基于空時分組碼的Link-16全空域增強傳輸方案

許凱嘉 黃巍 查雨希 王軍

1．電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室四川成都611731

數(shù)據(jù)鏈作為信息化戰(zhàn)爭的基石,將戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)要素連成一個有機整體[1].Link-16 數(shù)據(jù)鏈是將遍布陸?？盏膽?zhàn)場感知系統(tǒng)、指揮自動化系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)和信息攻擊系統(tǒng)等作戰(zhàn)要素聯(lián)為一個有機整體的信息網(wǎng)絡系統(tǒng),是實現(xiàn)戰(zhàn)場信息共享、縮短指揮決策時間、快速實施打擊的保障[2].當飛機間利用Link-16 進行信息交互時,在一些場景下,傳統(tǒng)的單天線通信模式存在信號受機翼和機身遮擋影響導致通信質量下降,嚴重時無法正常通信的問題.

針對機體對通信信號的遮蔽問題,文獻[3]仿真研究了飛機的機腹和機背天線方向圖受飛機結構的影響,發(fā)現(xiàn)空地數(shù)據(jù)鏈路存在飛機通信“盲區(qū)”;文獻[4]分析了不同飛行方向和機身遮擋的影響,指出飛行方向與信號方向越接近,相關性越強,信道容量越小,采用空時編碼對機身遮擋可起到抑制作用;文獻[5?6] 對機體遮擋現(xiàn)象進行了建模和分析,文獻[6]所提模型能夠準確刻畫固定遮擋造成的電磁波傳播損耗,可為飛機上通信天線的安裝位置設計提供參照.為應對機體遮擋信號導致通信質量下降的問題,文獻[7]提出利用雙天線進行信號接收,通過能量檢測,選擇信號能量大的天線進行接收;文獻[8?9]提出通過對比同步序列相關峰的大小,選擇雙天線中未被遮擋的天線進行通信,實驗證明雙天線接收能有效解決機體遮擋時造成數(shù)據(jù)通信斷續(xù)的問題.由于發(fā)射信號也可能被機體遮擋,僅采用雙天線接收并不能實現(xiàn)全空域通信.在高斯信道下,文獻[10]針對天線被機身遮擋的問題,提出采用多天線和空時分組碼(Space-Time Block Code,STBC)技術來實現(xiàn)飛機與地面之間可靠通信的方案,仿真證明該技術可以有效解決機身對天線的遮擋問題.文獻[11] 在文獻[10]的基礎上,進一步考慮了衰落信道的影響,證明多天線和STBC 還可有效對抗多徑衰落的影響.文獻[12]提出了STBC 在空時聯(lián)合自適應調零技術中的應用.對采用Link-16 數(shù)據(jù)鏈的空空通信,尚未見公開的文獻研究并提出解決機身遮擋收發(fā)信號的技術方法.

本文對空空通信中機身對通信信號的遮擋情況進行了分析,給出了4 種典型的場景.在此基礎上,提出在機背和機腹各安裝一幅天線的雙天線通信方法,以克服機身對通信信號的遮擋.為了避免采用頻分或時分發(fā)射信號導致的頻譜效率損失,采用兩發(fā)兩收的STBC.同時,根據(jù)Link-16 的數(shù)據(jù)封裝格式,在每個脈沖的空閑部分加入導引符號用于信道估計.仿真結果表明:所提出的兩發(fā)兩收STBC Link-16 增強傳輸方案,可以有效克服空空通信中機身對信號的遮擋,實現(xiàn)全空域通信.

1 系統(tǒng)模型

1.1 場景分析

空空通信中,飛機間相對位置的變化將導致信號受到不同程度的機體遮擋,影響通信質量.為了實現(xiàn)全空域通信,考慮在機身和機腹各安裝一幅天線,此時,機間通信可以分為4 種典型場景.

場景1.如圖1(a)所示,飛機1 位于飛機2 的正下方時,只有飛機1 的機背天線與飛機2 的機腹天線可以正常通信,其余天線間由于機體完全遮擋不能正常通信.

場景2.如圖1(b)所示,當飛機1 與飛機2 有一定距離和高度差時,飛機1 的機背天線能與飛機2 的機腹天線正常通信;飛機1 與飛機2 的機背天線,飛機1 與飛機2 的機腹天線間可以進行通信,但由于受到機身的部分遮擋,信號質量將受到一定程度的影響;飛機1 的機腹天線與飛機2 的機背天線由于受到機身的完全遮擋不能通信.

場景3.如圖1(c)所示,當飛機1 與飛機2 距離較遠時,機體對天線的遮擋進一步減小.此時,飛機1的機背天線能與飛機2 的機腹天線正常通信;飛機1與飛機2 的機背天線,飛機1 與飛機2 的機腹天線間可以進行通信,由于受到機身的小部分遮擋,信號質量會有所下降;飛機1 的機腹天線與飛機2 的機背天線同樣可以進行通信,但由于受到機身遮擋更嚴重,信號質量較差.

場景4.如圖1(d)所示,當2 架飛機距離很遠,或高度差較小時,機體對天線基本沒有遮擋,飛機1與飛機2 的機背天線,飛機1 與飛機2 的機腹天線間可正常通信;飛機1 的機背天線與飛機2 的機腹天線,飛機1 的機腹天線與飛機2 的機背天線可進行通信,但由于受到機身的小部分遮擋,信號質量有一定下降.

根據(jù)上述4 種場景,可以建立一個如圖2所示的傳輸模型,上述所有通信場景都可視為該模型的特殊情況.該2 發(fā)2 收系統(tǒng)可以建模如下:

式中,y=［y1,y2］T是接收信號矢量,H是2×2 的信道系數(shù)矩陣,其元素hij表示第j根發(fā)射天線與第i根接收天線之間的信道衰落系數(shù).s是2×1 的發(fā)射信號矢量,且表示單位矩陣.n是均值為0,協(xié)方差矩陣為N0I的復高斯隨機噪聲向量.

圖1 通信場景示意圖Fig.1 Communication scenario diagram

1.2 時隙結構

為了在Link-16 中集成上述2 發(fā)2 收傳輸方案,并避免雙天線傳送相同數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)接收信號剛好相位反轉,信號抵消的情況,可以采用多種方式.例如:兩根發(fā)射天線分時或分頻發(fā)射數(shù)據(jù),兩根接收天線同時接收.但這一方案會降低系統(tǒng)的頻譜效率.為了不降低頻譜效率,對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行碼率為1的STBC,并在每個Link-16 脈沖的空閑部分加入導引序列用于信道估計.為此,需要對Link-16 時隙結構進行適當改進.

改進后的Link-16 標準雙脈沖封裝格式如圖3所示.在Link-16 標準脈沖時隙結構的基礎上,在不發(fā)送任何信息的2×6.6 us 中插入導引序列,用于接收端的信道估計.采用的導引符號長度NP=32,導引符號矩陣采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)矩陣,其第(m,i)個元素為

圖2 2 發(fā)2 收雙天線傳輸模型Fig.2 2-output 2-input double antenna transmission model

若機間相對運動速度為4 M,工作頻率為1.2 GHz,則最大多普勒頻移為5 440 Hz,信道相干時間約為77.8 us.相干時間遠大于一個脈沖的持續(xù)時間13 us,因此,可以假設在一個脈沖時間內為信道保持恒定,為準靜態(tài)衰落信道.另一方面,假設飛機機身直徑為3 m,則兩天線最大傳輸時延約為10 ns,遠小于一個Link-16 碼片持續(xù)時間200 ns,因此,可以不用考慮雙天線間的多徑時延問題,將信道視為平坦衰落信道.

1.3 接收信號模型

采用2 發(fā)2 收的Alamouti STBC[13],編碼矩陣為:

其中,s1、s2是輸入比特映射的兩個符號.在某時刻符號s1、s2分別在天線1、2 上發(fā)送,在下個時刻兩個天線上發(fā)送的符號分別為和.則雙天線單個脈沖編碼后的數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖3 加入空時導引序列的標準雙脈沖時隙結構Fig.3 Standard double-pulse slot structure with space-time pilot sequence added

圖4 雙天線STBC 編碼方式Fig.4 Double antenna STBC encoding method

用Y1,Y2表示在兩個連續(xù)碼片符號時間接收的同一個STBC 碼字的信號,有

其中,信道矩陣H為:

2 接收算法設計

由式(5)可得:

綜合式(4)和式(7),可得:

其中,

則

于是,對式(11)進行信道均衡,即可恢復發(fā)射信號.

2.1 信道估計

為了根據(jù)式(11)恢復發(fā)射信號,需要估計出信道矩陣H.利用導引符號進行信道估計[14].在訓練階段,有

其中,yP是2×NP的接收信號矩陣,sP是2×NP的導引符號矩陣,nP是2×NP的復噪聲矩陣,且nP具有獨立同分布的項.對于最大似然(Maximum Likelihood,ML)信道估計,已知最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)意義下的最優(yōu)導引符號矩陣是行正交矩陣,即:

式中,Ep是每個導引符號的能量.本文采用的FFT矩陣滿足行正交矩陣的要求.此時,估計得到的信道矩陣可以表示為

其中,信道估計誤差矩陣

是信道估計誤差的矩陣.

2.2 信號檢測

綜合考慮性能和復雜度的折中,采用迫零均衡算法[15].根據(jù)式(11)理想信道估計下,得到均衡后的數(shù)據(jù)為:

此時,接收機處的信噪比S NR=ha·(Es/N0).當采用估計的信道矩陣式(14)進行均衡時,經(jīng)過推導有

其中,4 × 2 的矩陣?H' 由每個信道系數(shù)的估計誤差參照H' 排列得到.顯然,由于信道估計誤差,實際均衡后的信噪比S NR'=這里,相應由?H'HH'計算得到.

3 仿真結果

仿真采用Link-16 標準雙脈沖格式,空空通信采用Rician 信道模型[16].不同場景的信道設置如下:場景1 為飛機1 位于飛機2 正上方時的通信場景,仿真中假設只有一條信道能正常通信(萊斯因子為15 dB),其余信道的信道系數(shù)皆為0;場景2 為飛機1和飛機2 有一定距離和高度差時的通信場景,仿真中假設有一條信道能正常通信(萊斯因子為15 dB),有兩條信道質量較差(萊斯因子為1 dB),最后一條信道的信道系數(shù)為0;場景3 為飛機1 和飛機2 距離較遠時的通信場景,仿真中假設有一條信道能正常通信(萊斯因子為15 dB),有兩條信道質量一般(萊斯因子為3 dB),最后一條信道質量較差(萊斯因子為1 dB);場景4 為2 架飛機距離很遠或位于相同高度時的通信場景,仿真中假設有兩條信道質量很好(萊斯因子為15 dB),其余兩條信道質量較好(萊斯因子為10 dB).具體參數(shù)如表1所示.

仿真對比了各種場景下雙天線的性能與單天線(仿真假設天線架設于飛機背部)的性能.為了驗證信道估計和均衡的可行性,同時給出了理想信道估計時雙天線的性能.仿真結果如圖5所示.

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

從仿真結果可以看出:所有場景下,雙天線的性能都與理想信道估計的性能接近,驗證了導引符號設計和信道估計的有效性.圖5(a)給出了場景1 下的性能,由于機體遮擋影響,只有一條信道可以通信,信道條件很差,單天線不能正常通信,但雙天線可以進行通信.圖5(b)給出了場景2 下的性能,由于機體遮擋的影響較為嚴重,信道條件較差,因此,雙天線較單天線性能有較大的提升.可以看出,仿真條件下,在信噪比為16 dB 時,雙天線誤碼率達到10?4,優(yōu)于單天線3 個數(shù)量級.圖5(c)給出了場景3 下的性能,由于機體遮擋相對于前兩種場景影響更小,信道條件更好,因此,雙天線較單天線性能提升相對較小.可以看出,仿真條件下,在信噪比為15 dB 時,雙天線誤碼率達到10?4,優(yōu)于單天線2 個數(shù)量級.圖5(d)給出了場景4 下的性能,由于機體遮擋對通信基本沒有什么影響,信道條件很好,因此,雙天線與單天線性能相近.

4 結論

針對單天線Link-16 數(shù)據(jù)鏈空空通信受機體遮擋影響導致通信質量下降的問題,提出了基于兩發(fā)兩收STBC 的解決方案.分析了4 種典型的通信場景,在Link-16 數(shù)據(jù)鏈的基礎上,設計了集成Alamouti STBC 的脈沖結構和信號處理方法,并對每種場景下的通信性能進行了仿真.從仿真結果可以看出,在機體遮擋嚴重、信道條件惡劣的情況下,本文采用的STBC 方案相對于傳統(tǒng)的單天線有明顯的性能增益,可實現(xiàn)機載全空域通信.