系统抗干扰通信能力提供科学依据。当然, 由于计算的数据来源等因素, 虽不能保证结果百分之百的客观性, 但也能说明问题。

4 结语

主成分分析法是一种科学、方便的评估方法, 采用主成分分析, 可以比较客观地对报务系统抗干扰通信效能进行评估, 其准确率较高, 原理较简单, 计算所得结论比较客观。并且当评价指标增加时, 这种方法在处理数据、进行有效决策方面更具优势, 可很快得出科学的结果。该研究对于有效评估报务系统抗干扰通信能力具有一定的理论意义和应用价值。

参考文献：

[1] 蔡艳军. 灰色层次分析法战术通信网抗干扰效能评估[J]. 火力与指挥控制, 2012, 37(6): 106–108.

[2] 周安栋, 贾志军, 刘宏波, 等. 报务系统的通信效能分析与评估方法[J]. 火力与指挥控制, 2010, 35(11): 120–122.

[3] 陈佳昀, 武斌, 冯加建. PCA在超短波电台通信效能评估中的应用[J]. 现通信技术, 2008, 41(12): 224–226.

[4] Luis F, Antonio P, Gareth P. Evaluating distributed time-varying generation through a multi-objective index [J]. IEEE Trans on Power delivery, 2008, 23(2):1132–1138.

[5] Miguel D, Manuel P, Maria C. Multi-objective hybrid optimization and training of recurrent neural networks [J]. IEEE Trans on System, Man, and Cybernetics, 2008, 38(2): 381–403.

[6] Ling Qi, Li Tongtong. Modeling and detection of hostile jamming in spread spectrum systems [C]//IEEE Signal Processing Society SAFE 2007: Workshop on Signal Processing Applications for Public Security and Forensics. Washington: IEEE Press, 2007:1–5.

[7] 王继祥, 韩慧. 通信对抗干扰效果客观评估[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012: 7.

[8] 陈桂明. MATLAB数理统计[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

(责任编校:刘刚毅)

Effectiveness evaluation of anti-jamming communication for telegraph system

Zhou Guoxiang, Dai Hao, Liu Bing, Zhou Yamin

(Department of No. 3, Bengbu Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, China)

The evaluation of the anti-jamming communication effectiveness in the telegraph system has a great significance for working out a practical telegraph-scheme and optimizing various performance indexes of anti-jamming communication. It refers to many associated factors, which are hard to quantize. The evaluation model of anti-jamming communication effectiveness in the telegraph system is established. With the application of the principal component analysis, the closely associated variables are transformed to mutually independent ones, and many performance indexes of the model are synthetically aggregated. The calculation results show that the principal component analysis is effective on the evaluation of the anti-jamming communication in the telegraph system.

telegraph system; anti-Jamming communication; effectiveness evaluation; principal component analysis

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.02.017

TN 975

1672–6146(2015)02–0057–05

周国祥, chanjuan0924@163.com。

2014–12–17