便攜極低速對(duì)流層散射通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 影，張震強(qiáng)

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050021)

0 引言

對(duì)流層散射通信利用對(duì)流層媒質(zhì)的不均勻性來實(shí)現(xiàn)超視距通信。相對(duì)于其他通信方式，對(duì)流層散射通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、信息容量大、信道不容易被破壞以及保密性好等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)[1]。相比衛(wèi)星通信，衛(wèi)星通信每兆比特吞吐量月成本為$3 000～$5 000，而散射通信對(duì)于多種環(huán)境能夠提供高可靠性、低時(shí)延的鏈路，因此與衛(wèi)星通信相比是一個(gè)非常有吸引力的、低成本、高效率的選擇。

隨著散射通信的重新崛起，對(duì)流層散射通信設(shè)備已經(jīng)從龐大、重型終端發(fā)展為更小、更輕、更易部署的能夠以一條安全鏈路傳輸數(shù)字話音和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。便攜極低速散射通信設(shè)備由于體積小、可搬移和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用。而對(duì)流層散射通信信道是一種典型的瑞利衰落信道，具有顯著的快衰落特征(包括多徑和多普勒效應(yīng))，嚴(yán)重影響便攜極低速散射通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量[2-3]。

為有效克服接收信號(hào)的衰落，本文針對(duì)遠(yuǎn)距離散射信道特性，首先采用合理的分集接收體制，在不增加設(shè)備復(fù)雜度的前提下有效平滑信號(hào)衰落；提出適用于極低速散射通信的高效糾錯(cuò)編碼技術(shù)，提高設(shè)備能力；同時(shí)，采用自適應(yīng)窄帶濾波技術(shù)，通過接收信號(hào)中的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行載波頻偏估計(jì)與多普勒彌散跟蹤，實(shí)現(xiàn)極低速同步解調(diào)，進(jìn)一步提升設(shè)備性能。

1 便攜散射通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 分集方式的選取

根據(jù)文獻(xiàn)[4-7]可知，對(duì)流層散射信道具有快衰落特性，服從瑞利分布，衰落速率在正常情況下為0.1～10 Hz，必須采用分集接收等抗衰落措施平滑信道衰落，保證信息的平穩(wěn)傳輸。由于信道存在頻率選擇性、空間選擇性和時(shí)間選擇性，可采用頻率分集、空間分集和時(shí)間分集等分集措施。

空間分集需要2面以上的分集天線，嚴(yán)重影響設(shè)備的便攜性要求。時(shí)間分集利用散射信道存在的時(shí)間選擇性實(shí)現(xiàn)分集措施，存在秒級(jí)的傳輸時(shí)延，該便攜散射設(shè)備對(duì)傳輸時(shí)延較敏感，因此不適合使用時(shí)間分集方式平滑信道衰落。頻率分集在同一傳輸路徑中，一定頻率間隔上進(jìn)行分集接收實(shí)現(xiàn)分集措施，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，當(dāng)信道存在明顯的頻率選擇性衰落時(shí)可獲得很好的分集效果，采用頻率分集的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 便攜極低速通信系統(tǒng)組成

在圖1的散射通信系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)信息經(jīng)過信道編碼和基帶成形后進(jìn)行頻率分集載波調(diào)制，采用帶內(nèi)4頻頻率分集，頻率間隔2 MHz，滿足頻率分集要求(相關(guān)帶寬為1 MHz)，占用系統(tǒng)帶寬6 MHz，滿足使用要求。采用頻率分集平均誤碼率曲線如圖2所示，歸一化信噪比在13 dB左右時(shí)可保證平均誤碼率為1×10-4，優(yōu)于無分集時(shí)誤碼性能20 dB。

圖2 采用頻率分集平均誤碼率曲線

1.2 抗多徑波形設(shè)計(jì)

接收到的散射信號(hào)是來自不同散射體信號(hào)的總和，且信號(hào)經(jīng)過的傳播路徑時(shí)延不同，導(dǎo)致接收信號(hào)畸變，影響接收信號(hào)質(zhì)量[8-9]。因此，發(fā)射端采用1/4占空方波成形，如圖3所示，4重頻率分集信號(hào)間相對(duì)延時(shí)1/4符號(hào)周期(T)，使調(diào)制信號(hào)占滿整個(gè)符號(hào)周期，信號(hào)峰均比為0 dB，合理利用發(fā)射功率。

圖3 抗多徑調(diào)制波形

在接收端，采用失真自適應(yīng)(Distortion Adaptive Receiver，DAR)解調(diào)，由于調(diào)制波形1/4占空，不僅能夠克服多徑時(shí)延展寬，還能獲取可觀的隱分集增益。從而進(jìn)一步平滑信道衰落，可近似達(dá)到8重分集效果，平均誤碼率為1×10-4時(shí)，獲取3 dB的隱分集增益。

2 LDPC譯碼器與窄帶濾波器設(shè)計(jì)

2.1 LDPC編譯碼特點(diǎn)

散射信道是一種變參信道，接收電平快衰落起伏可高達(dá)20 dB，誤碼是集中成串出現(xiàn)的突發(fā)誤碼類型，瞬時(shí)誤碼很大。隨著具有譯碼失效門限低的Turbo碼和低密度奇偶校驗(yàn)(Low-Density Parity-Check Codes，LDPC)碼相繼問世以及數(shù)字信號(hào)處理能力的增強(qiáng)，使散射通信采用前向糾錯(cuò)編碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)技術(shù)改善通信系統(tǒng)誤碼性能、提高系統(tǒng)傳播可靠度成為可能[10]。目前，散射通信中使用的LDPC糾錯(cuò)編碼為幾何碼或者具有循環(huán)結(jié)構(gòu)的LDPC編碼，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低；但若達(dá)到理想的編碼增益要求較長(zhǎng)碼長(zhǎng)，不適用于極低速散射通信。

本文基于漸進(jìn)邊增長(zhǎng)(Progress Edge Growth，PEG)算法構(gòu)造548 bit碼長(zhǎng)的LDPC碼，其隨機(jī)性強(qiáng)，性能優(yōu)越，但該碼沒有循環(huán)或準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)[11]，譯碼器的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。下面列出該碼字校驗(yàn)矩陣特點(diǎn)：

① 校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)：4 818；

② 行重：7或8，2種行重的行數(shù)如表1所示；

③ 列重：2，3，4，11，列重的列數(shù)如表2所示。

表1 LDPC碼行重表

行重行數(shù)行重行數(shù)71218153

表2 LDPC碼列重表

列重列數(shù)列重列數(shù)224641732031182

2.2 LDPC譯碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LDPC譯碼一般采用置信傳播(Belief Propagation，BP)算法和簡(jiǎn)化算法(如最小和算法、歸一化最小和算法等)。由于歸一化最小和算法計(jì)算復(fù)雜度低且性能與BP算法差距較小，故譯碼器設(shè)計(jì)采用歸一化最小和算法[12-13]。

由于該碼字的校驗(yàn)矩陣不具備循環(huán)或準(zhǔn)循環(huán)特性，不具備將校驗(yàn)矩陣分割成互不相關(guān)的子矩陣完成迭代操作從而達(dá)到降低譯碼實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的目的。若將所有校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)用寄存器表示，則迭代時(shí)序復(fù)雜、占用過多邏輯資源，實(shí)現(xiàn)時(shí)難免出錯(cuò)?？紤]到該碼字應(yīng)用于極低速通信中，編碼數(shù)據(jù)1幀的周期約為1 s，可采用適當(dāng)增加譯碼時(shí)間換取譯碼復(fù)雜度的下降，在譯碼時(shí)間與譯碼復(fù)雜度之間做權(quán)衡。

譯碼算法迭代過程如圖4所示，圖中列出了LDPC譯碼器的迭代譯碼過程，同時(shí)還標(biāo)注了譯碼過程每個(gè)環(huán)節(jié)的處理時(shí)鐘周期數(shù)。

圖4 譯碼算法迭代過程

按照?qǐng)D4中標(biāo)注的LDPC譯碼過程中的處理時(shí)鐘周期，完成迭代譯碼所需的周期約為5 371*N，假設(shè)迭代此時(shí)為N=40次，則LDPC譯碼過程所需的處理時(shí)鐘周期為214 840個(gè)。譯碼過程采用100 MHz高鐘完成，則LDPC譯碼過程所需時(shí)間為2.15 ms，譯碼時(shí)間可滿足使用要求。圖5為該編碼的性能測(cè)試曲線，由圖5可知，在誤碼率為1×10-6時(shí)，編碼增益為6 dB以上。

圖5 LDPC編碼恒參性能測(cè)試曲線

2.3 窄帶濾波技術(shù)

由于散射體雜亂無章的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接收信號(hào)頻率的彌散，稱為多普勒效應(yīng)。不同于移動(dòng)通信，這種散射體運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移一般比較小，在C波段其范圍一般在0.1～10 Hz，對(duì)于極低速通信，傳統(tǒng)的鎖相環(huán)同步技術(shù)無法直接用于跟蹤，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能[14-17]。而采用窄帶自適應(yīng)濾波技術(shù)，通過對(duì)接收信號(hào)中的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行載波頻偏估計(jì)與多普勒彌散跟蹤[18]，可有效提高載波提取輸出的信噪比[19-20]，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。載波提取濾波器的輸出信噪比/濾波器增益與輸入信噪比的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 輸出信噪比增益曲線

由圖6可知，若滿足輸出載波信噪比高于20 dB的同步要求，輸入信噪比只要大于8 dB即可，而傳統(tǒng)的鎖相環(huán)濾波需要輸入信噪比達(dá)到12 dB以上。因此，利用自適應(yīng)陷波器實(shí)現(xiàn)的窄帶濾波器性能滿足載波提取門限要求。

3 性能測(cè)試

搭建通信系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，在對(duì)流層散射信道條件下，測(cè)試便攜極低速散射設(shè)備的誤碼性能，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性與設(shè)備能力。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

① 傳輸速率：400 bps；

② 糾錯(cuò)編碼：LDPC；

③ 分集方式：4重頻率分集；

④ 解調(diào)方式：DAR相干解調(diào)。

分別在無糾錯(cuò)與加糾錯(cuò)條件下實(shí)測(cè)系統(tǒng)的誤碼性能曲線如圖7所示。

圖7 平均誤碼率實(shí)測(cè)曲線

由圖7可知：

① 在不加糾錯(cuò)條件下，實(shí)測(cè)曲線與理論8重分集曲線重合，考慮到工程損失的因素，實(shí)際達(dá)到的分集效果應(yīng)高于8重分集，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；

② 加糾錯(cuò)條件下，在誤碼率為1×10-6時(shí)，高效糾錯(cuò)編碼帶來約3 dB增益，與恒參信道有差距，這是由于散射信道與恒參信道的特性差異造成的；在相同的通信距離下，3 dB的編碼增益可將年傳播可靠度從95%提高至98%，明顯提升了設(shè)備能力。

4 結(jié)束語

隨著對(duì)流層散射通信的重新崛起，便攜極低速對(duì)流層散射通信設(shè)備由于體積小、可搬移和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)也獲得廣泛應(yīng)用。本文提出采用帶內(nèi)4頻頻率分集體制，結(jié)合抗多徑波形設(shè)計(jì)、DAR隱分集接收，同時(shí)設(shè)計(jì)高性能低時(shí)延的LDPC糾錯(cuò)編碼以及利用自適應(yīng)窄帶濾波的載波提取技術(shù)的極低速散射關(guān)鍵技術(shù)，解決了散射信道的快衰落問題，同時(shí)進(jìn)一步提升了設(shè)備能力，實(shí)測(cè)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了極低速散射通信系統(tǒng)的性能，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。