基于延迟自相关双门限的短波天线选择方法*

兰俊杰，白 洁2，张振宇**，隋静雯

(1.重庆通信学院 应急通信重庆市重点实验室，重庆 400035;2.重庆警备区，重庆400010)

基于延迟自相关双门限的短波天线选择方法*

兰俊杰1，白 洁2，张振宇**1，隋静雯1

(1.重庆通信学院 应急通信重庆市重点实验室，重庆 400035;2.重庆警备区，重庆400010)

短波固定台站配有多副发信天线，在实际应用时，一般是根据预先方案选择一副天线发射信号，没有充分利用天线的方向性，因而通信效果并不是最佳。针对这一问题，设计了一种能够在收发双方进行天线发送信号质量评估的探测机制，通过基于延迟自相关运算的双门限检测技术，在收接端判决各发信天线探测信号质量，然后根据评估分值，从短波固定台站众多的天线中自动选择通信效果最佳的发信天线发射信号，在不改变现有配置的情况下最大限度地提升通信质量。仿真结果表明，该方法可行有效，能够以较小的代价提高天线选择效率，充分利用天线的方向性，达到提升发射效率和通信效果的目的。

短波通信；天线选择；通信质量评估；延迟自相关；双门限检测

1 引 言

短波固定台站发射天线场建设中，通常根据不同方向链路距离和通信频率选择，设计架设不同的短波天线，以保证特定链路的通信效果。然而，天线具有方向性[1]，对于设计链路之外的通信、与机动用户的通信，或者预设链路天线发生故障，到底选择哪副天线发射信号，通常是人工凭经验，或者随机地选择，从而无法保证通信的效果，甚至根本不能通信。因此，设计一种有效的机制，在发射天线与通信对象之间进行通信质量的实时评估，从而选择具有最佳通信效果的天线发射信号，是工程上需要研究解决的问题。

关于天线选择技术[2-3]的研究主要集中于多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统中的多天线选择，但是针对短波频段的研究相对较少。短波天线尺寸较大，使用间隔的天线阵来应用MIMO技术受到较大的限制[4]，而在接收端可采用分集接收技术。文献[5]介绍了短波广域分集接收技术国内外研究现状及发展趋势，文献[6]进行了全短波波段极化分集试验。短波作为保底通信手段，当发生战争或重大自然灾害破坏后，天线数量可能有限且通信对象较多时，仍需要单个天线工作。目前关于短波发送端单天线的选择研究较少。文献[7]提出了依据接收信号信噪比大小选择发送天线的想法，但并没有给出具体的实现方法。文献[8-9]分别介绍了M2M(Mobile-to-Mobile)传感器网络和视频传输协作网络中根据信噪比进行发送天线选择方法。文献[10-11]阐述了放大转发中继移动D2D(Device-to-Device)协作网络中发送天线选择方法。文献[12]将延迟自相关检测算法运用于中国医疗体域网的专用频段，得到了较高的检测成功率。文献[13]提出了一种基于双门限能量检测的协作频谱感知算法，克服了噪声不确定性对能量检测的影响。延迟自相关和双门限检测理论在文献[12-13]中的成功应用，为短波发送端单天线的选择提供了思路。

本文结合作者的实际工作经验以及国内短波固定台站建设的现状，在充分考虑天线方向性的基础上，提出一种基于延迟自相关和双门限检测理论的短波天线自动选择方法，从而在不改变现行配置情况下，最大程度地发挥短波固定台站的效能，便于实际运用。

2 天线方向性

天线方向性是天线辐射的电场强度与空间方向的关系，是天线最重要的特性之一。方向图直观形象地反映出天线的方向性，习惯上采用坐标绘制，角度表示方向，矢径长度表示场强值。对于短波天线，常采用与大地平行的水平面方向图和与大地垂直的垂直面方向图。

采用HFSS软件，仿真目前短波固定台站常用的水平架设三线天线，得到不同工作频率、不同架设高度时的方向图，如图1和图2所示。

(a)5 MH垂直面方向图

(b)5 MHz水平面方向图

(c)25 MH垂直面方向图

(a)架高10 m垂直面方向图

(b)架高20m垂直面方向图图2 水平架设三线天线不同架设高度方向图(频率15 MHz)Fig.2 Radiation plot of horizontally-set three-line HF antenna with different height(frequency=15 MHz)

从图2和图3可以直观看出，短波天线的方向图并不是固定不变的，而是随着天线架设高度、工作频率等因素的变化而变化。在某一工作频率上处在天线最大辐射方向上，但更换频率后，该方向辐射可能变得非常小。即使是同一工作频率，不同程式天线，方向性也会发生变化。因此，为了达到良好的通信效果，必须利用好天线方向性。

3 短波固定台站天线选择存在的问题

短波固定台站建设时，会考虑业务需求、天线程式、数量、预设通信对象分布和天线场地形等因素，合理布局天线。当与预定对象通信时，会选择预定通信方向上的天线与之建立通信链路。如遇突发情况需增加、更改通信对象，天线发生故障或通信效果不佳时，则需快速、准确选择一副与之相适应的短波天线。

然而在实际工作过程中，虽然有自适应控制器能完成短波发信机和收信机最佳频率、最佳链路的实时选择，但是并没有充分考虑到天线的方向性，存在的主要问题如下：

(1)短波固定台站发信天线通过天线互换器与发射机相连，更换天线时，需工作人员操作天线互换器来完成，更换时间相对较长。

(2)具体选择哪一副天线合适，需要凭操作人员的知识和经验，增加了从业人员的门坎。为了避免收、发信系统之间的相互干扰，常采用收、发信台分离方式，但同时也产生收信台人员对发信天线的程式和通信方向不了解，发信台人员对收信台通信对象的位置不清楚的问题。如图3所示，台站A采用定向天线2与B站进行通信，可用较小的功率达到较好的通信效果。而在实际工作中，可能会选择全向天线6甚至是全向天线8与B站通信，此时只有加大功率才能完成通信。

图3 短波固定台站天线布局示意图Fig.3 Diagram of antenna layout for HF fixed station

(3)新建的类似于移动通信系统的短波数字通信网采用导航音搜索机制，从众多接入节点中选择所谓的最佳接入节点，然后从该接入节点中选择一副最佳的天线进行通信。虽然如此，仍然存在一个重要的问题：用于导航音发送的天线是随机选择的，并没有考虑到天线的方向性，而且天线的方向图随着工作频率的改变是会发生变化的。如图4所示，用户B距离接入节点A较近，距离接入节点C较远，如果接入节点A安排的是定向天线3发送导航音的话，B将接收不到接入节点A的导航音信号，进而不得不选择较远的接入节点C接入，舍近求远。

此外，发送导航音的天线与最后建立链路的天线是分开的，不能同时使用，这可能导致最后建立起来的链路通信质量不佳。

通过以上分析可以看出，短波固定台站选择天线时，往往没有采用最佳天线进行通信，还存在一定的问题，因此可以考虑设计一种天线自动选择方法来解决。

图4 用户接入示意图Fig.4 Diagram of user access

4 基于延迟自相关的双门限天线选择方法

4.1整体设计思路

发信天线最大辐射方向对准通信对象，接收到的信号强，信噪比大；反之，接收到的信号弱甚至没有，信噪比小。短波发信天线的方向可以通过接收信号的质量反映出来。短波发信天线选择功能主要靠天线探测发送模块和天线检测与评估模块完成，整体设计如图5所示。天线探测发送模块位于固定台站的发信端，完成探测序列的产生及天线的选择控制。天线检测与评估模块位于短波移动用户或固定台站的收信端，对各发信天线的探测信号进行能量检测[14]与质量评估，选出最佳天线。

图5 天线选择整体设计示意图Fig.5 Schematic diagram of antenna selection

短波用户需要与短波固定台站建立链路时，首先向短波固定台站发送申请，短波固定台站收到申请后，天线探测发送模块控制发信机在相同输出功率的条件下，以一定的时序安排所有可用天线向外发送天线探测信号，该探测信号包括用于天线信号质量检测和评估的序列以及天线编号。短波用户接收到信号后，通过基于延迟自相关的双门限天线检测与评估模块，得到各发信天线信号质量的分值，并从中选出分值最高的天线，然后将该天线的编号发送回短波固定台站。天线探测发送模块根据收到的天线编号选择该天线与短波用户建立通信链路。

4.2天线探测序列

天线探测序列由探测序列和天线编号两部分组成，如图6所示。探测序列由4个相同的重复序列(Repeat Sequence,RPS)组成，RPS序列由两重复的基本序列(Basic Sequence,BS)加上同样长度的0序列组成。基本序列BS选择产生容易、规律性强且有较好的自相关性特性的m序列[15]。

图6 天线探测序列示意图Fig.6 Sequence diagram of antenna detection

4.3天线检测与评估模块

在天线检测与评估模块中，通过延迟自相关运算，得到与接收信号信噪比有关的判决变量mn。借鉴双门限检测[13,16]原理，在检测信号到来的基础上，给接收信号质量一个评估分值，并返回分值最高天线的编号。如图7所示，该模块主要由延迟自相关运算和双门限检测与信号质量评估两部分组成。

图7 天线检测与评估模块示意图Fig.7 Schematic diagram of antenna detection and evaluation module

4.3.1延迟自相关运算

基于延迟自相关运算的分组检测算法[6]针对时域包含多个相同部分的特殊序列形式，有效克服了由于无线接收信号的不确定性引起的难以给出固定阀值的问题。延迟自相关运算的结构模型，如图7中左侧部分所示。

图中，Z-D为延时器，D表示延迟时间。由于天线探测序列的重复特性，D为基本序列时间长度的倍数。图中3个滑动窗口c、p、q，窗口c为接收信号与其延迟信号的自相关，通过该窗口的信号表示为

(1)

式中:rn表示接收信号序列;L表示信号序列累加的长度，即窗口的宽度。

窗口q和p计算了延迟自相关窗口期间接收信号的能量，分别表示为

(2)

(3)

qn和pn用于判决统计的归一化。统计判决变量mn可表示为

(4)

统计判决变量mn实际上是接收信号不同部分的归一化自相关系数，其值分布在[0,1]之间。

4.3.2双门限检测与天线质量评估

双门限检测是一种准最佳检测，所需设备少，便于实现。如图7所示，统计判决变量mn首先进入上支路，逐个地与选定的第一门限mn1相比较，超过第一门限的样本数目再由计数器累记，并与第二门限bn相比较，大于和等于bn则判决天线探测信号存在，小于bn则判决信号不存在。

第一个门限mn1表征自相关值的大小，需要结合实际应用环境，合理选择相关值门限mn1。对于第二个门限bn，它表征连续超过第一个门限值的个数，即一个计数器。利用该门限bn，即使由于多径、噪声等干扰的影响，存在个别自相关值超过门限mn1，但是很难达到门限的计数个数bn，因此可以获得可靠的检测。

在判断探测信号到来后，进入下支路，在比较器中取出每一RPS序列周期长度中大于第一门限mn1中所有点的最大值。将这些最大值在累加器中求和，得到反映天线探测信号质量的评估分值

(5)

式中:xi为表示一个RPS序列周期长度中，大于第一门限mn1中所有点的最大值。

综合各天线探测信号分值，选出分值最高的一个，并将该天线探测信号中的天线编号发送回短波固定台站。

5 系统仿真分析

利用Matlab对所设计的天线选择方法进行仿真分析，基本序列BS选择31位的m序列，其他仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数表Tab.1 Simulation parameters

考虑到短波信道多径、多普勒效应等因素的影响，调用ITU-R F.1487[17]中的低纬度中等条件短波信道模型(Low latitudes Moderate conditions,LM)来模拟短波信道的影响。天线探测序列经过ITU- R F.1487 LM模型后得到接收序列rn，再利用式(1)～(4)计算得到mn。mn输出曲线图如图8所示。

图8 经过ITU- R F.1487 LM信道后的mn输出曲线图Fig.8 The output curve of mn over ITU- R F.1487 LM channel

从图中可以看出，由于序列的重复性，经过延迟自相关运算后会出现4个峰峰值，考虑到短波信道的影响，峰值将会略低于理论值(理论峰值等于1)。

发信天线最大辐射方向与通信对象方向越趋于一致，则接收到的信号越强，信噪比越大。短波天线的方向性可以通过不同的信噪比来仿真分析。

不同对准程度下的天线T1、T2、T3、T4，可以用接收信号rn分别加上信噪比为20 dB、10 dB、5 dB、2 dB的加性高斯白噪声来表征，由此得到不同天线mn输出曲线图，如图9所示。

图9 不同天线mn输出曲线图Fig.9 Output curves of mn with different antennas

从图中可以看出，信噪比越大，输出曲线上的值整体上越大，峰峰值也就越大，也就是说通信对象的方向越趋向天线的最大辐射方向，统计判决变量mn的值越大，峰峰值越大。因此，可以通过峰峰值的大小来表征天线最大辐射方向与通信对象的对准程度。

结合图9的仿真结果，这里选择mn1=0.5，bn=80，利用Matlab仿真得到各天线的探测信号评估分值tv，如表2所示。

表2 不同天线的探测信号评估分值表Tab.2 Evaluation scores of different antennas

天线T4发送的探测信号，由于其mn大于mn1的个数小于bn，所以评估分值为0。从表2中可以看出，天线T1评估分值最高，将天线T1的编号发送至短波固定台站，就能完成最佳天线的选择。

从以上的仿真分析可以看出，该天线选择方法可以从众多的短波固定台站天线中自动选择出最大辐射方向最趋向于短波用户的天线，用于通信链路的建立，具有可行性。

6 结 论

本文针对实际工作中短波固定台站通信存在的问题，考虑到天线的方向性对通信质量的影响，提出了基于延迟自相关的双门限天线选择方法，并利用Matlab仿真验证了该方法具有可行性。在现有短波固定台站基础设施之上，以该方法对其简单升级改造，能以较少的成本大大缩短人工更换天线的时间，提高天线选择效率，提升短波固定台站通信质量，较好解决目前短波固定通信台站天线方向性考虑不足的问题，并降低从业人员门坎。另外，本文只是提出了短波天线选择方法的整体思路，但在短波固定台站通信中如何来实现还需进一步研究。

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ASelectionMethodforHFAntennaBasedonDoubleThresholdDetectionTheoryofDelayAutocorrelation

LAN Junjie1,BAI Jie2,ZHANG Zhenyu1,SUI Jingwen1
(1.Chongqing Key Laboratory of Emergency Communication,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China;2.Chongqing Garrison Command,Chongqing 400010,China)

The high frequency(HF) fixed station is equipped with multiple transmitting antenna. In the actual application,a fixed antenna is generally chosen to transmit signal according to the plan,which does not make full use of antenna directivity. As a result,the communication effect is not the best. In order to solve this problem,a detection mechanism is designed to evaluate the quality of transmitting signals between transmitter and receiver. Based on double threshold detection theory of delay autocorrelation,the quality of the probing signal of each transmitting antenna is judged. Then,according to the evaluation scores,the antenna with the best communication effect is selected automatically from the transmitting antennas. Without changing the existing configuration,the proposed method can greatly improve the quality of communication. The simulation results show that the proposed method is feasible and effective. It can improve the efficiency of antenna selection and make full use of antenna directivity to achieve the purpose of improving emission efficiency and communication effect at a lower cost.

HF communication;antenna selection;communication quality evaluation;delay autocorrelation;double threshold detection

date:2017-01-11；Revised date：2017-05-17

国家自然科学基金资助项目(61471366);重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA40050);重庆市教委研究生教育优质课程建设项目(2015-63)

**通信作者：zhenyu.zhang@cqu.edu.cn Corresponding author：zhenyu.zhang@cqu.edu.cn

TN924.1

A

1001-893X(2017)10-1191-07

兰俊杰(1988—)，男，重庆万州人，2010年获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为无线网络技术及应用；

Email:lantian_2017@163.com

白洁(1981—)，男，重庆人，硕士，工程师，主要研究方向为无线通信；

张振宇(1977—)，男，吉林人，博士，副教授、硕士生导师，主要研究方向为无线通信、OFDM和序列设计；

Email:zhenyu.zhang@cqu.edn.cn

隋静雯(1987—)，女，江苏南京人，2011年获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为无线网络理论与技术。

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.10.015

兰俊杰，白洁，张振宇，等.基于延迟自相关双门限的短波天线选择方法[J].电讯技术，2017,57(10):1191-1197.[LAN Junjie,BAI Jie,ZHANG Zhenyu,et al.A selection method for HF antenna based on double threshold detection theory of delay autocorrelation[J].Telecommunication Engineering,2017,57(10):1191-1197.]

2017-01-11；

2017-05-17