蘭俊杰，白 潔2，張振宇**，隋靜雯

(1.重慶通信學(xué)院 應(yīng)急通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400035;2.重慶警備區(qū)，重慶400010)

基于延遲自相關(guān)雙門限的短波天線選擇方法*

蘭俊杰1，白 潔2，張振宇**1，隋靜雯1

(1.重慶通信學(xué)院 應(yīng)急通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400035;2.重慶警備區(qū)，重慶400010)

短波固定臺(tái)站配有多副發(fā)信天線，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般是根據(jù)預(yù)先方案選擇一副天線發(fā)射信號(hào)，沒有充分利用天線的方向性，因而通信效果并不是最佳。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種能夠在收發(fā)雙方進(jìn)行天線發(fā)送信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的探測機(jī)制，通過基于延遲自相關(guān)運(yùn)算的雙門限檢測技術(shù)，在收接端判決各發(fā)信天線探測信號(hào)質(zhì)量，然后根據(jù)評(píng)估分值，從短波固定臺(tái)站眾多的天線中自動(dòng)選擇通信效果最佳的發(fā)信天線發(fā)射信號(hào)，在不改變現(xiàn)有配置的情況下最大限度地提升通信質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，該方法可行有效，能夠以較小的代價(jià)提高天線選擇效率，充分利用天線的方向性，達(dá)到提升發(fā)射效率和通信效果的目的。

短波通信；天線選擇；通信質(zhì)量評(píng)估；延遲自相關(guān)；雙門限檢測

1 引 言

短波固定臺(tái)站發(fā)射天線場建設(shè)中，通常根據(jù)不同方向鏈路距離和通信頻率選擇，設(shè)計(jì)架設(shè)不同的短波天線，以保證特定鏈路的通信效果。然而，天線具有方向性[1]，對(duì)于設(shè)計(jì)鏈路之外的通信、與機(jī)動(dòng)用戶的通信，或者預(yù)設(shè)鏈路天線發(fā)生故障，到底選擇哪副天線發(fā)射信號(hào)，通常是人工憑經(jīng)驗(yàn)，或者隨機(jī)地選擇，從而無法保證通信的效果，甚至根本不能通信。因此，設(shè)計(jì)一種有效的機(jī)制，在發(fā)射天線與通信對(duì)象之間進(jìn)行通信質(zhì)量的實(shí)時(shí)評(píng)估，從而選擇具有最佳通信效果的天線發(fā)射信號(hào)，是工程上需要研究解決的問題。

關(guān)于天線選擇技術(shù)[2-3]的研究主要集中于多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系統(tǒng)中的多天線選擇，但是針對(duì)短波頻段的研究相對(duì)較少。短波天線尺寸較大，使用間隔的天線陣來應(yīng)用MIMO技術(shù)受到較大的限制[4]，而在接收端可采用分集接收技術(shù)。文獻(xiàn)[5]介紹了短波廣域分集接收技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了全短波波段極化分集試驗(yàn)。短波作為保底通信手段，當(dāng)發(fā)生戰(zhàn)爭或重大自然災(zāi)害破壞后，天線數(shù)量可能有限且通信對(duì)象較多時(shí)，仍需要單個(gè)天線工作。目前關(guān)于短波發(fā)送端單天線的選擇研究較少。文獻(xiàn)[7]提出了依據(jù)接收信號(hào)信噪比大小選擇發(fā)送天線的想法，但并沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[8-9]分別介紹了M2M(Mobile-to-Mobile)傳感器網(wǎng)絡(luò)和視頻傳輸協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)信噪比進(jìn)行發(fā)送天線選擇方法。文獻(xiàn)[10-11]闡述了放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼移動(dòng)D2D(Device-to-Device)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法。文獻(xiàn)[12]將延遲自相關(guān)檢測算法運(yùn)用于中國醫(yī)療體域網(wǎng)的專用頻段，得到了較高的檢測成功率。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于雙門限能量檢測的協(xié)作頻譜感知算法，克服了噪聲不確定性對(duì)能量檢測的影響。延遲自相關(guān)和雙門限檢測理論在文獻(xiàn)[12-13]中的成功應(yīng)用，為短波發(fā)送端單天線的選擇提供了思路。

本文結(jié)合作者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)以及國內(nèi)短波固定臺(tái)站建設(shè)的現(xiàn)狀，在充分考慮天線方向性的基礎(chǔ)上，提出一種基于延遲自相關(guān)和雙門限檢測理論的短波天線自動(dòng)選擇方法，從而在不改變現(xiàn)行配置情況下，最大程度地發(fā)揮短波固定臺(tái)站的效能，便于實(shí)際運(yùn)用。

2 天線方向性

天線方向性是天線輻射的電場強(qiáng)度與空間方向的關(guān)系，是天線最重要的特性之一。方向圖直觀形象地反映出天線的方向性，習(xí)慣上采用坐標(biāo)繪制，角度表示方向，矢徑長度表示場強(qiáng)值。對(duì)于短波天線，常采用與大地平行的水平面方向圖和與大地垂直的垂直面方向圖。

采用HFSS軟件，仿真目前短波固定臺(tái)站常用的水平架設(shè)三線天線，得到不同工作頻率、不同架設(shè)高度時(shí)的方向圖，如圖1和圖2所示。

(a)5 MH垂直面方向圖

(b)5 MHz水平面方向圖

(c)25 MH垂直面方向圖

(a)架高10 m垂直面方向圖

(b)架高20m垂直面方向圖圖2 水平架設(shè)三線天線不同架設(shè)高度方向圖(頻率15 MHz)Fig.2 Radiation plot of horizontally-set three-line HF antenna with different height(frequency=15 MHz)

從圖2和圖3可以直觀看出，短波天線的方向圖并不是固定不變的，而是隨著天線架設(shè)高度、工作頻率等因素的變化而變化。在某一工作頻率上處在天線最大輻射方向上，但更換頻率后，該方向輻射可能變得非常小。即使是同一工作頻率，不同程式天線，方向性也會(huì)發(fā)生變化。因此，為了達(dá)到良好的通信效果，必須利用好天線方向性。

3 短波固定臺(tái)站天線選擇存在的問題

短波固定臺(tái)站建設(shè)時(shí)，會(huì)考慮業(yè)務(wù)需求、天線程式、數(shù)量、預(yù)設(shè)通信對(duì)象分布和天線場地形等因素，合理布局天線。當(dāng)與預(yù)定對(duì)象通信時(shí)，會(huì)選擇預(yù)定通信方向上的天線與之建立通信鏈路。如遇突發(fā)情況需增加、更改通信對(duì)象，天線發(fā)生故障或通信效果不佳時(shí)，則需快速、準(zhǔn)確選擇一副與之相適應(yīng)的短波天線。

然而在實(shí)際工作過程中，雖然有自適應(yīng)控制器能完成短波發(fā)信機(jī)和收信機(jī)最佳頻率、最佳鏈路的實(shí)時(shí)選擇，但是并沒有充分考慮到天線的方向性，存在的主要問題如下：

(1)短波固定臺(tái)站發(fā)信天線通過天線互換器與發(fā)射機(jī)相連，更換天線時(shí)，需工作人員操作天線互換器來完成，更換時(shí)間相對(duì)較長。

(2)具體選擇哪一副天線合適，需要憑操作人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，增加了從業(yè)人員的門坎。為了避免收、發(fā)信系統(tǒng)之間的相互干擾，常采用收、發(fā)信臺(tái)分離方式，但同時(shí)也產(chǎn)生收信臺(tái)人員對(duì)發(fā)信天線的程式和通信方向不了解，發(fā)信臺(tái)人員對(duì)收信臺(tái)通信對(duì)象的位置不清楚的問題。如圖3所示，臺(tái)站A采用定向天線2與B站進(jìn)行通信，可用較小的功率達(dá)到較好的通信效果。而在實(shí)際工作中，可能會(huì)選擇全向天線6甚至是全向天線8與B站通信，此時(shí)只有加大功率才能完成通信。

圖3 短波固定臺(tái)站天線布局示意圖Fig.3 Diagram of antenna layout for HF fixed station

(3)新建的類似于移動(dòng)通信系統(tǒng)的短波數(shù)字通信網(wǎng)采用導(dǎo)航音搜索機(jī)制，從眾多接入節(jié)點(diǎn)中選擇所謂的最佳接入節(jié)點(diǎn)，然后從該接入節(jié)點(diǎn)中選擇一副最佳的天線進(jìn)行通信。雖然如此，仍然存在一個(gè)重要的問題：用于導(dǎo)航音發(fā)送的天線是隨機(jī)選擇的，并沒有考慮到天線的方向性，而且天線的方向圖隨著工作頻率的改變是會(huì)發(fā)生變化的。如圖4所示，用戶B距離接入節(jié)點(diǎn)A較近，距離接入節(jié)點(diǎn)C較遠(yuǎn)，如果接入節(jié)點(diǎn)A安排的是定向天線3發(fā)送導(dǎo)航音的話，B將接收不到接入節(jié)點(diǎn)A的導(dǎo)航音信號(hào)，進(jìn)而不得不選擇較遠(yuǎn)的接入節(jié)點(diǎn)C接入，舍近求遠(yuǎn)。

此外，發(fā)送導(dǎo)航音的天線與最后建立鏈路的天線是分開的，不能同時(shí)使用，這可能導(dǎo)致最后建立起來的鏈路通信質(zhì)量不佳。

通過以上分析可以看出，短波固定臺(tái)站選擇天線時(shí)，往往沒有采用最佳天線進(jìn)行通信，還存在一定的問題，因此可以考慮設(shè)計(jì)一種天線自動(dòng)選擇方法來解決。

圖4 用戶接入示意圖Fig.4 Diagram of user access

4 基于延遲自相關(guān)的雙門限天線選擇方法

4.1整體設(shè)計(jì)思路

發(fā)信天線最大輻射方向?qū)?zhǔn)通信對(duì)象，接收到的信號(hào)強(qiáng)，信噪比大；反之，接收到的信號(hào)弱甚至沒有，信噪比小。短波發(fā)信天線的方向可以通過接收信號(hào)的質(zhì)量反映出來。短波發(fā)信天線選擇功能主要靠天線探測發(fā)送模塊和天線檢測與評(píng)估模塊完成，整體設(shè)計(jì)如圖5所示。天線探測發(fā)送模塊位于固定臺(tái)站的發(fā)信端，完成探測序列的產(chǎn)生及天線的選擇控制。天線檢測與評(píng)估模塊位于短波移動(dòng)用戶或固定臺(tái)站的收信端，對(duì)各發(fā)信天線的探測信號(hào)進(jìn)行能量檢測[14]與質(zhì)量評(píng)估，選出最佳天線。

圖5 天線選擇整體設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Schematic diagram of antenna selection

短波用戶需要與短波固定臺(tái)站建立鏈路時(shí)，首先向短波固定臺(tái)站發(fā)送申請(qǐng)，短波固定臺(tái)站收到申請(qǐng)后，天線探測發(fā)送模塊控制發(fā)信機(jī)在相同輸出功率的條件下，以一定的時(shí)序安排所有可用天線向外發(fā)送天線探測信號(hào)，該探測信號(hào)包括用于天線信號(hào)質(zhì)量檢測和評(píng)估的序列以及天線編號(hào)。短波用戶接收到信號(hào)后，通過基于延遲自相關(guān)的雙門限天線檢測與評(píng)估模塊，得到各發(fā)信天線信號(hào)質(zhì)量的分值，并從中選出分值最高的天線，然后將該天線的編號(hào)發(fā)送回短波固定臺(tái)站。天線探測發(fā)送模塊根據(jù)收到的天線編號(hào)選擇該天線與短波用戶建立通信鏈路。

4.2天線探測序列

天線探測序列由探測序列和天線編號(hào)兩部分組成，如圖6所示。探測序列由4個(gè)相同的重復(fù)序列(Repeat Sequence,RPS)組成，RPS序列由兩重復(fù)的基本序列(Basic Sequence,BS)加上同樣長度的0序列組成?；拘蛄蠦S選擇產(chǎn)生容易、規(guī)律性強(qiáng)且有較好的自相關(guān)性特性的m序列[15]。

圖6 天線探測序列示意圖Fig.6 Sequence diagram of antenna detection

4.3天線檢測與評(píng)估模塊

在天線檢測與評(píng)估模塊中，通過延遲自相關(guān)運(yùn)算，得到與接收信號(hào)信噪比有關(guān)的判決變量mn。借鑒雙門限檢測[13,16]原理，在檢測信號(hào)到來的基礎(chǔ)上，給接收信號(hào)質(zhì)量一個(gè)評(píng)估分值，并返回分值最高天線的編號(hào)。如圖7所示，該模塊主要由延遲自相關(guān)運(yùn)算和雙門限檢測與信號(hào)質(zhì)量評(píng)估兩部分組成。

圖7 天線檢測與評(píng)估模塊示意圖Fig.7 Schematic diagram of antenna detection and evaluation module

4.3.1延遲自相關(guān)運(yùn)算

基于延遲自相關(guān)運(yùn)算的分組檢測算法[6]針對(duì)時(shí)域包含多個(gè)相同部分的特殊序列形式，有效克服了由于無線接收信號(hào)的不確定性引起的難以給出固定閥值的問題。延遲自相關(guān)運(yùn)算的結(jié)構(gòu)模型，如圖7中左側(cè)部分所示。

圖中，Z-D為延時(shí)器，D表示延遲時(shí)間。由于天線探測序列的重復(fù)特性，D為基本序列時(shí)間長度的倍數(shù)。圖中3個(gè)滑動(dòng)窗口c、p、q，窗口c為接收信號(hào)與其延遲信號(hào)的自相關(guān)，通過該窗口的信號(hào)表示為

(1)

式中:rn表示接收信號(hào)序列;L表示信號(hào)序列累加的長度，即窗口的寬度。

窗口q和p計(jì)算了延遲自相關(guān)窗口期間接收信號(hào)的能量，分別表示為

(2)

(3)

qn和pn用于判決統(tǒng)計(jì)的歸一化。統(tǒng)計(jì)判決變量mn可表示為

(4)

統(tǒng)計(jì)判決變量mn實(shí)際上是接收信號(hào)不同部分的歸一化自相關(guān)系數(shù)，其值分布在[0,1]之間。

4.3.2雙門限檢測與天線質(zhì)量評(píng)估

雙門限檢測是一種準(zhǔn)最佳檢測，所需設(shè)備少，便于實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，統(tǒng)計(jì)判決變量mn首先進(jìn)入上支路，逐個(gè)地與選定的第一門限mn1相比較，超過第一門限的樣本數(shù)目再由計(jì)數(shù)器累記，并與第二門限bn相比較，大于和等于bn則判決天線探測信號(hào)存在，小于bn則判決信號(hào)不存在。

第一個(gè)門限mn1表征自相關(guān)值的大小，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，合理選擇相關(guān)值門限mn1。對(duì)于第二個(gè)門限bn，它表征連續(xù)超過第一個(gè)門限值的個(gè)數(shù)，即一個(gè)計(jì)數(shù)器。利用該門限bn，即使由于多徑、噪聲等干擾的影響，存在個(gè)別自相關(guān)值超過門限mn1，但是很難達(dá)到門限的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)bn，因此可以獲得可靠的檢測。

在判斷探測信號(hào)到來后，進(jìn)入下支路，在比較器中取出每一RPS序列周期長度中大于第一門限mn1中所有點(diǎn)的最大值。將這些最大值在累加器中求和，得到反映天線探測信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估分值

(5)

式中:xi為表示一個(gè)RPS序列周期長度中，大于第一門限mn1中所有點(diǎn)的最大值。

綜合各天線探測信號(hào)分值，選出分值最高的一個(gè)，并將該天線探測信號(hào)中的天線編號(hào)發(fā)送回短波固定臺(tái)站。

5 系統(tǒng)仿真分析

利用Matlab對(duì)所設(shè)計(jì)的天線選擇方法進(jìn)行仿真分析，基本序列BS選擇31位的m序列，其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表Tab.1 Simulation parameters

考慮到短波信道多徑、多普勒效應(yīng)等因素的影響，調(diào)用ITU-R F.1487[17]中的低緯度中等條件短波信道模型(Low latitudes Moderate conditions,LM)來模擬短波信道的影響。天線探測序列經(jīng)過ITU- R F.1487 LM模型后得到接收序列rn，再利用式(1)～(4)計(jì)算得到mn。mn輸出曲線圖如圖8所示。

圖8 經(jīng)過ITU- R F.1487 LM信道后的mn輸出曲線圖Fig.8 The output curve of mn over ITU- R F.1487 LM channel

從圖中可以看出，由于序列的重復(fù)性，經(jīng)過延遲自相關(guān)運(yùn)算后會(huì)出現(xiàn)4個(gè)峰峰值，考慮到短波信道的影響，峰值將會(huì)略低于理論值(理論峰值等于1)。

發(fā)信天線最大輻射方向與通信對(duì)象方向越趨于一致，則接收到的信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越大。短波天線的方向性可以通過不同的信噪比來仿真分析。

不同對(duì)準(zhǔn)程度下的天線T1、T2、T3、T4，可以用接收信號(hào)rn分別加上信噪比為20 dB、10 dB、5 dB、2 dB的加性高斯白噪聲來表征，由此得到不同天線mn輸出曲線圖，如圖9所示。

圖9 不同天線mn輸出曲線圖Fig.9 Output curves of mn with different antennas

從圖中可以看出，信噪比越大，輸出曲線上的值整體上越大，峰峰值也就越大，也就是說通信對(duì)象的方向越趨向天線的最大輻射方向，統(tǒng)計(jì)判決變量mn的值越大，峰峰值越大。因此，可以通過峰峰值的大小來表征天線最大輻射方向與通信對(duì)象的對(duì)準(zhǔn)程度。

結(jié)合圖9的仿真結(jié)果，這里選擇mn1=0.5，bn=80，利用Matlab仿真得到各天線的探測信號(hào)評(píng)估分值tv，如表2所示。

表2 不同天線的探測信號(hào)評(píng)估分值表Tab.2 Evaluation scores of different antennas

天線T4發(fā)送的探測信號(hào)，由于其mn大于mn1的個(gè)數(shù)小于bn，所以評(píng)估分值為0。從表2中可以看出，天線T1評(píng)估分值最高，將天線T1的編號(hào)發(fā)送至短波固定臺(tái)站，就能完成最佳天線的選擇。

從以上的仿真分析可以看出，該天線選擇方法可以從眾多的短波固定臺(tái)站天線中自動(dòng)選擇出最大輻射方向最趨向于短波用戶的天線，用于通信鏈路的建立，具有可行性。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)實(shí)際工作中短波固定臺(tái)站通信存在的問題，考慮到天線的方向性對(duì)通信質(zhì)量的影響，提出了基于延遲自相關(guān)的雙門限天線選擇方法，并利用Matlab仿真驗(yàn)證了該方法具有可行性。在現(xiàn)有短波固定臺(tái)站基礎(chǔ)設(shè)施之上，以該方法對(duì)其簡單升級(jí)改造，能以較少的成本大大縮短人工更換天線的時(shí)間，提高天線選擇效率，提升短波固定臺(tái)站通信質(zhì)量，較好解決目前短波固定通信臺(tái)站天線方向性考慮不足的問題，并降低從業(yè)人員門坎。另外，本文只是提出了短波天線選擇方法的整體思路，但在短波固定臺(tái)站通信中如何來實(shí)現(xiàn)還需進(jìn)一步研究。

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ASelectionMethodforHFAntennaBasedonDoubleThresholdDetectionTheoryofDelayAutocorrelation

LAN Junjie1,BAI Jie2,ZHANG Zhenyu1,SUI Jingwen1
(1.Chongqing Key Laboratory of Emergency Communication,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China;2.Chongqing Garrison Command,Chongqing 400010,China)

The high frequency(HF) fixed station is equipped with multiple transmitting antenna. In the actual application,a fixed antenna is generally chosen to transmit signal according to the plan,which does not make full use of antenna directivity. As a result,the communication effect is not the best. In order to solve this problem,a detection mechanism is designed to evaluate the quality of transmitting signals between transmitter and receiver. Based on double threshold detection theory of delay autocorrelation,the quality of the probing signal of each transmitting antenna is judged. Then,according to the evaluation scores,the antenna with the best communication effect is selected automatically from the transmitting antennas. Without changing the existing configuration,the proposed method can greatly improve the quality of communication. The simulation results show that the proposed method is feasible and effective. It can improve the efficiency of antenna selection and make full use of antenna directivity to achieve the purpose of improving emission efficiency and communication effect at a lower cost.

HF communication;antenna selection;communication quality evaluation;delay autocorrelation;double threshold detection

date:2017-01-11；Revised date：2017-05-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471366);重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA40050);重慶市教委研究生教育優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目(2015-63)

**通信作者：zhenyu.zhang@cqu.edu.cn Corresponding author：zhenyu.zhang@cqu.edu.cn

TN924.1

A

1001-893X(2017)10-1191-07

蘭俊杰(1988—)，男，重慶萬州人，2010年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用；

Email:lantian_2017@163.com

白潔(1981—)，男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信；

張振宇(1977—)，男，吉林人，博士，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線通信、OFDM和序列設(shè)計(jì)；

Email:zhenyu.zhang@cqu.edn.cn

隋靜雯(1987—)，女，江蘇南京人，2011年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)。

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.10.015

蘭俊杰，白潔，張振宇，等.基于延遲自相關(guān)雙門限的短波天線選擇方法[J].電訊技術(shù)，2017,57(10):1191-1197.[LAN Junjie,BAI Jie,ZHANG Zhenyu,et al.A selection method for HF antenna based on double threshold detection theory of delay autocorrelation[J].Telecommunication Engineering,2017,57(10):1191-1197.]

2017-01-11；

2017-05-17