短波廣域分集接收系統(tǒng)設(shè)計討論

摘 要：從系統(tǒng)設(shè)計的角度，對在較大規(guī)模短波組網(wǎng)條件下廣域分集接收系統(tǒng)設(shè)計問題進(jìn)行了探討，提出分集接收信號處理方法的選擇原則及利用歷史數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)組織分集接收協(xié)作組的方法。

關(guān)鍵詞：短波；接收系統(tǒng)

中圖分類號：TN934.1

短波通信具有通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn)，在軍事通信和應(yīng)急通信領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。但電離層天波信道的多徑和時變特性導(dǎo)致短波接收信號具有深衰落現(xiàn)象，傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)通信很難克服這種深衰落對信號質(zhì)量帶來的影響。為緩解這一現(xiàn)象，提出利用廣域分布、通過有線互聯(lián)的固定臺站共同接收短波信號，并在中心站進(jìn)行分集合并處理，以提高接收信號的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)集中于討論分集接收的信號處理方法，文獻(xiàn)[1][2]分別討論基于OFDM調(diào)制的多天線分集方法和二重選擇分集方法所帶來的性能增益，但少有文獻(xiàn)討論在組網(wǎng)條件下怎樣實施短波廣域分集接收方法。本文從系統(tǒng)設(shè)計的角度，對在較大規(guī)模組網(wǎng)條件下，如何選擇分集接收信號處理方法、如何在網(wǎng)絡(luò)中組織分集接收協(xié)作組的問題進(jìn)行探討。

1 分集接收方法的選擇

考慮一種“臺站-移動臺”的通信場景，如圖 1所示。由N+1個通過有線鏈路互聯(lián)的地面臺站共同組成一個分集接收協(xié)作組，其中之一是移動臺的歸屬臺站（所有基站接收信號的匯聚地），其余為協(xié)作臺站，通過協(xié)議保證協(xié)作組內(nèi)所有臺站均在移動臺上行工作頻率上聽信號。

圖1 廣域分集接收通信場景

相比于傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)短波通信，廣域分集接收方法引入的最大代價是對有線帶寬的占用。分集接收處理通常有選擇分集、等增益合并和最大比合并三種方法，考慮到等增益合并和最大比合并方法對有線帶寬的需求相差不多，因此我們僅對選擇分集和最大比合并分集方法的性能進(jìn)行對比。

圖2示出了最大比合并分集接收方法的信號處理流程。移動臺的編碼調(diào)制流程不變。協(xié)作臺站對接收信號作均衡、解調(diào)，并估計接收信號信噪比，將解調(diào)后的軟符號序列和信噪比估計值序列通過有線鏈路送給歸屬臺站。歸屬臺站除完成協(xié)作臺站相同的功能外，還將本站以及所有接收到的協(xié)作臺站的軟符號序列按其信噪比估計值序列進(jìn)行加權(quán)后送入譯碼器，得到信息序列估計值，從而完成移動臺上行信號的接收。

圖2 最大比合并分集接收方法信號處理流程圖

圖3示出了選擇合并分集接收方法的信號處理流程。移動臺的編碼調(diào)制流程不變。每個協(xié)作臺站獨(dú)立對其接收信號進(jìn)行信道均衡、解調(diào)譯碼得到信息序列估計值，同時對信號信噪比進(jìn)行估計，將所得到的信息序列估計值及其對應(yīng)的信噪比估計值序列（以每個交織塊為單位）通過有線鏈路送給歸屬臺站。歸屬臺站除完成協(xié)作臺站相同的功能外，還對本站以及接收到協(xié)作臺站的信噪比估計值進(jìn)行比較，在每個交織塊選擇最大信噪比估計值對應(yīng)的信息序列估計值組成最終的信息序列估計值，從而完成移動臺上行信號的接收。

圖3 選擇合并分集接收方法信號處理流程圖

我們對兩種方案的誤碼率性能和所占用有線帶寬進(jìn)行比較。圖4是兩種方案誤碼率性能的仿真比較。仿真采用Rayleigh衰落信道，移動臺采用未編碼QPSK調(diào)制，并假設(shè)從移動臺到協(xié)作組的各個基站短波信道的小尺度衰落是相互統(tǒng)計獨(dú)立的，且接收端已知信道狀態(tài)信息。仿真結(jié)果表明，相比于點(diǎn)對點(diǎn)鏈路，當(dāng)誤碼率達(dá)0.05時，四重選擇合并分集可獲得約6dB增益，四重最大比合并分集較四重選擇合并分集獲得約3dB增益。

圖4 最大比合并與選擇合并的誤碼率性能對比

表1比較了兩種方案對有線帶寬的占用情況。其中，N為協(xié)作臺站數(shù)，fd為信息傳輸速率（單位bit/s），R為編碼調(diào)制速率（單位bit/symbol），B為軟符號的量化位數(shù)（單位bit/symbol）。以600bit/s聲碼話業(yè)務(wù)為例，假設(shè)分集接收協(xié)作組共有4個臺站（N=3），信息傳輸速率為fd=600bit/s，采用波特率為fd/R=2400Baud的傳輸波形，每符號采用8電平量化，即B=3bit/symbol，則若采用最大比合并分集接收，占用有線帶寬21.6k bit/s，若采用選擇合并分集接收，占用有線帶寬1.8k bit/s。

表1 兩種方案占用有線帶寬的比較

方案占用帶寬（凈載荷）示例（以聲碼話業(yè)務(wù)為例）

最大比合并分集接收N×fd/R×B bit/s21.6k bit/s

選擇合并分集接收N×fd bit/s1.8k bit/s

從上述分析可以看出，如果有線網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源足夠豐富，則可采用最大比合并分集接收方法，以獲取更好的性能；如果有線網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源有限，則可采用選擇合并分集接收方法，以獲取帶寬需求與誤碼率性能之間的折中。

2 分集接收協(xié)議的設(shè)計

在選定分集接收信號處理方法后，還需要解決如何在網(wǎng)絡(luò)中組織分集接收協(xié)作組的問題，也即對于某個移動臺，選擇哪些臺站組成一個分集接收協(xié)作組。我們提供一種利用歷史經(jīng)驗不斷優(yōu)化協(xié)作組組織的方法。該方法包括兩個階段，一是初始階段，即在網(wǎng)絡(luò)中沒有協(xié)作模式存在的初始化狀態(tài)時如何組織協(xié)作組；二是運(yùn)行階段，即在協(xié)作模式運(yùn)行一段時間之后，如何利用歷史數(shù)據(jù)提高協(xié)作組的組織效率。

圖5 網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作組的組織

邏輯上講，一個協(xié)作組包含1個歸屬臺站，若干個協(xié)作臺站。而一個臺站可能分屬不同的協(xié)作組，在不同的協(xié)作組內(nèi)扮演不同的角色。一個臺站只可能作為一個協(xié)作組的歸屬臺站。協(xié)作組組織協(xié)議的設(shè)計遵循以下設(shè)計原則：（1）盡力而為：協(xié)作臺站收到請求后，僅當(dāng)本臺站資源有空閑時，才幫助請求臺站。歸屬臺站應(yīng)設(shè)置超時機(jī)制來限制未響應(yīng)協(xié)作的臺站。（2）主動協(xié)作：當(dāng)本地臺站有資源空閑時，主動幫助其他臺站接收信號，主動協(xié)作方式有利于建立協(xié)作關(guān)系與評估協(xié)作效果。（3）按需協(xié)作：作為主動協(xié)作的補(bǔ)充手段，利用先前建立的協(xié)作信息，提高協(xié)作效率。（4）優(yōu)先協(xié)作：按照某種策略，優(yōu)先對具有高協(xié)作優(yōu)先級的臺站提供協(xié)作服務(wù)。（5）“軟狀態(tài)”：按照業(yè)務(wù)不同，物理層協(xié)作模式所能忍受的時延也不同，協(xié)議中不出現(xiàn)顯式ACK/NAK模式，而是設(shè)定定時器，通過判定定時器是否超時來界定有效協(xié)作。

以下通過對初始階段和運(yùn)行階段的兩個場景的描述來說明協(xié)作組組織協(xié)議的運(yùn)行過程：

2.1 場景1：初始階段

步驟1（初始化）：在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段，根據(jù)需要保障的重點(diǎn)區(qū)域，由長期預(yù)報計算出哪些臺站與重點(diǎn)保障區(qū)域之間有近似相同的頻率窗口，并通過網(wǎng)管將這些信息下發(fā)給臺站，由臺站記錄在本臺站的“協(xié)作表”中。

例：臺站A接收到信息，并維持“協(xié)作表”：

表2 臺站A的協(xié)作表示例

臺站頻率窗口說明

AfA此處頻率窗口是指作為歸屬臺站的工作頻率集，各臺站工作頻率集互不相交。

BfB

CfC

DfD

步驟2（協(xié)作輪詢）：如果臺站在保證為自己屬臺提供服務(wù)的同時還有剩余資源時（盡力而為），開始執(zhí)行協(xié)作（主動協(xié)作），即在其他臺站的頻率窗口上監(jiān)聽信號。如果監(jiān)聽到其他臺站信號則駐留在該信道，并啟動協(xié)作。

例：臺站A有空閑接收信道資源，則在fB、fC、fD頻率窗口之間重復(fù)輪詢。某一時刻A聽到了頻率窗口fC中的信號，則駐留該信道啟動協(xié)作。

步驟3（協(xié)作處理）：將接收到的信號按照預(yù)定的分集接收信號處理方案（圖2或圖3）的協(xié)作臺站部分進(jìn)行信號處理工作，并將處理后信號發(fā)送給對應(yīng)的歸屬臺站。至此，協(xié)作臺站的工作已完成。

例：臺站A按照圖2所示的協(xié)作臺站部分對所接收到頻率窗口fC中的信號進(jìn)行信號處理，并將處理后的信號發(fā)送給臺站C。至此，A完成協(xié)作任務(wù)。

步驟4（歸屬處理）：歸屬臺站接收到協(xié)作信號之后，首先判斷該到達(dá)信號是否超時（軟狀態(tài)），如果超時則丟棄；否則執(zhí)行兩項工作：（1）將接收到的有效信號按照圖2或圖3所示歸屬臺站部分進(jìn)行信號處理，得到最終的接收信息序列；（2）將該協(xié)作臺站記錄到本地臺站所維護(hù)的“歸屬表”中。

例：臺站C接收臺站A送來的協(xié)作信號，經(jīng)計時器檢查沒有過期，便按照圖2所示的歸屬臺站部分進(jìn)行信號處理，得到最終的接收信息序列；并將此次成功的協(xié)作信息記錄到臺站C的“歸屬表”（記錄本臺站得到了哪些其他臺站幫助）中。至此，本次協(xié)作完成。

表3 臺站C的歸屬表示例

臺站協(xié)作頻率質(zhì)量等級說明

Afc110表示臺站A在頻率fc1上幫助了本臺站，質(zhì)量等級為10。

2.2 場景2：運(yùn)行階段

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作組已經(jīng)運(yùn)行了一段時間，臺站A積累了一些協(xié)作信息，其協(xié)作表和歸屬表如和所示。又設(shè)圖5所示的移動臺2以上行頻率fA1接入臺站A，則怎樣組建協(xié)作組？

表4 臺站A的協(xié)作表示例

臺站頻率窗口

AfA

BfB

CfC

DfD

表5 臺站A的歸屬表示例

臺站協(xié)作頻率質(zhì)量等級

DfA110

步驟1：臺站A查找歸屬表發(fā)現(xiàn)臺站D能在頻率fA1上提供協(xié)作服務(wù)，便向臺站D發(fā)出協(xié)作請求（按需協(xié)作）。

步驟2：臺站D收到臺站A的請求，如果此時臺站D恰好有空閑資源，則幫助臺站A接收信號（盡力而為）。

步驟3：臺站D按照3.1節(jié)步驟3（協(xié)作處理）進(jìn)行信號處理。

步驟4：臺站A按照3.1節(jié)步驟4（歸屬處理）進(jìn)行信號處理。至此，本次協(xié)作完成。

上述協(xié)議運(yùn)行過程可以看出，當(dāng)協(xié)作模式在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行一段時間以后，臺站利用歷史數(shù)據(jù)，主動搜索過去積累的經(jīng)驗信息，主動發(fā)起協(xié)作，以提高協(xié)作效率。

3 結(jié)束語

本文討論較大規(guī)模組網(wǎng)條件下，短波廣域分集接收系統(tǒng)設(shè)計問題，指出對于分集接收信號處理方法的選擇需綜合考慮分集性能增益和有線網(wǎng)絡(luò)的承載能力，并提出一種動態(tài)組織分集接收協(xié)作組的方法。為了加快協(xié)作組組織的收斂速度，如何利用短波長期預(yù)報、探測數(shù)據(jù)等信息對網(wǎng)絡(luò)中固定臺站進(jìn)行合理的初始規(guī)劃，是下一步重點(diǎn)研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊美華，朱宇峰，魏巍.基于OFDM的短波多天線分集接收技術(shù)性能仿真[J].通信技術(shù)，2011（10）：7-9.

[2]碰國祥，莊銘杰.基于二重選擇性分集的海事短波數(shù)字通信性能分析[J].中國航海，2006（01）：38-41.

作者簡介：信長安（1975-），男，河南人，本科，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)與短波通信。

作者單位；南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210000