并行組合擴(kuò)頻技術(shù)在散射通信中的應(yīng)用

陳 浩,丁 丹

(1.航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系,北京 101416;2.中國人民解放軍93448部隊(duì),天津 300270)

0 引言

現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)背景下,快速反應(yīng)能力強(qiáng)弱決定著作戰(zhàn)功能能否有效實(shí)現(xiàn),因此對(duì)部隊(duì)抗毀能力和機(jī)動(dòng)性有很高的要求。散射通信(Scatter Communication)容易跨越沙漠、山區(qū)、沼澤湖泊等地形復(fù)雜且人煙稀少的區(qū)域[1],在超視距分散部署的部隊(duì)通信體系中占有重要地位。隨著各類通信業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長,散射通信信道日益復(fù)雜,頻譜資源也日益寶貴,在使用中也存在一些突出矛盾。

現(xiàn)有散射通信系統(tǒng)所能承載的數(shù)據(jù)傳輸速率無法完全滿足部隊(duì)需求,導(dǎo)致對(duì)光纖等有線通信方式的依賴日益加強(qiáng);散射信道特性隨地域氣候變化明顯,且依托對(duì)流層傳輸使接收端產(chǎn)生明顯的多徑效應(yīng)[2],同時(shí)潛在敵方主動(dòng)干擾和復(fù)雜電磁環(huán)境使得傳輸需要更加穩(wěn)定可靠。

擴(kuò)頻是一種常用的通信抗干擾手段,但擴(kuò)頻技術(shù)本身會(huì)占用大量的頻譜資源,且直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)的傳輸效率很低。在此基礎(chǔ)上,并行組合擴(kuò)頻(Parallel Combined Spread Spectrum,PCSS)作為一種并行傳輸?shù)臄U(kuò)頻手段,在兼顧系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)可以大幅提升傳輸效率,在帶寬較大的散射系統(tǒng)中可以很好地滿足所需性能,有著良好的應(yīng)用前景。

1 并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)模型

并行組合擴(kuò)頻通信方式(PCSS)是中國科技大學(xué)朱近康教授提出的一種并行通信方式[3]。與直接擴(kuò)頻技術(shù)相比,并行組合擴(kuò)頻技術(shù)在繼承了傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)的低截獲、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)以外,極大地提高了通信傳輸速率,其工作原理如圖1所示。

圖1 并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)原理

PCSS系統(tǒng)中,發(fā)射端首先將需要傳輸?shù)哪繕?biāo)信息進(jìn)行串并處理,得到分段的并行數(shù)據(jù),根據(jù)并行數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)-序列映射器中從預(yù)先儲(chǔ)存的擴(kuò)頻序列PNi(PN1,PN2,…,PNM)中選擇合適的r個(gè),之后將選出的序列及所含極性(+1/-1)進(jìn)行時(shí)域疊加,后調(diào)制載波發(fā)送。

在接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)解調(diào),在M個(gè)相關(guān)器中與PNi序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,并對(duì)相關(guān)值進(jìn)行判決,選取其中前r路作為輸出,即篩選出發(fā)送端選用了哪些序列作為組合(共r條),通過數(shù)據(jù)-序列逆映射器對(duì)序列組合信息和相關(guān)值極性進(jìn)行判斷,通過逆映射得出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息,然后對(duì)應(yīng)的進(jìn)行并串變換,完成數(shù)據(jù)傳輸。這樣在一個(gè)擴(kuò)頻序列周期,可以傳送的信息量為:

(1)

其中[·]表示取整數(shù)運(yùn)算。設(shè)系統(tǒng)帶寬為B,信息速率為Rb,擴(kuò)頻序列的長度為LS,擴(kuò)頻碼片的碼片寬度為Tc,因此可知擴(kuò)頻周期可以用LS×Tc表示,頻帶利用率η=Rb/B。若直接擴(kuò)頻系統(tǒng)在每個(gè)擴(kuò)頻周期內(nèi)傳輸1 bit數(shù)據(jù),可以得出DSSS與PCSS的Rb、η表達(dá)式。PCSS和DSSS通信系統(tǒng)信息速率和頻帶利用率對(duì)比如表1所示。

表1 PCSS和DSSS通信系統(tǒng)信息速率和頻帶利用率對(duì)比

并行組合擴(kuò)頻技術(shù)一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注,在與現(xiàn)有其他通信領(lǐng)域的結(jié)合方面進(jìn)行了深入研究。目前,并行組合擴(kuò)頻在水聲通信系統(tǒng)、短波傳輸、測距系統(tǒng)、透地信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域上都有廣泛的應(yīng)用。

2 散射傳輸特性分析

對(duì)流層散射信道自發(fā)現(xiàn)以來,散射通信就被視為一種極具潛力的遠(yuǎn)距離通信方式,引起各國軍方的重視。隨著20世紀(jì)50年代第一個(gè)具有實(shí)用意義的散射通信系統(tǒng)建立,各國的研究學(xué)者迅速進(jìn)行改良后,60年代時(shí)散射傳輸即開始在軍事通信領(lǐng)域上得到應(yīng)用。延續(xù)至今,散射通信系統(tǒng)從初期的大型化、大口徑天線、大功率、低頻段、固定式的戰(zhàn)略級(jí)通信手段,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗男⌒突?、小口徑天線、小功率、高頻段、可移動(dòng)式的戰(zhàn)術(shù)級(jí)通信手段。

散射信道中,由于對(duì)流層中充滿了不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng),能把入射無線電波的能量向四面八方再輻射出去,接收端接收到的散射信號(hào)就是收發(fā)天線方向公共范圍空間中的一部分無線電波。散射信號(hào)在傳播過程中會(huì)經(jīng)歷不同程度傳輸損耗和衰落,而且由于其利用對(duì)流層不均勻性作為傳播手段,會(huì)存在明顯的多徑效應(yīng)。因此,本文重點(diǎn)關(guān)注散射的損耗特性和多徑特性。

2.1 散射傳輸損耗

與其他無線通信方式不同,散射對(duì)流層的不均勻性和復(fù)雜性,使得不同地域、氣候、季節(jié)下的信道損耗差異明顯。一般而言,特定地域氣候下的對(duì)流層湍流運(yùn)動(dòng)越稀疏,其氣象因素?fù)p耗越大,冬季時(shí)的損耗也大于夏季;在增大散射距離和傳輸頻率時(shí),損耗一般也隨之加大。

為改善對(duì)流層散射通信傳輸損耗特性,提高散射設(shè)備性能,可以針對(duì)性采取、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、改進(jìn)不同環(huán)境下的不同調(diào)制解調(diào)方式等方面提升PCSS系統(tǒng)抗噪能力:優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)是對(duì)于不同散射信道選取合適的M和r值,來改進(jìn)原有誤比特率公式;改進(jìn)不同環(huán)境下的不同調(diào)制解調(diào)方式是選取適宜散射傳輸?shù)恼{(diào)制方式,在接收端改進(jìn)解調(diào)方法以提高準(zhǔn)確率。

2.2 散射傳輸衰落

散射信號(hào)具有快衰落特性[4],表現(xiàn)為信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)的起伏變化,多徑效應(yīng)是其傳輸衰落的典型特點(diǎn)。由于大部分散射傳輸設(shè)備在使用時(shí)雙方均為固定式通信臺(tái)站,故不再討論多普勒頻移衰落。本文主要對(duì)頻率選擇性衰落進(jìn)行分析。

散射信道為典型的多徑衰落信道,頻率選擇性衰落嚴(yán)重[5],經(jīng)過對(duì)流層信道后,在接收端會(huì)存在不同時(shí)間的多個(gè)不同的窄脈沖信號(hào),它們疊加起來就成了一個(gè)展寬的波形,造成接收信號(hào)在時(shí)域的多徑時(shí)延擴(kuò)展。在并行組合擴(kuò)頻散射系統(tǒng)中,如果多徑延遲時(shí)間τj與擴(kuò)頻周期TC之間存在τj?TC關(guān)系,由于PCSS系統(tǒng)中擴(kuò)頻序列具有尖銳的自相關(guān)性,只有本地偽隨機(jī)碼序列與發(fā)送端的偽隨機(jī)碼同步時(shí)信號(hào)才會(huì)進(jìn)行解擴(kuò)處理,可以忽略多徑影響;但如果τj>TC或τj≈TC,此時(shí)其余路徑信號(hào)仍然對(duì)主路徑信號(hào)造成負(fù)面效應(yīng)。

假設(shè)在對(duì)流層散射后有L個(gè)不同路徑的信號(hào)先后到達(dá)接收端,在不考慮干擾的前提下,對(duì)于并擴(kuò)后的不同多徑信號(hào)在時(shí)域分量進(jìn)行疊加,在接收端表示為:

(2)

分別以多徑信號(hào)數(shù)為5、7、9時(shí),對(duì)系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行仿真。圖2可以看出在多個(gè)多徑信號(hào)影響下,PCSS系統(tǒng)在低信噪比條件下的穩(wěn)定性較差,誤碼率很高,隨著信噪比不斷提升,系統(tǒng)誤碼率才迅速下降。這說明多徑效應(yīng)對(duì)并行組合擴(kuò)頻散射系統(tǒng)有著較為明顯的影響。

圖2 多徑信道下系統(tǒng)誤碼率變化

3 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)研究

3.1 適用的并行組合擴(kuò)頻序列

Gold碼集合與Walsh碼集合是比較經(jīng)典的并行組合擴(kuò)頻序列。Gold序列在m序列基礎(chǔ)上,將m序列優(yōu)選對(duì)進(jìn)行模二加得到的;Walsh序列由哈達(dá)碼矩陣產(chǎn)生,矩陣的每一行、每一列均正交,Walsh序列之間互相正交。將Gold序列與Walsh序列(序列周期長度均為128)的自相關(guān)值進(jìn)行仿真后,仿真圖3表明,Gold碼和Walsh碼都具有較好的自相關(guān)特性,但Walsh碼由于其特有的序列產(chǎn)生方式,如果擴(kuò)頻序列的中碼片向兩側(cè)延遲,在相同周期內(nèi)存在相似的自相關(guān)峰值,考慮到散射對(duì)流層傳輸過程中存在明顯的多徑效應(yīng),其延遲量會(huì)對(duì)接收端解擴(kuò)判決有很大的影響,不太適用于散射傳輸。

圖3 Gold序列與Walsh序列自相關(guān)特性

3.2 適用的并行組合擴(kuò)頻M、r參數(shù)

假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)同步,擴(kuò)頻序列選取優(yōu)選的Gold序列,其長度為128。以并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)常用的M=16為例,r分別在2～5取值。在AWGN信道中對(duì)系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行仿真對(duì)比。圖4的結(jié)果說明,在白噪聲條件下,隨著信噪比不斷提高,越小r的取值,系統(tǒng)性能與較大的相比越有著較為明顯的優(yōu)勢,所以綜合誤碼率進(jìn)行考慮,在散射傳輸中限制r的取值為2或3為宜。

相比r值,M值的變化對(duì)系統(tǒng)誤碼率影響不太明顯。但過大的M數(shù)會(huì)影響傳輸時(shí)的硬件復(fù)雜度,對(duì)工程實(shí)現(xiàn)提出了更高要求,相應(yīng)增大通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和經(jīng)濟(jì)成本,應(yīng)在明確目標(biāo)性能的前提下,進(jìn)而確定滿足要求的最低M取值。

3.3 適用的RAKE接收技術(shù)

1958年,R.Price和P.E.Green提出了RAKE接收的概念[6],RAKE接收實(shí)質(zhì)是對(duì)時(shí)域上多徑脈沖的時(shí)間分集,在高頻段和系統(tǒng)帶寬遠(yuǎn)大于信道多徑相干帶寬的散射傳輸中有很強(qiáng)的適用性。多徑信號(hào)被同時(shí)送入多個(gè)相關(guān)器中,擴(kuò)頻序列良好的自相關(guān)特性使得各個(gè)路徑信號(hào)可以被分離出來。對(duì)各徑進(jìn)行延遲同相對(duì)齊,按照一定規(guī)則合并起來,充分利用多徑能量,把原來的干擾信號(hào)變成有用信號(hào),實(shí)現(xiàn)“變害為利”。

典型的RAKE接收機(jī)由多個(gè)相關(guān)器組成,假設(shè)系統(tǒng)帶寬為W,接收到信號(hào)的最大時(shí)延為τmax,則接收相關(guān)器個(gè)數(shù)N必須滿足:

(3)

因此,在較寬帶寬的散射信道中,其相關(guān)器個(gè)數(shù)會(huì)非常大,也意味著系統(tǒng)會(huì)變得非常的復(fù)雜。同時(shí),從散射傳輸信道特性考慮,雖然在對(duì)流層傳輸會(huì)產(chǎn)生較多路的多徑信號(hào),但多徑分支增加到一定程度的時(shí)候,對(duì)接收信號(hào)性能的改善變化也沒有那么明顯?？梢栽诘湫偷腞AKE接收機(jī)中增加一個(gè)多徑信號(hào)預(yù)估計(jì)部分,如圖5所示,在接收所有的有效多徑支路的基礎(chǔ)上,可以按照預(yù)估能量大小將信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)選擇,去掉干擾和噪聲大得多徑路徑,同時(shí)根據(jù)散射傳輸需要提前設(shè)置L個(gè)接收相關(guān)器,只對(duì)主動(dòng)選擇后的L個(gè)多徑信號(hào)進(jìn)行同步合并,從而大幅減少相關(guān)器個(gè)數(shù)。

圖5 主動(dòng)預(yù)估計(jì)式RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)

本文以L=7為例,加入主動(dòng)預(yù)估計(jì)的RAKE接收技術(shù),在判決合并步驟中采取選擇式合并方式進(jìn)行處理,利用仿真軟件觀察多徑效應(yīng)影響有無削弱。圖6的結(jié)果說明,引入RAKE接收技術(shù)后,系統(tǒng)誤碼性能有了明顯改善,說明該模塊對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著正面的積極作用,可應(yīng)用在下一步系統(tǒng)散射傳輸實(shí)現(xiàn)當(dāng)中。

圖6 引入RAKE接收后系統(tǒng)誤碼率

4 結(jié)語

雖然目前散射系統(tǒng)在通信傳輸速率方面需要進(jìn)一步提升,但散射傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)決定了其仍是一種超視距部署下不可或缺的戰(zhàn)術(shù)通信手段。PCSS技術(shù)在水聲通信、測距系統(tǒng)和短波頻段的運(yùn)用已經(jīng)證明其在提升信息傳輸速率上的巨大作用。在散射通信中采用PCSS技術(shù)能夠改善性能不足,同時(shí)在復(fù)雜電磁環(huán)境和戰(zhàn)時(shí)潛在敵方干擾背景下,結(jié)合PCSS技術(shù)后散射傳輸可以在系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方式、參數(shù)設(shè)置和擴(kuò)頻序列優(yōu)化等方面進(jìn)行改進(jìn),保證散射傳輸穩(wěn)定可靠,能夠在指揮單位和火力單位之間準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)。

本文針對(duì)軍事散射傳輸?shù)臄?shù)據(jù)高傳輸速率需求和穩(wěn)定性要求高的現(xiàn)實(shí)實(shí)際,通過研究并行組合擴(kuò)頻技術(shù)和散射傳輸特性,對(duì)基于PCSS的散射通信關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,力求改善上述不足,為PCSS技術(shù)在散射通信方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)和一定參考依據(jù)。