基于空中平台的无线话音中继通信网的容量分析*

向国菊，张远利

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)



基于空中平台的无线话音中继通信网的容量分析*

向国菊，张远利

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

修回日期：2015-05-26Received date:2015-03-06；Revised date：2015-05-26

摘要：针对无线话音中继网络多平台共用信道必然产生“互扰”的特点，定义了话音中继网络三种通信形态，提出了判决网络容量的网络噪杂系数的概念，将无线通信信号衰落特性与Erlang话务量模型相结合，通过分析不同调制方式下中继平台数量与干扰概率、拥塞概率之间的关系，得出了中继网络容量。并指出话音中继通信时可通过合理规划中继网络、选择调制方式及人为协同的方法，合理规避通信干扰或拥塞，对工程应用具有参考价值。

关键词：话音中继；网络容量；干扰；规避

0引言

面对自然灾害或人为灾难，需由救援中心提供对前方灾区救援实施可靠有效的指挥引导。但当灾区处于高原、山区、盆地等特殊地域时，由于复杂的地形因素，灾区内的救援飞机往往因地形遮挡而无法与救援中心正常通信。为此，需要空中通信中继平台，搭载话音中继系统，完成救援飞机和救援指挥中心之间的话音中继通信[8]。

当受灾特别严重时，所派出的救援飞机数量多，且各飞机的话务量大，就会出现多个飞机平台同时发话音，相互之间形成干扰或信道拥塞的现象，影响中继网通信质量。

本文基于当前主流话音技术体制，对话音中继网容量进行分析，并提出规避干扰或拥塞的建议。

1话音中继原理

话音中继原理见图1所示。直升机以f2发送话音，中继台1收到信号后，解调出话音信号，通过接口送中继台2话音发送口；中继台1同时给出控制信号，控制中继台2发送，中继台2将话音调制后通过f1发送至无线信道，救援指挥中心接收后解调出话音，下行话音中继完成。反之亦然。

图1话音中继原理图

2网络容量分析

2.1定义

2.1.2中继通信形态

在中继通信过程中，根据各平台是否能正常通信，可枚举在中继通信中存在的三种通信形态[3]，即：

(1)自由通信：通信网不存在任意两个平台之间的发射冲突，任意平台均能正常通信，即任意时刻只有一部机载台在发射，能够和救援指挥中心进行通信，定义其出现的概率为PA。

(2)中继拥塞：通信网存在发射冲突，但只有一个平台能正常通信，即多部机载台同时发送话音，有且仅有一部机载台和地面台能进行正常通信，其余信号无法中继到地面台，定义其出现的概率为PC。

(3)中继干扰：通信网存在发射冲突，任意平台均不能正常通信，即多部机载台同时发送话音，信号相互影响，多部机载台均不能和地面台进行正常通信，定义其出现的概率为PI。

2.1.2网络嘈杂系数

由于中继干扰时网络是不可用的状态，任何一方均不能通信，而拥塞时至少一个成员可以通信，综合考虑这两个因素[4]，定义网络嘈杂系数:

(1)

2.1.3中继网络容量

当网络嘈杂系数大于0.2时网络内平台数量定义为网络容量N。

(2)

2.2分析模型

在中继应用中，往往是一个救援指挥中心对多个直升机，上行链路不会拥塞，故仅需要考虑下行链路拥塞。考虑到现有通信设备及天线条件下，飞机之间有效通信一般不超过400 Km，飞机分布在400 Km范围内是随机的，故可以建立如图2的分析模型：

图2　中继通信干扰与拥塞分析模型

(1)以中继平台为中心，分析范围为半径400 km的球型区域；

(2)各被中继平台在中继平台覆盖范围内呈随机分布。

因飞机所用天线一般为全向天线，而球形区域中，平台位置的三个因素(ρ，φ，θ)中影响无线通信干扰分析的因素只有ρ一项，故可以将模型进行等效简化，见图3。

图3中继通信干扰与拥塞等效分析模型

(1)以中继平台为原点，各平台分布在一条直线上；

(2)由于各平台在400 km内各点出现的可能性是相同的，服从均匀分布。

2.3调幅、调频方式通信网干扰与拥塞

2.3.1调幅、调频信号强度信道拥塞概率

首先，在不考虑机载台的分布规律，在各机载台和中继平台等距离情况下计算中继通信网的拥塞概率，等距离也就意味着中继平台收各部机载台信号强度基本一致。调幅调频模式下，当等信号强度时，任意两个平台同时发射都会彼此引起干扰，定义此干扰概率为P1，可用Erlang公式[1]进行计算：

(3)

其中,y为平均话务量，N为信道数量，n为同时呼叫的人员数量。

平均话务量y与空中平台数量、飞行员通话频率和每次通话时间有关。根据飞行及任务过程中经验数据，每个飞行平台通话频率λ一般为0.2次/分钟，每次说话平均时长t约为5S左右，故：

(4)

对于无线中继通信来说，所有用户公用一个信道，故N=1，n=1。

用以上参数对公式1进行简化：

(5)

上式为等信号强度情况下中继通信网内被中继的平台数和拥塞概率的关系式。

2.3.2调幅、调频通信干扰门限与任意平台之间形成干扰的概率

与电话交换网不同，电话交换网中，当某一用户占用信道后，其他用户不能再占用该信道，但对于无幅调频方式通信来说，由于无线信道的衰落，中继平台接收不同的机载台的信号强度有区别，当接收的两个信号强度可比拟时，会造成干扰或拥塞，而当某一信号对另一信号具有压制性优势时，弱信号不会影响强信号的接收，用干扰门限定义信号之间强度关系[1]。

干扰门限：当中继平台同时收到两个平台的信号强度之差小于某个数值时，则会形成干扰，导致地面台无法正确解调出话音，此信号强度差即定义为干扰门限。

根据实验室实验结果，在调幅调频通信方式下，干扰门限约为6dB。根据无线信道衰落公式[2]：

L=32.45+20logf(MHz)+20logρ(Km)

(5)

假设通信的各平台之间无线通信终端及天线配置情况基本一致，那么，根据公式(4)计算，当任意两个平台同时发射时，他们与中继平台的距离之比小于2，则中继平台收到二者信号强度之差则小于6 dB，低于干扰门限阀值，会产生干扰，导致中继拥塞。假设平台1距离中继平台距离为L1，平台2距离中继平台距离为L2，如图4所示。

图4调幅调频通信方式任意平台之间同时发射干扰区间

(6)

2.3.3调幅、调频通信中继干扰和拥塞概率

中继干扰概率应该与超过干扰门限的概率和等信号强度信道拥塞概率有关，而超过干扰门限与等信号强度信道拥塞两个事件为独立事件[3]，故中继干扰概率PI：

(7)

系统拥塞概率PC：

(8)

图5调幅、调频方式下机载台数量与不同概率的关系图

从图 5可以看出，当一个话音中继网内机载平台数量为15架时，网络干扰概率大致为10%。当机载平台数量达到40架时，拥塞概率基本达到20%。可以看出，调幅、调频通信时，网络容量N约为22。

推论：调幅、调频方式无线通信中继网不会随着用户数量的增加而出现“堵死”的现象，而是随着机载平台数量增加，干扰概率逼近1/2。这是与普通民用电话交换网不一致的地方。究其原因，就是因为无线信号传输过程中由于平台之间距离不一致带来的信号衰落不一致，强信号对弱信号的压制所致。

2.4跳频方式通信网干扰与拥塞

跳频通信[2]：通信双方在相同同步算法和伪随机跳频图案算法的控制下，射频频率在约定的频率表内，以离散频率的形式伪随机且同步地快速跳变。通信双方有个同步过程，也就是接收台跳频图案跟随发送台同步。如此时第三部台也在发射，其发射频点和接收台并不同步，实际上接收台无法接收第三部台的信号，也就无法形成干扰。由于跳频方式本身具有的抗干扰性能，相较于调幅、调频方式，在相同干扰信号强度的情况下，采用跳频方式只是形成拥塞，而未形成干扰。

采用调幅调频通信，当“干扰信号”到来时，如果与正在通信的信号强度之比超过干扰门限，由于接收机的AGC作用，接收端会将“干扰信号”正常解调，此时干扰信号能正常通信，而原来正在通信的信号受到压制。而对于跳频通信，需有频率同步、纠错译码等过程，可允许部分频点被压制干扰，故干扰概率基本为0。对0的模型进行修正后，可计算得跳频方式下机载台数量与拥塞概率、干扰概率、自由通信概率和网络嘈杂系数的关系图，见图6。

图6　跳频方式机载台数量与四个概率关系图

从图6可以看出，当一个话音中继网内机载平台数量为20架时，网络干扰概率大致为20%。当机载平台数量达到40架时，拥塞概率基本达到38%，采用跳频方式通信时，网络容量N约为40。

从图5、图6对比可以看出，跳频方式干扰概率比调幅调频方式明显降低，拥塞概率较高。降低干扰概率而提高拥塞概率对于提高网络容量是有好处的，故跳频方式网络容量比调幅调频方式要高。

3规避干扰和拥塞方法探讨

当遇到可能出现中继网干扰或拥塞时，可采取以下三种方式进行处理：

(1)合理规划中继网络：根据任务特性，以能够忍受的干扰或拥塞程度合理规划中继网络，将需要执行任务的平台分别配属到不同的中继网络中，保持通信的可达性；

(2)跳频通信虽然拥塞概率较高，但其受干扰的概率低，即保证一方能正常通信的可能性大，未能中继方可通过再次呼叫获得通信，故优选跳频方式进行中继；

(3)人工协同：由于目前话音未采用“寻址呼叫”体制，而采用广播机制，当各平台之间不存在遮挡且互相在覆盖范围之内时，本平台可以监听到其他平台的话音，当监听到其他平台正在

进行中继通信时，尽量不要抢话，待信道空闲之后再进行通信。

4结语

本文分析了当前主流通信体制下中继话音网络的容量，并给出了规避干扰或拥塞的方法建议，所采用的分析模型与实际应用场景基本一致，其结论具有普遍性和实用性，在实际应用场景中指导了中继网络的设计，取得了较好的效果。同时需要指出的是，文中所采用的都是比较传统的通信体制，干扰基本都是体现在“射频”层面，分析模型尚不复杂，目前，定向天线，寻址呼叫或同步时分复用等多种通信技术都已经大量运用，如将之引入中继通信，将进一步提高中继网络的容量，可作为深入研究本课题的重要方向。

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向国菊(1983—)，女，硕士，工程师，主要研究方向为航空通信设备和系统研制；

张远利(1979—)，男，学士，工程师，主要研究方向为航空通信设备和系统的研制。

Capability Analysis of Wireless Voice-Relay

Communication Network based on Airborne Platform

XIANG Guo-ju，ZHANG Yuan-li

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

Abstract：Aiming at the characteristics of mutual interference by multiple platforms of wireless voice-relay network with shared channel, three types of voice-relay network are defined, and the concept of network noisy-coefficient for judging network capacity also presented. In combination with the fading characteristic of wireless communication signal and Erlang's telephone traffic model, and the capacity of relay network is obtained through analysis on the relation between relay platform number and interference probability and congestion probability in different modulation systems. Furthermore, this paper points out that communication interference or congestion could be properly avoided by reasonable planning of relay network, choice of modulation system and manual collaboration in voice-relay communication. All this could serves as a reference for engineering application.

Key words：voice-relay; network capacity; interference; avoidance

作者简介：

中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2015)07-0835-05

收稿日期：*2015-03-06；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.017