基于空間分集的自適應選頻散射傳輸技術

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合)均為開環、前饋式，各分集支路只能平均分配發射功率，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，導致系統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合分集技術，即通過對散射通信設備中每路空間分集信號的實時傳輸質量認知，選出衰落最小的頻率，并將相應發射機功率全部集中在該最佳工作頻率上發射，從而達到提高系統功率利用率、降低每分集支路檢測信噪比的目的。

1 自適應選頻技術原理

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

由于采用自適應選頻技術的散射通信設備能夠始終在當前鏈路傳輸損耗最低的頻率上發射全部功率，因此與采用其他分集方式的散射通信設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選頻技術

采用自適應選頻技術的散射通信系統的基本工作流程如圖1所示。為了克服自適應選頻技術在面臨信道平坦衰落時可能導致的性能下降，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選頻體制，它是將空間分集與自適應選頻有機結合在一起的一種復合分集方式，該方式能夠在不增加系統工作帶寬的前提下比單獨采用自適應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 自適應選頻協議流程

以2重空間分集基礎上的M重自適應選頻技術體制為例，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，且衰落特性是統計獨立的。

圖2 分集接收系統模型

根據圖2所示，sik(t)表示發送到第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如下:

則上述2重最大比合并得到的M條支路再經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:

根據式(6)所示通過概率統計方法求取平均誤碼率的原理，可得采用2DPSK調制、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)型散射通信設備為例，該設備采用的是2重空間分集×2重頻率分集技術體制，如通過基于2重空間分集的自適應選頻技術對其進行改進，根據式(7)可得，在瑞利衰落信道條件下，采用2DPSK調制、相干檢測方式時改進前后的系統性能如圖3所示。

圖3 2重空間分集自適應選頻體制與170V3/5的性能仿真

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

3 性能測試

在相同的散射調制解調器平臺下，分別加載2重空間分集自適應選頻和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重空間分集自適應選頻技術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備的抗衰落平穩傳輸能力。

4 結束語

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選頻技術與空間分集相結合的新型分集方式——基于信道認知的空間分集自適應選頻傳輸技術，并將該技術體制與傳統的空間分集×帶內頻率分集的抗衰落體制進行了對比。測試結果表明，在瑞利衰落條件下該技術平滑信道快衰落能力優異，若用于典型現役輕型散射通信站的技術改造可取得明顯的效果。

［1］ 張明高.對流層散射傳播［M］.北京:電子工業出版社，2003.

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

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

［4］ 李正偉.數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，2010(2):41-43.

［5］ 甘啟光.認知無線電在散射通信中的初步應用［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］.