基于空間分集的自適應(yīng)選頻散射傳輸技術(shù)

劉 瑩，韓明鑰，宋迎東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

由于散射信道存在嚴重的快衰落，必須依靠分集技術(shù)才能有效克服其對信號傳輸造成的損傷［1］。目前常用的分集方式(如空間與頻率分集相結(jié)合)均為開環(huán)、前饋式，各分集支路只能平均分配發(fā)射功率，由于信道衰落使得各支路接收電平可能存在高達20 dB的差距，瞬時接收電平較低的支路對分集合并的貢獻甚微，導(dǎo)致系統(tǒng)整體功率利用率偏低，因而限制了每分集支路檢測門限的進一步降低［2-4］。

對此提出了基于對流層散射信道認知的復(fù)合分集技術(shù)，即通過對散射通信設(shè)備中每路空間分集信號的實時傳輸質(zhì)量認知，選出衰落最小的頻率，并將相應(yīng)發(fā)射機功率全部集中在該最佳工作頻率上發(fā)射，從而達到提高系統(tǒng)功率利用率、降低每分集支路檢測信噪比的目的。

1 自適應(yīng)選頻技術(shù)原理

自適應(yīng)選頻技術(shù)就是指在通信過程中，發(fā)送方在信道中多個可用的工作頻率上進行周期性探測，并根據(jù)接收方對探測信號的回應(yīng)確定信號傳輸損耗最低的頻率——最佳頻率，作為當(dāng)前的通信頻率。當(dāng)系統(tǒng)在各選定頻率上的持續(xù)通信時間顯著小于信道的時不變區(qū)間時，采用自適應(yīng)選頻技術(shù)可用選擇式分集合并的效果來描述［5、6］。

由于采用自適應(yīng)選頻技術(shù)的散射通信設(shè)備能夠始終在當(dāng)前鏈路傳輸損耗最低的頻率上發(fā)射全部功率，因此與采用其他分集方式的散射通信設(shè)備相比具有更高的功率利用率，從而在衰落信道中可獲得更好的誤碼性能。

2 基于空間分集的自適應(yīng)選頻技術(shù)

采用自適應(yīng)選頻技術(shù)的散射通信系統(tǒng)的基本工作流程如圖1所示。為了克服自適應(yīng)選頻技術(shù)在面臨信道平坦衰落時可能導(dǎo)致的性能下降，并進一步降低每分集支路的檢測門限，首次提出了空間分集自適應(yīng)選頻體制，它是將空間分集與自適應(yīng)選頻有機結(jié)合在一起的一種復(fù)合分集方式，該方式能夠在不增加系統(tǒng)工作帶寬的前提下比單獨采用自適應(yīng)選頻體制獲得更加充分的分集效果，是一種新穎而高效的分集方式。

圖1 自適應(yīng)選頻協(xié)議流程

以2重空間分集基礎(chǔ)上的M重自適應(yīng)選頻技術(shù)體制為例，其分集效果可按照2重空間分集最大比合并的M重選擇式分集合并方式進行描述。為2重空間分集最大比合并加M重選擇式分集接收系統(tǒng)模型，如圖2所示，它包含2個空間分集支路，每個空間分集支路內(nèi)包括M個獨立的分集通道，即共有2 M個獨立的分集通道，各個通道均為瑞利衰落，且衰落特性是統(tǒng)計獨立的。

圖2 分集接收系統(tǒng)模型

根據(jù)圖2所示，sik(t)表示發(fā)送到第i個空間分集支路上第k個選擇式分集信道的信號，對任意i(i≤2)、k，sik(t)有相同的能量，在信道傳輸過程中受到信道衰落{αike-jφik}以及噪聲nik(t)的影響，其中{αike-jφik}表示第i個空間分集支路上第k個獨立通道的衰減因子和相移，nik(t)表示該信道上的加性高斯白噪聲，經(jīng)過信道傳輸后得到的信號送至接收機。在接收端完成信號檢測后，將第1個空間分集支路上M個獨立通道的檢測信號e11(t)、……、e1M(t)與第2個空間分集支路上M個獨立通道的檢測信號e21(t)、……、e2M(t)分別進行2重最大比合并，然后從得到的M個支路合并信號e1'(t)，……eM'(t)中選擇具有最大信噪比的一路信號輸出判決。

假設(shè)所有支路的平均信噪比R11、……、R1M、R21、……、R2M相同，均為R，則上述模型中2重最大比合并輸出端信噪比的概率密度為:

每個最大比合并支路的信噪比r小于一個給定門限的累積概率分布函數(shù)如下:

則上述2重最大比合并得到的M條支路再經(jīng)過選擇式合并輸出信噪比r，其小于給定門限的概率等于所有M條支路均小于給定門限的累積概率分布，即:

對上式微分可得基于2重最大比的M重選擇式合并信號瞬時信噪比的概率密度:

即基于2重最大比的M重選擇式合并信號瞬時信噪比的概率密度如下:

根據(jù)式(6)所示通過概率統(tǒng)計方法求取平均誤碼率的原理，可得采用2DPSK調(diào)制、相干檢測方式，基于2重最大比的M重選擇式分集合并接收信號的平均誤碼率表達式為:

以目前美軍大量裝備的AN-TRC170(V3/V5)型散射通信設(shè)備為例，該設(shè)備采用的是2重空間分集×2重頻率分集技術(shù)體制，如通過基于2重空間分集的自適應(yīng)選頻技術(shù)對其進行改進，根據(jù)式(7)可得，在瑞利衰落信道條件下，采用2DPSK調(diào)制、相干檢測方式時改進前后的系統(tǒng)性能如圖3所示。

圖3 2重空間分集自適應(yīng)選頻體制與170V3/5的性能仿真

由此可見，采用改進方案后系統(tǒng)性能得到了改善，且隨著自適應(yīng)選頻頻點數(shù)量的增加，性能增益也隨之顯著增加。

3 性能測試

在相同的散射調(diào)制解調(diào)器平臺下，分別加載2重空間分集自適應(yīng)選頻和2重空間分集×2重頻率分集兩種抗衰落波形，2種波形均采用3/4碼率的TPC編碼，并通過SR5500型無線信道模擬器設(shè)置接近真實對流層散射信道的瑞利多徑信道模型，其性能對比如圖4所示。

圖4 2重空間分集自適應(yīng)選頻體制與170V3/5的性能測試

由圖4可以看出，采用2重空間分集自適應(yīng)選頻技術(shù)體制的波形在誤碼率為1×10-5時，與采用2重空間分集×2重頻率分集的波形相比，信噪比改善達5 dB左右，顯著提升了散射通信設(shè)備的抗衰落平穩(wěn)傳輸能力。

4 結(jié)束語

針對散射通信中接收信號的時變快衰落特性，提出了一種將自適應(yīng)選頻技術(shù)與空間分集相結(jié)合的新型分集方式——基于信道認知的空間分集自適應(yīng)選頻傳輸技術(shù)，并將該技術(shù)體制與傳統(tǒng)的空間分集×帶內(nèi)頻率分集的抗衰落體制進行了對比。測試結(jié)果表明，在瑞利衰落條件下該技術(shù)平滑信道快衰落能力優(yōu)異，若用于典型現(xiàn)役輕型散射通信站的技術(shù)改造可取得明顯的效果。

［1］ 張明高.對流層散射傳播［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［2］ 秦建存.對流層散射通信自適應(yīng)選頻技術(shù)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［3］ 李榮海.一種適于散射自適應(yīng)選頻通信的信號分析［J］.無線電通信技術(shù)，2006，32(3):32-33.

［4］ 李正偉.數(shù)字對流層散射通信鏈路傳播可靠度工程計算［J］.無線通信技術(shù)，2010(2):41-43.

［5］ 甘啟光.認知無線電在散射通信中的初步應(yīng)用［J］.電子科技，2009(9):28-30，38.

［6］ MIL-STD-188-141B-1999，Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency［S］.