一種基于感知數(shù)據(jù)特性分析的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法

李永志,王　景,王　凡

(1.中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，秦皇島　066000；2.總參第61研究所，北京　100039；3.中國(guó)電波傳播研究所，青島　2664107)

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工程與應(yīng)用

一種基于感知數(shù)據(jù)特性分析的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法

李永志1,王景2,王凡3

(1.中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066000；2.總參第61研究所，北京100039；3.中國(guó)電波傳播研究所，青島2664107)

提出了一種基于感知數(shù)據(jù)特性分析的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法。引入可量化電磁環(huán)境宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律和微觀變化特征的功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度偏度、功率譜密度相對(duì)變化率等評(píng)估因子，旨在全面評(píng)價(jià)電磁環(huán)境交叉重疊、瞬息萬(wàn)變動(dòng)態(tài)性引起的復(fù)雜程度變化，并基于此對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行精確的“客觀”評(píng)估。最后，利用感知數(shù)據(jù)對(duì)該方法的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可有效評(píng)估電磁環(huán)境復(fù)雜度。

電磁環(huán)境；標(biāo)準(zhǔn)差；偏度；變化率；復(fù)雜度

0　引　言

對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行定性和定量的評(píng)估分級(jí)，可為有效利用電磁環(huán)境以及規(guī)避惡劣電磁環(huán)境帶來(lái)的不利影響提供支撐，對(duì)軍民用領(lǐng)域種類繁多、數(shù)量巨大的無(wú)線電依賴系統(tǒng)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)均有著重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者從復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵、復(fù)雜度評(píng)估體系和方法進(jìn)行研究，并取得如下成果：(1)分析了的復(fù)雜電磁環(huán)境的內(nèi)涵和特征，形成了客觀和主觀二類評(píng)估思想[1]，簡(jiǎn)而言之，“客觀”評(píng)估是指以電磁環(huán)境本身為研究對(duì)象，“主觀”評(píng)估是以無(wú)線電系統(tǒng)與電磁環(huán)境的相關(guān)性為研究對(duì)象；(2)以統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)建立了“客觀”評(píng)估體系和評(píng)估方法，通過(guò)計(jì)算頻率占用度、時(shí)間占用度、空間占用度[2-3]、信號(hào)特征[4-5]、復(fù)合信息熵[6]等評(píng)估指標(biāo)來(lái)度量電磁環(huán)境的復(fù)雜程度；(3)認(rèn)識(shí)到電磁環(huán)境的相對(duì)性，逐步考慮無(wú)線電系統(tǒng)和電磁環(huán)境的相關(guān)性，探索了以無(wú)線電系統(tǒng)為主體的“主觀”評(píng)估方法[7-11]，通過(guò)計(jì)算特定區(qū)域電磁環(huán)境對(duì)特定無(wú)線電系統(tǒng)的影響程度來(lái)度量評(píng)估點(diǎn)的電磁環(huán)境復(fù)雜度。

電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)是對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行評(píng)估分級(jí)的數(shù)據(jù)來(lái)源。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)監(jiān)測(cè)手冊(cè)[12]中對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析主要是頻譜占用度、時(shí)間占用度等較簡(jiǎn)單的指標(biāo)。傳統(tǒng)意義上，電磁環(huán)境復(fù)雜度“客觀”評(píng)估是通過(guò)分析電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)在頻域、時(shí)域、空域的時(shí)間占用度、頻率占用度、空間占用度等指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)[13]，但這些較粗略的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)只能簡(jiǎn)單描述電磁環(huán)境復(fù)雜度的一個(gè)方面，其在刻畫(huà)電磁環(huán)境宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律和微觀變化特征方面顯得不足，因?yàn)榇嬖谡加枚扔?jì)算結(jié)果相同，但實(shí)際的頻譜占用迥異的情況。

隨著“大數(shù)據(jù)”技術(shù)的興起，挖掘電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)蘊(yùn)涵的潛在巨大信息對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜度的評(píng)估提供了新的思路。電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、信號(hào)種類繁雜以及時(shí)時(shí)刻刻都在變化等“大數(shù)據(jù)”的典型特征?，F(xiàn)有感知數(shù)據(jù)的分析利用還處于比較粗淺的地步，遠(yuǎn)未挖掘到感知數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的巨大“金礦”。鑒于此，本文以數(shù)據(jù)分析為切入點(diǎn)，在現(xiàn)有客觀評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，引入功率譜密度偏度、標(biāo)準(zhǔn)差等評(píng)估因子表征電磁環(huán)境統(tǒng)計(jì)規(guī)律；引入功率譜密度相對(duì)變化量、功率譜密度平均變化率、功率譜密度最大變化率等評(píng)估因子表征電磁環(huán)境變化劇烈程度。通過(guò)對(duì)電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和變化特征進(jìn)行一些探索性研究，挖掘電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)內(nèi)部所含信息，給出更為精確的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估結(jié)果。

1　評(píng)估方法

本文提出的電磁環(huán)境復(fù)雜度的評(píng)估方法是以電磁環(huán)境門(mén)限[3]為基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算電磁環(huán)境數(shù)據(jù)在一定的空間、用頻范圍及時(shí)間段的頻率占用度、時(shí)間占用度、空間占用度、平均能量值、功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度偏度、功率譜密度相對(duì)變化量、功率譜密度平均變化率、功率譜密度最大變化率等評(píng)估因子，利用指標(biāo)綜合方法，計(jì)算電磁環(huán)境的客觀復(fù)雜度。下面將闡述本方法涉及的各項(xiàng)評(píng)估因子的計(jì)算方法：

首先，將待評(píng)估區(qū)域采集的電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)(場(chǎng)強(qiáng)或功率)轉(zhuǎn)化為功率譜密度分布，功率譜密度S(r,t,f)是時(shí)間和頻率的函數(shù)，通?？衫霉β屎蛨?chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)換得到，若采樣點(diǎn)的測(cè)量值為功率，功率譜密度即為功率值與帶寬的比值，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，P(r,t,f)為功率，B為帶寬。

若采樣點(diǎn)的測(cè)量值為場(chǎng)強(qiáng)，需將場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)換為功率，再計(jì)算得到功率譜密度，其計(jì)算公式為：

(2)

式中，E(r,t,f)為場(chǎng)強(qiáng)，η0為自由空間的波阻抗。

其次，計(jì)算評(píng)估方法中涉及的各個(gè)評(píng)估因子，時(shí)間占用度(TO)、頻率占用度(FO)、空間占用度(SO)計(jì)算公式參考GJB 6520—2008《戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分類與分級(jí)方法》。

電磁環(huán)境平均能量值[13]是指在一定時(shí)間和用頻范圍內(nèi)電磁環(huán)境的平均功率譜密度，它反映的是電磁環(huán)境在功率方面的強(qiáng)弱程度，其具體計(jì)算公式：

(3)

式中：AS是平均能量值；f1,f2為頻率范圍，t1,t2為時(shí)間范圍，VΩ為空域體積；S(r,t,f)為坡印廷矢量的幅值，即功率流密度的幅值，是空間位置矢量、時(shí)間和頻率的函數(shù)，W/m2·Hz。

離散情況下，采用積分求和得到：

(4)

式中，N表示某處在一定時(shí)間和頻率范圍內(nèi)電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，如果監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)信號(hào)電平變化相對(duì)比較劇烈，即使某信道的占用度不是特別大，也會(huì)給無(wú)線電系統(tǒng)帶來(lái)較大影響，從而不適宜使用。鑒于此，本文引入功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、相對(duì)變化量、平均變化率、最大變化率等評(píng)估因子來(lái)描述電磁環(huán)境變化劇烈程度。

功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差是指電磁環(huán)境數(shù)據(jù)變化量偏離均值的大小，它反映的是電磁環(huán)境變化的劇烈程度，其具體計(jì)算公式為：

(5)

式中，SD為功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差。

功率譜密度偏度衡量電磁環(huán)境數(shù)據(jù)功率譜密度的統(tǒng)計(jì)分布曲線圖圍繞其均值的非對(duì)稱性性狀，包括分布偏斜方向和程度。它在一定程度上反應(yīng)電磁環(huán)境的變化情況，其具體計(jì)算公式為：

(6)

式中，SK為功率譜密度偏度。

功率譜密度相對(duì)變化量是指在一定時(shí)間和用頻范圍內(nèi)，各種信號(hào)疊加后的電磁環(huán)境的功率譜密度最大值和最小指的相對(duì)變化量，它反映的是電磁環(huán)境在一段時(shí)間、頻段范圍內(nèi)功率值變化的劇烈程度。

DS=max(S(r,t,f))-min(S(r,t,f))

(7)

式中，DS為功率譜密度相對(duì)變化量。

功率譜密度平均變化率是指在一定時(shí)間和用頻范圍內(nèi)，各種信號(hào)疊加后的電磁環(huán)境的功率譜密度在單位時(shí)間、頻段內(nèi)的變化值的均值，它反映的是電磁環(huán)境在單位時(shí)間、頻段內(nèi)功率值變化的劇烈程度。

(8)

式中，DR為功率譜密度相對(duì)變化量。

功率譜密度最大變化率是指在一定時(shí)間和用頻范圍內(nèi)，各種信號(hào)疊加后的電磁環(huán)境的功率譜密度在單位時(shí)間、頻段內(nèi)的變化值的最大值，它反映的是電磁環(huán)境在單位時(shí)間、頻段內(nèi)功率值的最大變化程度。

(9)

式中，DM為功率譜密度相對(duì)變化量。

為了體現(xiàn)各個(gè)評(píng)估因子在指標(biāo)體系中的重要程度，在指標(biāo)體系確定后，必須對(duì)各評(píng)估因子賦予不同的權(quán)重系數(shù)。確定權(quán)重大致分為兩類：一類是經(jīng)驗(yàn)加權(quán)，主要由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得到；另一類是數(shù)學(xué)加權(quán)，它以數(shù)學(xué)原理為背景，間接生成。前者的優(yōu)點(diǎn)是專家可以根據(jù)實(shí)際問(wèn)題，合理確定個(gè)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，缺點(diǎn)是主觀隨意性較大；后者不需征求專家的意見(jiàn)，切斷了權(quán)重系數(shù)主觀性的來(lái)源，但一個(gè)不可避免的缺陷是確定的權(quán)重有時(shí)與指標(biāo)的實(shí)際重要程度相悖。故本文權(quán)重系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)加權(quán)，權(quán)重系數(shù)由評(píng)估者根據(jù)其關(guān)注點(diǎn)及側(cè)重面進(jìn)行自定義。

最后，電磁環(huán)境復(fù)雜度的綜合評(píng)估，利用時(shí)間占用度、頻率占用度、空間占用度、平均能量值、功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度偏度、功率譜密度相對(duì)變化量、功率譜密度平均變化率、功率譜密度最大變化率等九項(xiàng)評(píng)估因子進(jìn)行加權(quán)的計(jì)算方法獲得。

COEG=α1(TO×FO×SO)+α2AS+α3SD+α4SK+α5DS+α6DR+α7DM

(10)

其中，COEG表示客觀評(píng)估復(fù)雜度等級(jí)，TO表示時(shí)間占用度，F(xiàn)O表示頻率占用度，SO表示空間占用度，AS表示平均能量值，SD表示功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差，SK表示功率譜密度偏度，DS表示功率譜密度相對(duì)變化量，DR表示功率譜密度平均變化率，DM表示功率譜密度最大變化率，αi表示權(quán)重系數(shù)。

表1為復(fù)雜度評(píng)估因子的指標(biāo)分級(jí)，評(píng)估者可根據(jù)應(yīng)用需求及對(duì)等級(jí)的關(guān)注程度，可分不同等級(jí)。

表1　復(fù)雜度評(píng)估因子指標(biāo)分級(jí)

2　應(yīng)用實(shí)例

以某區(qū)域采集的電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估。分別在該區(qū)域選取九個(gè)地點(diǎn)(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間9:58:00～10:17:12，頻段為88～100 MHz，分辨率帶寬為100 kHz，各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)強(qiáng)如圖1所示。

圖1　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值

電磁環(huán)境門(mén)限[3]S0采用在相應(yīng)頻段工作的電子信息設(shè)備產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境信號(hào)功率密度譜的最小值，其大小依據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的中國(guó)地區(qū)各頻段背景噪聲值高10 dB為基準(zhǔn)，根據(jù)評(píng)估側(cè)重點(diǎn)，自定義權(quán)重系數(shù)α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7的取值為0.4、0.1、0.1、0.1、0.1、0.1、0.1，計(jì)算出該地區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻率占用度、時(shí)間占用度、空間占用度、平均能量值、功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度偏度、功率譜密度相對(duì)變化量、功率譜密度平均變化率、功率譜密度最大變化率，利用式(10)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電磁環(huán)境復(fù)雜度，如表2所示，各評(píng)估因子具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照表3。

表2　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)評(píng)估因子及復(fù)雜度計(jì)算結(jié)果

表3　各評(píng)估因子的分級(jí)體系

表4　復(fù)雜度的綜合分級(jí)體系

綜合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，計(jì)算該區(qū)域的頻率占用度、時(shí)間占用度、空間占用度、平均能量值、功率譜密度相對(duì)變化量、功率譜密度平均變化率、功率譜密度最大變化率、功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度偏度分別為0.95、1、0.89、17.9、93.8dB、1.9473、19.4798、11.7605、1.9026，通過(guò)式(10)，參照表4綜合評(píng)估該區(qū)域電磁復(fù)雜度等級(jí)為10級(jí)，電磁環(huán)境復(fù)雜度為IV級(jí)(重度復(fù)雜)。

3　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有復(fù)雜度評(píng)估方法中評(píng)估因子僅能對(duì)電磁環(huán)境特性進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)的不足，提出了一種基于感知數(shù)據(jù)特性分析的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)功率譜密度平均能量值、功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度偏度等評(píng)估因子的計(jì)算，量化了電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)的宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律；通過(guò)對(duì)功率譜密度相對(duì)變化量、功率譜密度平均變化率、功率譜密度最大變化率等評(píng)估因子的計(jì)算，量化了電磁環(huán)境的微觀變化特征，為更準(zhǔn)確評(píng)估電磁環(huán)境進(jìn)行了有益的探索，為有效利用電磁環(huán)境和規(guī)避電磁風(fēng)險(xiǎn)提供了進(jìn)一步保障。

由于對(duì)電磁環(huán)境的研究還在不斷深入，隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境將更加復(fù)雜，描述電磁環(huán)境的“域”會(huì)不斷增加，故計(jì)劃下一步研究電磁環(huán)境信號(hào)極化、調(diào)制等方面對(duì)復(fù)雜度的影響，進(jìn)一步對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行更精準(zhǔn)的評(píng)估。

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李永志(1968—)，男，河北人，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)線通信與通信對(duì)抗；E-mail：wangfan_01@126.com

王景(1971—)，男，遼寧人，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與電磁頻譜管理；

王凡(1982—)，女，河南人，碩士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)與電磁頻譜管理。

A Complexity Evaluation Method of Electromagnetic Environment Based on Sensing Data Characteristics Analysis

LI Yong-zhi1,WANG Jing2,WANG Fan3

(1. Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao Hebei 066000, China；2. No.61 Institute of General Staff, Beijing 100039, China；3. China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao Shandong 266107, China)

A complexity evaluation method of electromagnetic environment is presented based on sensing data characteristics analysis. For the sake of quantizing macroscopical statistical law and microcosmic variation characteristics of the electromagnetic environment, the evaluation factors are introduced such as power spectral density standard deviation, power spectral density skewness, power spectral density variance ratio and so on. Thus the complexity variation roundly caused by overlapping and dynamic varying of electromagnetic environment could be appraised, herein electromagnetic environment could be evaluated objectively and accurately. Finally, the practicability of the method is verified using the sensing data test, the result shows that the method can effectively evaluate the complexity of the electromagnetic environment.Key words: Electromagnetic Environment; Power spectral density standard deviation; Power spectral density skewness; Power spectral density variance ratio; Complexity

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.011

2016-03-06

2016-05-13

國(guó)家863項(xiàng)目(2015AA7124068)、國(guó)家973項(xiàng)目(6133190102)、青島自主創(chuàng)新重大專項(xiàng)(14-6-1-8-ZDZX)

TN971.1

A

1673-5692(2016)04-392-05