论文研究-低信噪比下星地信道监测序列长度设计.pdf

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星地通信系统中,信道误码率直接影响系统的通信性能。针对星地通信特点,提出了星地信道监测序列长度设计方法,考虑了接收端对监测序列的捕获概率和捕获时间要求,避免了低捕获或长时延对信道实时监测的影响。通信系统中,信噪比不同将影响监测序列的捕获概率和捕获时间,因此,针对星地通信的特点,重点考虑了低信噪比下监测序列的长度设计,并进行了仿真验证分析。仿真结果表明,在保证监测序列捕获时间可以和传输时间相比拟的前提下,监测序列长度至少取8 485 bit才能保证捕获概率为1。
蔡睿妍,胡家升,刘海燕:低信噪比下星地信道监测序列长度设计 2012,48(31) 200bit)且虚警概率很高(大于0.5)时具有一定的影 响,捕获时间大约增加了100μs,然而此时的虚警概 0.9 08 捕获概率 率对信道监测己没有实际意义。因此,实际监测中 宝07 虚警概率 =0.6 虚警概率对捕获时间的影响可以忽略不计。 层0.5 捕获时间陌捕获概率的变化如图2所示。 静 0.4 0.3 0.2 0 P=0.98 P=0.80 1.01.21.41.61.82.02.2 P=0.50 判决门限 104 10 (a)信噪比r=0dB 0.9 三0.8 07 捕获概率 虚警概率 10° 层0.5 积分序列长度/it 0.4 .3 图2捕获概率不同时捕获吋间和序列长度的关系 2 从图2可以看出,当虚警概率·定时,捕获概率 L.00⊥.051.101.151.201.251.301.351.40 对捕获时间的影响略大,捕荻概率越高(即信道质量 判决门限 越好),捕获时间越短。随着序列长度的增加,捕获 (b)信噪比r=-10dB 1.0 时间也将增大。 0.9 捕获概率 2.,2监测序列的捕获概率分析 回0.8 虚警概率 0.7 捕获概率P和虚警概率P的计算和仿真按照 0.6 0.5 中下面思路进行。 0.4 221制定判决门限设置原则 判决门限设置对捕获概率和虚警概率的影响很 0 大。当信噪比较大时,若判决信号大于设置的门限 1.001021.041.061.081.101.121.14 时,则为正常捕获。信噪比较小时,若判决信号大于 判决门限 (c)信噪比r=-20dB 设置的门限时,可能发生误捕;若判决信号小于设置 的门限时,则可能发生漏捕。门限设置适当时,捕获 捕荻概率 二 虚警概率 成功;门限设置过大时,捕获失败,发生漏捕;当门限 .7 设置过低,捕获同样失败,这时发生误捕。 设N为100,选择信噪比为0、-10、-20、 0.4 30、-40dB分别进行仿真,得到虚瞀概率和捕获 证0.2 概率的仿真结果,如图3所示。 从图3可见,在信噪比较高时,门限值有很大的 1.001.011.021031.041.051.06 判决门限 一个区域,可使捕获概率达到1,并且虚警概率接近 (d)信噪比r=-30dB 0。在信噪比较低时,门限值没有一个区域可使捕获 0 0.9 概率达到1,同时虚警概率接近0,只能选取一个门限 0.8 捕获概率 0.7 虚警概率 值尽量使捕获概率超过0.5,并且虚警概率低于0.1。 0.6 222设置判决门限 0 0.4 首先设虚警概率的可容忍范围为Pa≤a1。由 0.3 0.2 =Q5hN2)=05c0(hN2),可得 0.1 2.N 1.0001.0051.0151.0201.0251.0301.0351.040 判决门限 104 ertc( (5) (e)信噪比r=-40dB 图3不同信噪比卜虚警概率捕获概率和判决门限之间的关系 24 2012,48(31) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 即≥e7/-(2·a1 (6)3性能仿真 2·N 通过上述分析叮知,监测序列越长,捕获概率越 得到最佳门限值的区域为 高,但捕获时间也越长。而捕获时间过长,信道监测 5h≥、2,Nel(2a)+Ng (7)延迟大;捕获时间过短,易发生漏捕现象,因此,捕获 或5m2MA[2e(2·a)+√NB (8)时间设定时满足平均捕获时间不高于星地链路 令调整系数为 信号的传输时间Tx。此时,监测序列的捕获时间可 61=√2·er/e(2·a1) (9)以和传输时间相比较,捕获时间只占用部分信道监 测时间,不起主要作用,继续缩短监测序列长度意义 则式(8)可重新写成 不大。达到了在缩短信道监测时间的同时,尽量延 (10)长监测序列长度以增加捕获概率的目的。设高轨卫 式(9)中,随着α的减少,δ逐渐增加,但是增加得越星到地的距离为36000km,则星地链路的传输时延 来越缓慢。式(10)中,当M较小时,门限值ξ超过s=360000012s,即120ms N较多,当N较大时,门限值c超过N相对很 由图1可知,监测序列捕获时间受虚警概率的影 少,二者更加接近。 响很小,因此假定虚警概率Pa≤0.1,在以下的分析 223捕获概率与监测序列长度的关系 中,按照最坏情况取Pa=0.1考虑到捕获概率不 假设系统要求虚警概率的可容忍范围a1≤103,问,不会低于0.5,此取P4为0.5、0.60.7、0.80.9 此时调整系数δ,≥3.0902,代入式(10)得满足虚警和10六种情况。根据式(1),分别求出rc=120ms 概率可容忍范围的门限值cn=(30902+N),时的监测序列长度值N,如表1所示。 代入式(3)得捕获概率P4为 表1在rc=120ms条件下不同捕获 概率所对应的监测序列长度 3.0902-N P=0.5×erc (11) Tic/ms N/bit 2+4 0.1 根据式(4)和式(11),当信噪比相同时,较长的 0.6 0.1 120 5555 可以得到较高的捕获概率P。同样,假定信噪比 0.1 120 928 为0-40dB,N相同时,信噪比越高,捕获概率P 0.9 0.1 120 越高。 1.0 0.l 120 8485 以信噪比为-30dB为例,当系统要求虚警概率 的可容忍范围分别为a1≤103和a1≤107时,捕获概 设计系统时须追求性能的最优,因此在保障 c=120m条件下,按照捕获概率P≥0.9和虚警 率P4的情况如图4所示。 概率Pa≤0..设计系统。当监测序列长度N取 1.0 a=1E-3 8485bit时,捕获概岑为1,捕获时问为120ms。随着 Oa1=1E-7 信道误码的降低,监测序列长度还将继续增加。而 0.7 0.6 此时系统的信噪比低于0dB,信道误码率将低于0.1 0.5 如果不考虑监测序列的捕获环节,则监测序列长度 0.4 设计为2000.1-2000b即可,而此长度远达不到系 0.2 0.1 统对监测序列捕获概率和虚警概率的要求,因此,在 10 0° 10° 低信噪比时进行监测序列长度的设计,不仅要考虑 积分序列长度bit 监测的可靠性,还要保证监测序列能够被正确捕获, 图4虚警概率的可容忍范围不同时,捕获 综合设计监测序列长度。 概率和积分厅列长度的关系 从图4中可以看出,系统对虚警概率的可容忍范4结论 围要求越高,为维持较高捕获概率P4所需的积分序 星地通信链跻是卫星通信网络的主要链路,对 列长度N就越大 (下转178页)

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