基于噪聲空間的電磁環(huán)境復(fù)雜度度量模型

基于噪聲空間的電磁環(huán)境復(fù)雜度度量模型

1電磁環(huán)境復(fù)雜度度量隨著復(fù)雜磁體環(huán)境成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要特征，復(fù)雜磁體環(huán)境下的軍事訓(xùn)練越來越受到重視，復(fù)雜磁體環(huán)境也成為研究的重點之一。如何對電磁環(huán)境的復(fù)雜性進(jìn)行定量化描述和評估,是當(dāng)前復(fù)雜電磁環(huán)境研究面臨的重點和難點問題。對電磁環(huán)境的復(fù)雜程度進(jìn)行科學(xué)分類、正確度量,從而形成一整套反映復(fù)雜電磁環(huán)境變化規(guī)律的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)和外部顯示系統(tǒng),以求準(zhǔn)確形象地分析、把握與管控戰(zhàn)場電磁態(tài)勢,已成為當(dāng)務(wù)之急。文獻(xiàn)認(rèn)為電磁環(huán)境的復(fù)雜度是客觀存在,而不是針對哪一種具體裝備的,是由構(gòu)成這個環(huán)境的信號本身確定的,提出了選擇信號密度、背景噪聲強度、信號功率強度、頻率占用度和頻率重合度五個指標(biāo)作為電磁環(huán)境復(fù)雜程度的度量標(biāo)準(zhǔn),依次對電磁環(huán)境的復(fù)雜程度做出明確的等級區(qū)分。但是該方法的主要局限在于對電磁環(huán)境復(fù)雜度的相對性認(rèn)識不足。對于同一電磁環(huán)境,由于不同的接收機(jī)參數(shù)不同,用頻設(shè)備的表現(xiàn)是完全不同的。例如,采用擴(kuò)頻通信技術(shù)的電臺所需的最低信噪比門限比普通的電臺要小得多。對于普通電臺來說的干擾嚴(yán)重的重度復(fù)雜電磁環(huán)境,很可能對于擴(kuò)頻電臺來說僅僅是一種簡單環(huán)境。因此,有必要以用頻設(shè)備的性能參數(shù)指標(biāo)為依據(jù),以設(shè)備在電磁環(huán)境中的可用性為標(biāo)準(zhǔn),提出一種新的分級度量方法。本文以用頻設(shè)備接收機(jī)的信噪比參數(shù)作為度量依據(jù),通過計算信號和噪聲在空間的分布,提出了信噪比空間的定義,并在此基礎(chǔ)上建立了一種電磁環(huán)境復(fù)雜度度量模型。第2節(jié)介紹了信噪比空間的定義,第3節(jié)介紹了度量模型,第4節(jié)給出了仿真結(jié)果,最后對相關(guān)工作進(jìn)行了展望。2網(wǎng)絡(luò)信號空間對于用頻設(shè)備來說,接收機(jī)所處位置的信噪比決定了設(shè)備工作的狀態(tài)。例如雷達(dá)正常工作所需信號的最小信噪比通常大于13dB,GPS接收機(jī)正常工作的最小信噪比通常大于10dB。因此,計算接收機(jī)所在空間的信噪比分布具有十分重要的意義。計算空間的信噪比分布,首先要計算空間中信號強度分布和噪聲強度分布。信號空間:電磁輻射源在某一頻點上發(fā)出的電磁輻射在空間的強度分布,稱之為該輻射源的信號空間,記為ΩS。即:ωSiSi={xi,yi,zi,qi}i=1,2,3,…,n(1)式(1)中,ωSiSi為信號空間中第i個點的取值,xi,yi,zi為第i個點的坐標(biāo),qi為電磁源發(fā)出的電磁輻射在第i個點的強度。當(dāng)有多個電磁輻射源組成網(wǎng)絡(luò)工作時,網(wǎng)絡(luò)中所有電磁源的信號空間以取最小值的方式疊加形成的空間,稱之為網(wǎng)絡(luò)信號空間。疊加規(guī)則為:網(wǎng)絡(luò)信號空間中任意一點的取值為所有輻射源的信號空間在該點處的信號強度的最小值。即:ωSiSi=min(ω1i1i,ω2i2i,…,ωmimi)i=1,2,3,…,n(2)式(2)中,ωSiSi為網(wǎng)絡(luò)信號空間中第i個點的取值,m為網(wǎng)絡(luò)中電磁源的個數(shù),ωmimi為網(wǎng)絡(luò)中第m個電磁源在空間中第i個點的取值。噪聲空間:非期望的同頻工作的電磁輻射源的信號空間以強度和的形式疊加形成的空間,稱之為噪聲空間,記為ΩN。疊加規(guī)則為:噪聲空間中任意一點的取值為所有輻射源在該點處的信號強度的和。即:ωΝiNi=c1ω1i1i+c2ω2i2i+c3ω3i3i+…+cmωmimii=1,2,3,…,n(3)式(3)中,ωΝiNi為噪聲空間中第i個點的取值,m為電磁源的個數(shù),ωmimi為網(wǎng)絡(luò)中第m個噪聲源在空間中第i個點的取值。c為疊加系數(shù)。c嚴(yán)格意義上的取值與電磁源到點的距離、電磁波的頻率和初始相位等參數(shù)有關(guān)。它表示的是各個電磁源在空間一點處的電磁波可能相互增強,也可能相互削弱。在仿真訓(xùn)練中,通常根據(jù)訓(xùn)練需要取0～1之間的任一常數(shù)。有了信號空間和噪聲空間,就可以給出信噪比空間的定義。信噪比空間:信號空間與噪聲空間以信噪比的形式疊加形成的空間,稱之為信噪比空間,記為ΩSNR。疊加規(guī)則為:信噪比空間中的任意一點的取值為該點在信號空間中的取值與噪聲空間中的取值之比。即:ωi=ωSiSi/ωΝiNii=1,2,3,…,n(4)式(4)中,ωi為信噪比空間中第i個點的取值,ωSiSi為信號空間中第i個點的取值,ωΝi為噪聲空間中第i個點的取值。3磁體環(huán)境的復(fù)雜性度量模型3.1接收環(huán)境分析接收機(jī)在信噪比空間中的位置,決定了它是否能夠正常工作。在接收機(jī)上,通常以信號強度的方式來表示工作狀態(tài)。以4級信號強度為例,當(dāng)信號強度為3～4時,此時信號的信噪比較高,接收機(jī)工作非常暢通;當(dāng)信號強度為1～2個時,信號信噪比較低,接收機(jī)中會出現(xiàn)明顯的噪音,影響工作;當(dāng)信號強度為0時,信號信噪比低于接收機(jī)的最低信噪比門限,噪聲完全將信號淹沒,接收機(jī)無法正常工作。因此根據(jù)接收機(jī)的信噪比參數(shù)和信噪比空間的分布情況,可以直觀地判斷出接收機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)接收機(jī)工作暢通時,稱接收機(jī)所在的電磁環(huán)境為不復(fù)雜環(huán)境或簡單環(huán)境;當(dāng)接收機(jī)受到一定的干擾,對工作有影響或嚴(yán)重影響時,稱接收機(jī)所在的電磁環(huán)境為輕度復(fù)雜環(huán)境或中度復(fù)雜環(huán)境;當(dāng)接收機(jī)受到嚴(yán)重干擾,無法工作時,稱接收機(jī)所在的環(huán)境為重度復(fù)雜環(huán)境。3.2信噪比空間的劃分模型將度量過程分為4個步驟:(1)根據(jù)需求設(shè)定信噪比門限;(2)確定輻射源的位置,計算信噪比空間,并根據(jù)設(shè)定的信噪比門限將信噪比空間劃分成若干子空間;(3)確定接收機(jī)在信噪比空間中的位置,判斷接收機(jī)所處的子空間;(4)根據(jù)接收機(jī)的位置,確定接收機(jī)所在空間的復(fù)雜度。如果需要進(jìn)一步確定,將通信網(wǎng)劃分為若干子網(wǎng),返回(2)。3.3接收信噪比不同根據(jù)模型的基本思想,復(fù)雜度度量的主要依據(jù)是接收機(jī)的工作狀態(tài)?？梢匀?級信噪比門限,分別設(shè)為0、1、2級信噪比門限。接收信噪比低于0級門限時,噪聲完全將信號淹沒,接收機(jī)無法正常工作;接收信噪比在0級與1級門限之間時,接收機(jī)中會出現(xiàn)較大的噪音,嚴(yán)重影響接收機(jī)工作;接收信噪比在1級與2級門限之間時,接收機(jī)中會出現(xiàn)明顯的噪音,影響接收機(jī)工作;接收信噪比在2級門限以上時,接收機(jī)噪音不明顯,接收機(jī)工作正常。例如,在實際中常常將電磁環(huán)境復(fù)雜程度分為重度、中度、輕度和簡單4個等級。根據(jù)模型的電磁環(huán)境復(fù)雜度度量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。獨立用頻設(shè)備的度量簡單直觀,用頻設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的度量則比較復(fù)雜,特別是中度與重度的區(qū)別。網(wǎng)內(nèi)接收機(jī)位于全網(wǎng)信噪比空間的0級門限以下區(qū)域,這意味著網(wǎng)中用頻設(shè)備存在兩者無法直接工作的情況。通過將位于0級門限以下接收機(jī)與其最近的其它設(shè)備劃分成子網(wǎng),應(yīng)用度量模型對子網(wǎng)進(jìn)行度量,可以直觀的看出其與臨近的設(shè)備的工作情況。如果其與臨近設(shè)備可以工作,說明網(wǎng)絡(luò)是可以通過轉(zhuǎn)發(fā)方式連通的,這種情況定為中度復(fù)雜電磁環(huán)境;如果其與臨近設(shè)備都無法工作,說明接收機(jī)已與整個網(wǎng)絡(luò)斷開,網(wǎng)絡(luò)無法連通,這種情況定為重度復(fù)雜電磁環(huán)境。4模型驗證4.1物權(quán)傳播損耗考察一個40×40公里的平面區(qū)域,不考慮地形起伏的影響,將其劃分成400×400的正方形格網(wǎng),左上角坐標(biāo)為(0,0),右下角坐標(biāo)為(399,399)。6臺收發(fā)一體的125W電臺組成一個通信網(wǎng),使用10MHz的頻點進(jìn)行通信。各個電臺在區(qū)域中的位置如表2所示。僅考慮理想條件下的傳播損耗,公式如下:Ls=32.44+20lg(F)+20lg(d)(5)式(5)中,Ls為散射損耗,單位dB;F為頻率,單位MHz;d為距離,單位km。設(shè)置3級信噪比門限,分別為0級門限0dB,1級門限3dB,2級門限6dB。3個信噪比門限將信噪比空間分為4個子空間:低于0dB的區(qū)域用黑色表示,0dB與3dB之間的區(qū)域用深灰色表示,3dB與6dB之間的區(qū)域用淺灰色表示,6dB以上的區(qū)域用白色表示。4.2模擬結(jié)果4.2.1信噪比空間分布均勻背景噪聲空間是電磁環(huán)境信噪比空間的理想情況。它直接反映了電磁輻射源形成的信號空間的空間分布。圖1表示的是-56dBm均勻背景噪聲空間條件下的信噪比空間分布,圖2表示的是-53dBm均勻背景噪聲空間條件下的信噪比空間分布。從圖1和圖2的比較可以看出,隨著背景噪聲強度的增加,通信網(wǎng)面臨的電磁環(huán)境復(fù)雜度逐漸增加。圖1中的電臺(收發(fā)一體的電臺輻射源位置即接收機(jī)位置)部分位于2級門限以上區(qū)域,部分位于1級和2級門限之間的區(qū)域。根據(jù)度量模型,圖1的電磁環(huán)境復(fù)雜度定為簡單電磁環(huán)境。圖2中的電臺散布于2級和0級門限之間的區(qū)域,根據(jù)度量模型,圖2的電磁環(huán)境復(fù)雜度定為輕度復(fù)雜電磁環(huán)境。4.2.2信噪比空間分布在實際情況中,電磁環(huán)境的噪聲空間是由多個電磁輻射源或干擾源帶來的起伏噪聲。下面以單個干擾源為例進(jìn)行分析。當(dāng)噪聲空間為位于(350,350)處的1kW干擾源引起的干擾時,整個通信網(wǎng)的信噪比空間分布如圖3所示。從圖3以看出,電臺5位于0級門限以下區(qū)域。根據(jù)度量模型,通信網(wǎng)的電磁環(huán)境復(fù)雜度可以定為中度或重度復(fù)雜電磁環(huán)境。為了進(jìn)一步確定,將電臺5及與其最近的電臺3、電臺4組成一個子網(wǎng),考察子網(wǎng)的信噪比空間,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,在子網(wǎng)的信噪比空間中,3部電臺均位于0級和2級門限之間的區(qū)域,它們之間能夠進(jìn)行通信。綜合上述分