劉　宇，張唯炯，李曙光

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

干擾與噪聲條件下無線通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算

劉宇，張唯炯，李曙光

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

摘要無線通信系統(tǒng)工作在外部噪聲干擾和熱噪聲綜合效應(yīng)下時，目前常用的鏈路預(yù)算方法往往存在精確性不足的問題，表現(xiàn)在考慮外部噪聲干擾時忽略熱噪聲，或者在考慮熱噪聲時忽略外部噪聲干擾。當(dāng)熱噪聲與外部噪聲干擾接收功率接近時，該方法得到的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)就有較大差距。針對上述問題，通過對常用鏈路預(yù)算表達(dá)式的修正，提出了同時考慮外部噪聲干擾和熱噪聲綜合效應(yīng)的統(tǒng)一的鏈路預(yù)算表達(dá)形式。仿真結(jié)果表明，修正后的鏈路預(yù)算表達(dá)式如實(shí)地反映了熱噪聲和外部噪聲干擾的綜合效應(yīng)。

關(guān)鍵詞鏈路預(yù)算；噪聲干擾；熱噪聲；寬帶阻塞式干擾

Link Budget for Wireless Communication System under the Condition of Jamming and Noise

LIU Yu,ZHANG Wei-jiong,LI Shu-guang

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

AbstractWhen the synthetic effect of external noise jamming and thermal noise are considered in the wireless communication system,the usual method of link budget is sometimes not very accurate because the thermal noise is ignored when considering the external noise jamming,or the external noise jamming is ignored when considering the thermal noise.If the thermal noise effect is close to the external noise jamming,a large difference will exist between the reality and the results obtained by this method.To address these problems,this paper proposes the modified link budget expression under the synthetic effect of noise jamming and thermal noise.Simulation results show that the modified expression is exactly reflects the synthetic effect of noise jamming and thermal noise.

Key wordslink budget;noise jamming;thermal noise;wide-band barrage jamming

0引言

在現(xiàn)代無線通信對抗中，噪聲干擾是最常用的干擾模式[1]。噪聲干擾主要是用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮蓋或淹沒有用信號，降低解調(diào)信噪比，縮小無線通信系統(tǒng)正常工作的覆蓋范圍。

目前，無線通信系統(tǒng)中受到的噪聲干擾主要有窄帶瞄準(zhǔn)和寬帶阻塞2種模式[2]。對于窄帶瞄準(zhǔn)式干擾，無線通信系統(tǒng)通常采用的對抗措施是帶有自適應(yīng)機(jī)制的擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，通過分散或規(guī)避干擾能量來獲得抗干擾效果。對于寬帶阻塞式干擾[4]，若干擾頻帶遠(yuǎn)大于信號帶寬甚至覆蓋整個無線通信系統(tǒng)的工作頻段，則通過跳頻擴(kuò)頻技術(shù)無法獲得明顯的抗干擾效果，只能通過提高發(fā)射功率、增加天線高度、降低工作頻段和降低信息速率等措施提高通信信號的接收功率，起到壓制干擾的效果。因此，寬帶阻塞式干擾條件下的精確鏈路預(yù)算顯得非常重要，可以根據(jù)用戶提出的通信覆蓋能力和質(zhì)量的要求設(shè)計(jì)通信鏈路的技術(shù)指標(biāo)，從而使無線通信系統(tǒng)獲得壓制干擾的能力。

然而，目前常用的鏈路預(yù)算方法往往存在精確性不足的問題，表現(xiàn)在考慮外部噪聲干擾時忽略熱噪聲，或者在考慮熱噪聲時忽略外部噪聲干擾。當(dāng)熱噪聲與外部噪聲干擾接收功率接近時，通過該方法得到的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)就有較大差距。本文針對上述問題，提出了同時考慮外部噪聲干擾和熱噪聲綜合效應(yīng)的統(tǒng)一的鏈路預(yù)算表達(dá)形式并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該修正公式可為無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更精確的理論參考。

1外部干擾和熱噪聲存在時的鏈路分析

1.1　鏈路余量定義

無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)就是發(fā)射與接收設(shè)備之間的通信鏈路預(yù)算，目的是為了預(yù)先構(gòu)建一個能正常工作的通信鏈路。鏈路預(yù)算得到的量化結(jié)果是鏈路余量，定義為系統(tǒng)設(shè)備實(shí)際接收功率與所需最小接收功率之間的分貝差值[3]，即

M(dB)=Pr-Ps。

(1)

式中，Pr為系統(tǒng)接收到的功率值；Ps為系統(tǒng)最低可檢測到的信號強(qiáng)度，也就是系統(tǒng)接收靈敏度。

對于一個可實(shí)際使用的無線通信系統(tǒng)而言，鏈路余量應(yīng)為非負(fù)值，這表明該鏈路的開通概率將不小于50%，并且鏈路余量的正值越大，鏈路工作越可靠。反之，若鏈路余量為負(fù)值，則該鏈路的開通概率將小于50%，并且鏈路余量的負(fù)值越大，鏈路工作越不可靠。通常情況下，地面無線通信系統(tǒng)鏈路余量應(yīng)不低于5 dB。

1.2　外部噪聲干擾和熱噪聲綜合效應(yīng)的鏈路預(yù)算

干擾條件下無線通信鏈路預(yù)算如圖1所示。

圖1　干擾條件下的無線通信鏈路預(yù)算示意

除了外部干擾源，接收設(shè)備還受設(shè)備內(nèi)部熱噪聲的影響。由于干擾信號具有近似于高斯白噪聲的頻域特性，因此干擾可作為接收機(jī)的額外噪聲(即抬高了噪底)，此時無線通信系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度的公式需要修正，因此干擾條件下的鏈路預(yù)算公式需要將修正后的靈敏度取代原先只考慮內(nèi)部噪聲的靈敏度，即

M(dB)=Pr-P′s。

(2)

式中，P′s為修正后的系統(tǒng)接收靈敏度，

(3)

式中，Pout為有用信號的最低輸出功率電平；PJ為干擾信號的功率電平；G為功率增益；N′out為接收機(jī)輸出總噪聲功率，是天線噪聲經(jīng)放大后的輸出與接收機(jī)內(nèi)部噪聲的總和，即N′out=kBTaG+Nin，Nin可看做是天線電阻在對應(yīng)的等效溫度為Te時產(chǎn)生的噪聲經(jīng)放大后到達(dá)輸出端的值，Nin=kBTeG，則Te=(F-1)T0[5]，因此有

N′out=kB[Ta+(F-1)T0]G。

(4)

設(shè)接收機(jī)天線的等效噪聲溫度為Ta，接收機(jī)噪聲系數(shù)為F，信號帶寬為B，Ta為天線的等效噪聲溫度，一般取自然溫度，T0為Kelvin溫度，k為波爾茲曼常數(shù)，將式(4)代入式(3)，并進(jìn)一步化簡得到：

(5)

設(shè)通信設(shè)備天線發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，通信設(shè)備接收天線增益為GR，通信系統(tǒng)接收到的有用信號路損為Ls，通信設(shè)備線路損耗為Lf，落入通信有效帶寬內(nèi)的干擾信號功率譜密度為NJ，干擾天線增益為GJT，干擾功率路徑損耗為LsJ，按自由空間模型[6]計(jì)算，則系統(tǒng)實(shí)際接收到的信號Pr、干擾功率PJ和修正后的接收機(jī)靈敏度為P′s分別為：

(6)

將式(6)代入式(2)，可以得到鏈路預(yù)算方程為：

(7)

式中，設(shè)Ft=kB[Ta+(F-1)T0]為基底噪聲。

式(7)就是在干擾和噪聲綜合效應(yīng)下的鏈路預(yù)算公式，當(dāng)設(shè)備噪底水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干擾電平時，即PJ>>kB[Ta+(F-1)T0]時，鏈路預(yù)算方程可簡化為：

M(dB)=PT(dBW)+GT(dB)+LsJ(dB)-NJ(dBW/MHz)-

(8)

式(8)就是通常工程上所用的干擾條件下的鏈路預(yù)算公式，忽略了內(nèi)部熱噪聲。

2仿真驗(yàn)證

當(dāng)外部干擾和內(nèi)部熱噪聲同時存在時，為驗(yàn)證式(7)的正確性，對無線通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算進(jìn)行了仿真，同時將式(7)和式(8)的鏈路預(yù)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

假設(shè)通信系統(tǒng)工作頻率為500 MHz，發(fā)射功率20 dBW，通信信號速率1 MHz，信號帶寬1 MHz，通信設(shè)備收發(fā)天線高度均取15 m，設(shè)備線路損耗2 dB；干擾信號到通信接收節(jié)點(diǎn)距離300 km，通信傳播距離為10 km；可得設(shè)備熱噪聲為-136 dBW。

干擾信號的路損按照自由空間模型[6]計(jì)算：

LsJ=32.44+20lgdJ+20lgf。

(9)

對于傳播環(huán)境為中等起伏地形，工作頻率為100 MHz~1.5 GHz，傳播距離在1~20 km，天線有效高度不低于1 m時，通信設(shè)備的有用信號路徑損耗可以采用Okumura-Hata傳播模型[6]的郊區(qū)場景計(jì)算：

(10)

仿真結(jié)果如圖2所示，其中橫坐標(biāo)定義為干擾噪聲輸出功率譜密度，縱坐標(biāo)定義為對應(yīng)的鏈路余量。

圖2　系統(tǒng)鏈路余量與干擾信號輸出功率譜密度關(guān)系

由圖2可見，當(dāng)外部干擾和內(nèi)部熱噪聲同時存在時，考慮熱噪聲和干擾綜合效應(yīng)的修正后的鏈路預(yù)算理論值和仿真結(jié)果符合得很好，從而驗(yàn)證了式(7)的正確性;另一方面，將仿真結(jié)果與按照式(8)得出的曲線進(jìn)行比較可知，當(dāng)外部干擾功率譜密度較小時，式(8)的結(jié)果和實(shí)際存在熱噪聲和干擾綜合效應(yīng)下的結(jié)果有較大差異，這是因?yàn)槭?8)忽略了熱噪聲的影響；當(dāng)外部干擾功率譜密度逐漸增大時，式(7)和式(8)預(yù)算結(jié)果將趨于一致，這是因?yàn)楦蓴_的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱噪聲的影響，以至于后者可以被忽略。

3結(jié)束語

本文針對無線通信鏈路中的干擾與噪聲的綜合效應(yīng)，修正了常用的鏈路預(yù)算表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，與常用鏈路預(yù)算表達(dá)式相比，修正后的表達(dá)式能更好地反映通信信號無線傳輸?shù)默F(xiàn)實(shí)，對無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更好的指導(dǎo)意義。

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劉宇女，(1976—),工程師。主要研究方向：雷達(dá)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

張唯炯男，(1979—),高級工程師。主要研究方向：雷達(dá)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作者簡介

基金項(xiàng)目：上海航天科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(2014~2015年度)。

收稿日期：2015-05-06

中圖分類號TN914

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0001-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.01

引用格式：劉宇，張唯炯，李曙光.干擾與噪聲條件下無線通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算[J].無線電工程，2015，45(8)：1-2，50.