复杂电磁环境下海域频率指配技术研究

刘维国

(91550部队 大连 116023)



复杂电磁环境下海域频率指配技术研究

刘维国

(91550部队 大连 116023)

论文针对海域电子设备复杂环境下的电磁环境适应性,基于以往研究成果进行详细EMC分析,建立以电磁兼容分析为基础的频率指配算法和流程,提出了海域频率指配数据库模型和软件需求。研究方法不以“无干扰”作为频率指配的依据,极大地增加了频率指配的自由度。对于科学进行海域复杂电磁环境下频率指配研究具有重要意义。

海域频率; 指配; 电磁兼容

Class Number TN03

1 引言

随着海上平台数量的急剧增加,区域电子设备的频率拥挤的矛盾日益突出,一是频率资源短缺;二是对频率缺乏科学的管理。传统频率指配多以“无干扰”作为定性条件,指配的“最优化”只限于“现在”而未充分考虑“将来”,把电波传播环境理想化,很少进行详细的电磁兼容性分析。本文在以往研究成果的基础上给出一种详细的EMC分析基础上的频率指配模型,即通过有效的EMC算法来使其达到实用化;不以“无干扰”作为频率指配的依据,极大地增加了频率指配的自由度,有效地提高频谱利用率。

2 EMC算法和频点指配算法

2.1 EMC算法研究

要达到优化指配的目的,EMC分析是必须的,但EMC分析的计算量是非常大,为了使频点指配达到实用化,EMC算法的研究是非常重要的。本文把频点指配过程中的EMC分析描述成如下数学问题:已知存在的频点库和环境参数及待选择的频点;求待选择的频点和现有各台站相互间的干扰概率。为此必须对所有可能存在的干扰进行分析,即对所有台站设备进行受扰分析,看干扰概率是否在干扰容限之内。如图1的台站设备分布,新指配的频点在8的位置,则必须进行如下两方面的检验:

图1 EMC算法例图(*已设台、#新增台)

1) 有现有台站对新设台站设备的干扰程度;

2) 所有已设台站设备受到新设台站设备的干扰程度。

这样一来计算量将是非常大的,即要对所有的组台、所有可能存在的干扰进行分析,要计算:

台站设备:

1、2、3、4、5、6、7对新设台站8的干扰情况;

1、2、3、4、5、6、8对7的干扰程度;

……

2、3、4、5、6、7、8对1的干扰程度。

当已设台站比较多时,则各种计算量太大,为此必须对算法进行改善。对于特定条件下的EMC分析,无需考虑全部的台站参加计算,因为在一定的距离间隔或频率间隔之外的台站,即使采用最保守的估算也不会有多大的有害干扰。所以首先将这部分台站剔除,剔除的范围从频率和距离两方面规定,即在进行干扰预测时,只考虑剔选距离和频率以外的台站,剔选的恰当与否,直接影响到分析计算的时效和可靠性。一般采用上限判定原则来导出剔选范围,即从本区域内台站可能使用的最大发射功率、最小可用信号电平等数据条件,导出可能发生干扰的边界范围作为剔选范围。

从上面的分析可以看出,在进行EMC分析时,有些计算与新设台站无关。如2、3、4、5、6、7对台1的干扰,这里并未涉及台8。在频点指配的试探性解法中,这样的计算要进行很多次,很明显会造成不必要的大量重复计算。为了便于分析,把已设台对新设台的干扰称为“正向干扰”,把新设台对已设台的干扰成为“反向干扰”。把已设台之间的干扰预先计算好,作为此电台站本身的环境参数存在数据库中,这样进行EMC分析时只进行“正向干扰”分析和“反向干扰”分析就行了。一旦频点被指配,此频点所在电台的参数及它的受扰频率均存入台站数据库中,同时对所有已设台的受扰概率进行修正,这样在以后的指配中便可大大减少计算量。下面是EMC算法流程图。

2.2 频点指配算法研究

频点指配是基于以下两个优化准则,一是最小频谱宽度指配;二是最小频点数指配;为了说明问题请看一个例子。如图2括号外为最小频谱宽度指配。

图2 频点指配例图

1、2、3、4、6,括号内为最小频点数指配1、3、5、7,很明显,最小频谱宽度指配占用的频谱宽度小,但需要的频点数多,而最小频点数指配需频点数少而占用频谱宽。究竟遵从哪种原则呢？频点指配的目的之一是提高频谱利用率,除去与通信技术体制有关的因素外,即以某地区内在某一频段的所指配的频点数来衡量,即在某一指定的频段,指配的频点数越多,则频谱利用率越高。因为无线电通信频谱的范围是有限的,在此情况下,用最小频点数指配会受到限制,而占用频谱宽度最小的指配方法是比较现实的。

从总体-局部的角度来讲即为如下两个命题: 1) 点数一定,指配的台站数最多即频谱利用率最高; 2) 台站数一定,指配频点所占用的频谱最小即最小频谱宽度指配。尽管这两个命题是不同的,但以2)指配频点的方法即使不是最优的,也是接近最优的。在现实中,指配时根据需求逐渐指配的,并不是某一频段划分下来即全部指配。但是由于将来的频率指配存在一些不确定性。“现在”的指配要降低“将来”指配的难度,根据这些分析和原则提出如下频率指配方法——最小频谱宽度/最小频点数的增量指配,即在最小频谱宽度的基础上进行指配,使得所有指配的频点占用的频谱宽度最小,当指配频率不是唯一时,使其所使用的频点数为最少。这种方法既保证了指配的频谱利用率原则,又保证了降低将来指配难度的原则,提高频谱利用率。图3是频点指配流程图。

3 海域频率指配数据库模型和软件需求

3.1 海域频率指配数据库模型

频率指配系统是以计算机软件为基础平台的自动化无线电频谱管理系统。其数据库模型由以下因素构成:

1) 地形地物数据库:用来存储海域地形、地貌及地物状况数据。

2) 电子设备和台站数据库:用来保存海域内各种通信、导航、雷达和电子战等设备型号、工作频率、发射/接收参数、台站位置、天线型号、天线架设高度、天线工作参数及组网情况等数据。

图3 频点指配流程图

3) 频率资源库:用来保存域频率范围、保护频率、业务划分情况、频率使用情况等数据在内的频率资源情况数据,其中保护频率包括:导航台站频率、雷达频率和电子干扰设备工作频率。

4) 电磁环境监测数据库:用来保存特定海域频谱监测结果数据,此数据是频率规划、指配和频率动态调整的依据。

5) 评估标准参数库:用来保存各类电子系统保护参数和辐射容限,如保护间距、射频保护比等数据。

3.2 海域频率指配软件需求分析

1) 传播预测软件:实现海域内全频段不同传播路径的传播预测。

2) 电磁干扰预测软件:实现海域电子设备同频干扰、邻频干扰、互调等干扰的干扰预测。

3) 兼容性评估与求解软件:用来评估海域电子设备与系统间的干扰是否超过容限,对于超过容限的状态,求解不超出容限的方案。

4) 频谱规划与频率指配软件:能够在计划配置海域电子系统以前,对拟投放作战海域的整个电磁频谱进行总体规划,在布置海域电子系统设备时,对网络中的各具体站点进行频率指配。

5) 动态频率调整软件:能够根据海域电磁态势的变化情况,及时对预先指配的设备频率进行调整。

4 结语

复杂电磁环境下海域频谱管理的基本任务是对现有频谱资源进行合理分配,以达到较高的利用效率。要科学的进行频谱管理,EMC(电磁兼容性)分析是其基础,进行EMC分析,各种数据库和数学模型是必不可少的。事实上海域电子设备中存在着各种干扰,如同道干扰,邻道干扰,互调干扰等,在频率指配实现“无干扰指配”是不现实的。本文以往研究成果的基础上,基于详细的EMC分析,建立以电磁兼容分析为基础的频率指配算法和流程研究,对于科学进行海域复杂电磁环境下频率指配研究具有重要意义。

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Frequency Distribution Technology of the Sea Area Under Complicated Electromagnetic Environment

LIU Weiguo

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

Aiming at the adaption of electromagnetic environment in complex environment of sea electronic equipment. In this paper, the EMC of sea electronic equipment is analyzed based on former research, and the algorithm and flow of frequency assignment based on electromagnetic compatibility analysis is established, and the database model and software requirement of sea frequency assignment is put forward. The method doesn’t base on noninterference and increases the degree of freedom of frequency assignment. it can play some role in studying the sea frequency assignment in the complex electromagnetic environment.

sea area, frequency distribution, electromagnetic compatible

2015年1月3日,

2015年2月26日 作者简介:刘维国,男,博士,高级工程师,研究方向:武器装备试验及作战使用。

TN03

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.044