干扰与噪声条件下无线通信系统的链路预算

刘　宇，张唯炯，李曙光

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

干扰与噪声条件下无线通信系统的链路预算

刘宇，张唯炯，李曙光

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

摘要无线通信系统工作在外部噪声干扰和热噪声综合效应下时，目前常用的链路预算方法往往存在精确性不足的问题，表现在考虑外部噪声干扰时忽略热噪声，或者在考虑热噪声时忽略外部噪声干扰。当热噪声与外部噪声干扰接收功率接近时，该方法得到的结果与现实就有较大差距。针对上述问题，通过对常用链路预算表达式的修正，提出了同时考虑外部噪声干扰和热噪声综合效应的统一的链路预算表达形式。仿真结果表明，修正后的链路预算表达式如实地反映了热噪声和外部噪声干扰的综合效应。

关键词链路预算；噪声干扰；热噪声；宽带阻塞式干扰

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

在现代无线通信对抗中，噪声干扰是最常用的干扰模式[1]。噪声干扰主要是用噪声或类似噪声的干扰信号遮盖或淹没有用信号，降低解调信噪比，缩小无线通信系统正常工作的覆盖范围。

目前，无线通信系统中受到的噪声干扰主要有窄带瞄准和宽带阻塞2种模式[2]。对于窄带瞄准式干扰，无线通信系统通常采用的对抗措施是带有自适应机制的扩频跳频技术，通过分散或规避干扰能量来获得抗干扰效果。对于宽带阻塞式干扰[4]，若干扰频带远大于信号带宽甚至覆盖整个无线通信系统的工作频段，则通过跳频扩频技术无法获得明显的抗干扰效果，只能通过提高发射功率、增加天线高度、降低工作频段和降低信息速率等措施提高通信信号的接收功率，起到压制干扰的效果。因此，宽带阻塞式干扰条件下的精确链路预算显得非常重要，可以根据用户提出的通信覆盖能力和质量的要求设计通信链路的技术指标，从而使无线通信系统获得压制干扰的能力。

然而，目前常用的链路预算方法往往存在精确性不足的问题，表现在考虑外部噪声干扰时忽略热噪声，或者在考虑热噪声时忽略外部噪声干扰。当热噪声与外部噪声干扰接收功率接近时，通过该方法得到的结果与现实就有较大差距。本文针对上述问题，提出了同时考虑外部噪声干扰和热噪声综合效应的统一的链路预算表达形式并进行了仿真验证。该修正公式可为无线通信系统设计提供更精确的理论参考。

1外部干扰和热噪声存在时的链路分析

1.1　链路余量定义

无线通信系统设计的一个重要环节就是发射与接收设备之间的通信链路预算，目的是为了预先构建一个能正常工作的通信链路。链路预算得到的量化结果是链路余量，定义为系统设备实际接收功率与所需最小接收功率之间的分贝差值[3]，即

M(dB)=Pr-Ps。

(1)

式中，Pr为系统接收到的功率值；Ps为系统最低可检测到的信号强度，也就是系统接收灵敏度。

对于一个可实际使用的无线通信系统而言，链路余量应为非负值，这表明该链路的开通概率将不小于50%，并且链路余量的正值越大，链路工作越可靠。反之，若链路余量为负值，则该链路的开通概率将小于50%，并且链路余量的负值越大，链路工作越不可靠。通常情况下，地面无线通信系统链路余量应不低于5 dB。

1.2　外部噪声干扰和热噪声综合效应的链路预算

干扰条件下无线通信链路预算如图1所示。

图1　干扰条件下的无线通信链路预算示意

除了外部干扰源，接收设备还受设备内部热噪声的影响。由于干扰信号具有近似于高斯白噪声的频域特性，因此干扰可作为接收机的额外噪声(即抬高了噪底)，此时无线通信系统接收机灵敏度的公式需要修正，因此干扰条件下的链路预算公式需要将修正后的灵敏度取代原先只考虑内部噪声的灵敏度，即

M(dB)=Pr-P′s。

(2)

式中，P′s为修正后的系统接收灵敏度，

(3)

式中，Pout为有用信号的最低输出功率电平；PJ为干扰信号的功率电平；G为功率增益；N′out为接收机输出总噪声功率，是天线噪声经放大后的输出与接收机内部噪声的总和，即N′out=kBTaG+Nin，Nin可看做是天线电阻在对应的等效温度为Te时产生的噪声经放大后到达输出端的值，Nin=kBTeG，则Te=(F-1)T0[5]，因此有

N′out=kB[Ta+(F-1)T0]G。

(4)

设接收机天线的等效噪声温度为Ta，接收机噪声系数为F，信号带宽为B，Ta为天线的等效噪声温度，一般取自然温度，T0为Kelvin温度，k为波尔兹曼常数，将式(4)代入式(3)，并进一步化简得到：

(5)

设通信设备天线发射功率为PT，发射天线增益为GT，通信设备接收天线增益为GR，通信系统接收到的有用信号路损为Ls，通信设备线路损耗为Lf，落入通信有效带宽内的干扰信号功率谱密度为NJ，干扰天线增益为GJT，干扰功率路径损耗为LsJ，按自由空间模型[6]计算，则系统实际接收到的信号Pr、干扰功率PJ和修正后的接收机灵敏度为P′s分别为：

(6)

将式(6)代入式(2)，可以得到链路预算方程为：

(7)

式中，设Ft=kB[Ta+(F-1)T0]为基底噪声。

式(7)就是在干扰和噪声综合效应下的链路预算公式，当设备噪底水平远远小于干扰电平时，即PJ>>kB[Ta+(F-1)T0]时，链路预算方程可简化为：

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扰条件下的链路预算公式，忽略了内部热噪声。

2仿真验证

当外部干扰和内部热噪声同时存在时，为验证式(7)的正确性，对无线通信系统的链路预算进行了仿真，同时将式(7)和式(8)的链路预算结果进行了比较。

假设通信系统工作频率为500 MHz，发射功率20 dBW，通信信号速率1 MHz，信号带宽1 MHz，通信设备收发天线高度均取15 m，设备线路损耗2 dB；干扰信号到通信接收节点距离300 km，通信传播距离为10 km；可得设备热噪声为-136 dBW。

干扰信号的路损按照自由空间模型[6]计算：

LsJ=32.44+20lgdJ+20lgf。

(9)

对于传播环境为中等起伏地形，工作频率为100 MHz~1.5 GHz，传播距离在1~20 km，天线有效高度不低于1 m时，通信设备的有用信号路径损耗可以采用Okumura-Hata传播模型[6]的郊区场景计算：

(10)

仿真结果如图2所示，其中横坐标定义为干扰噪声输出功率谱密度，纵坐标定义为对应的链路余量。

图2　系统链路余量与干扰信号输出功率谱密度关系

由图2可见，当外部干扰和内部热噪声同时存在时，考虑热噪声和干扰综合效应的修正后的链路预算理论值和仿真结果符合得很好，从而验证了式(7)的正确性;另一方面，将仿真结果与按照式(8)得出的曲线进行比较可知，当外部干扰功率谱密度较小时，式(8)的结果和实际存在热噪声和干扰综合效应下的结果有较大差异，这是因为式(8)忽略了热噪声的影响；当外部干扰功率谱密度逐渐增大时，式(7)和式(8)预算结果将趋于一致，这是因为干扰的影响远远超过热噪声的影响，以至于后者可以被忽略。

3结束语

本文针对无线通信链路中的干扰与噪声的综合效应，修正了常用的链路预算表达式。仿真结果表明，与常用链路预算表达式相比，修正后的表达式能更好地反映通信信号无线传输的现实，对无线通信系统设计具有更好的指导意义。

参考文献

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[7]孔令涛,汤浩.战术通信无线传播研究[J].无线电通信技术,2011,37(3):26-29.

刘宇女，(1976—),工程师。主要研究方向：雷达通信系统设计。

张唯炯男，(1979—),高级工程师。主要研究方向：雷达通信系统设计。

作者简介

基金项目：上海航天科技创新基金项目资助(2014~2015年度)。

收稿日期：2015-05-06

中图分类号TN914

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)08-0001-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.01

引用格式：刘宇，张唯炯，李曙光.干扰与噪声条件下无线通信系统的链路预算[J].无线电工程，2015，45(8)：1-2，50.