一種基于并行導頻的短突發傳輸方法

胡東偉，王力男，王永超

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081）

一種基于并行導頻的短突發傳輸方法

胡東偉1，2，王力男1，2，王永超1，2

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081）

低信噪比下無線傳輸的同步較困難，需要用于做同步估計的數據量較大；而短突發傳輸的信號持續時間較短，數據量較少。針對極低信噪比條件下的短突發傳輸，提出了采用并行導頻的方法。其導頻不占用任何時間開銷，大大縮短了突發傳輸時間。分別針對加性高斯白噪聲信道和多徑衰落信道，給出了導頻的作用和對應的導頻圖樣，通過仿真驗證了所提導頻方案的可行性和性能。

突發傳輸；極低碼率；極低信噪比

0 引言

短突發通信因其信號存續時間短，具有天然的隱蔽性、抗干擾性和抗截獲性，因而在軍事通信上獲得了廣泛的應用。例如美軍第三代短波通信標準就采用了突發通信模式［1］。Link16數據鏈的每個時隙，也是一個短突發［2］。跳頻通信的每一跳持續時間內，也可認為是一個短突發。流星余跡通信更是必須采用突發通信模式［3］。此外，近年來出現的應急救生通信模式，也普遍采用短突發通信方式。國內外已經出現了大量采用短突發通信方式的工程標準。

目前的短突發通信，一般采用一個幀頭后面跟一個數據段的結構。幀頭用于做時間、頻率和相位同步。對于軍事應用來說，很多情況下采用代碼通信方式，進行最低限度通信即可［4］。這樣，需要傳輸的信息量少，編碼速率低，信噪比低。因而同步估計、頻偏估計困難，需要的幀頭較長。同時，倘若信息傳輸速率也較低，則突發幀的持續時間較長，而幀頭長就進一步拉長了突發持續時間，增加了突發被截獲、被干擾的概率。因此，研究極低信噪比下的極短突發通信方式，在軍事上具有重要的應用價值。

1 低信噪比下的短突發通信方式極其困境

低信噪比下的短突發傳輸是指需要傳輸的信息量少，采用極低碼率編碼（例如1／5碼率Turbo碼），同時信息傳輸速率低的短突發通信方式。信息速率低和編碼碼率低都是為了降低信噪比要求，實現更強的抗干擾能力。極低速率和極低碼率相結合，可以實現極低信噪比下的傳輸。傳統上的短突發通信采用的幀結構如圖1所示。

圖1 一般短突發通信的幀格式

圖中，每個突發包括兩部分：幀頭部分和數據段部分。幀頭部分完成突發的同步、頻偏估計和相位估計。數據段部分承載有用信息。

該幀結構對于極低信噪比下的短突發傳輸，存在三方面的困難：

①因為信號的信噪比低，因而幀頭捕獲困難，需要的幀頭較長；

②因為信噪比低，頻偏估計困難，同樣需要較長的幀頭；同時，假若數據段信息傳輸速率低，則數據段持續時間較長，對頻偏估計的精度要求就很高；

③倘若信息傳輸速率低，數據段持續時間長，倘若幀頭也較長，則整個突發持續時間更長，極大地增加了被干擾、被截獲概率。

因此，對于極低信噪比下的短突發傳輸，必須適當設計其突發長度和信噪比要求，以取得解調門限和突發持續時間的折中。

2 基于并行導頻的極低碼率極短突發通信

針對以上困難，提出一種基于并行導頻的短突發通信方式，并分別針對高斯信道和多徑信道設計其導頻信號格式。

2.1 采用的極低碼率編碼

極低碼率的編碼是本方案需要使用到的內容，但不是本文所需要研究的內容。本文中涉及到的極低碼率編碼，擬采用1／5的Turbo碼為示例。1／5碼率的Turbo碼編碼器結構如圖2所示［5，6］，其分量編碼器結構如圖3所示。交織器擬采用參考文獻［7］中的隨機交織器。

圖2 1／5碼率的Turbo碼

圖4示出了短碼塊長度下的編碼性能。可以看到，在Eb／N0＝2 dB時，誤碼率已經在Eb／N0＝2 dB時誤碼率已經在10－4。此時，譯碼前碼片級的信噪比只有－5 dB。信噪比很低。

圖3 1／5碼率Turbo碼的分量編碼器

圖4 信息塊長度為112時的1／5碼率Turbo碼性能

2.2 高斯信道下的并行導頻短突發傳輸模式

衛星信道就可建模為加性高斯信道。對于高斯信道，導頻的作用為時間同步、頻率同步和相位同步。因此，可采用如圖5的并行導頻突發傳輸模式。圖中，并行導頻和編碼調制數據疊加在一起，同步進行傳輸。調制可采用簡單的BPSK／QPSK調制，或擴頻后進行BPSK／QPSK調制。利用并行導頻與編碼調制數據之間的時間、相位關系，可根據導頻解算編碼調制數據。

圖5 高斯信道下的并行導頻突發傳輸模式

為利于做時間和頻率同步，并行導頻可借鑒連續波雷達理論，采用三角掃頻信號格式［8］。三角掃頻信號的頻率掃描波形如下圖6所示。其時域信號格式x(t)由x1(t)、x2(t)兩部分構成。其中x1(t)、x2(t)和x(t)分別如下所示：

圖6 三角掃頻信號的頻域掃描波形

使用該導頻進行時間、頻率同步的方法請參看相關雷達理論書籍［8］。由于信噪比在－5 dB時，編碼調制數據仍能正確譯碼，因此，適當配備導頻信號能量，并行導頻信號可以直接疊加在編碼調制數據之上。

2.3 多徑信道下的并行導頻短突發傳輸模式

對于短波信道、流星余跡信道，符號間干擾較嚴重，需建模為多徑信道［9］。此時，導頻的作用除了時間、頻率和相位同步外，還需要做信道估計。為便于均衡，可采用OFDM調制［10－13］。為適應低信噪比要求，在進行OFDM調制之前，可先對編碼調制信號進行擴頻調制。這樣，多徑信道下的短突發傳輸編碼調制過程如圖7所示。此時可設計如圖8所示的導頻結構。

圖7 多徑信道下的編碼調制過程

圖8 多徑信道下的導頻結構

圖8中為3個信號相疊加。同步信號用于做時間和頻率同步，可直接采用高斯信道下的并行導頻信號。信道估計導頻信號專門用來做多徑信道的估計。編碼調制數據即圖7中產生的編碼調制符號。

由于OFDM調制符號工作在擴頻之后，往往為負信噪比，因此不能直接采用與編碼調制數據相同的OFDM符號作為導頻［10］。因此，可設計如圖9所示的導頻結構。圖中，信道估計導頻信號為多個OFDM導頻符號的重復。每個OFDM導頻符號包括導頻數據和循環前綴兩部分。這里的OFDM符號點數，可以大大小于編碼調制數據的OFDM點數。其點數只要大于多徑延遲長度即可。解調時，首先利用同步信號捕獲突發信號，并進行頻率補償。然后對重復的信道估計導頻信號進行累加，提高信噪比。累加后，信道估計導頻信號信噪比較高，可直接FFT做信道估計。然后，將估得的多徑信道參數進行FFT插值，即可利用插值后的信道參數對編碼調制數據符號進行均衡。

圖9 信道估計導頻信號結構

同樣，當對調制數據符號采用極低碼率的編碼，同時采用擴頻時，適當配備同步信號和信道估計導頻信號能量，可以將二者直接疊加在編碼調制數據符號上。這樣，當在一定的噪聲水平之上，同步信號和信道估計導頻信號雖然會對編碼調制信號造成干擾，但不影響解調的正確性。

3 可行性及性能仿真

本節采用仿真的方法驗證以上方案的可行性及性能。

3.1 高斯信道下的并行導頻短突發傳輸方案

按照2.2節的并行導頻方案，設T＝1／2 048 s，導頻長1.5 s。設編碼前信息塊為102 bits，編碼后為528 bits。按照6倍的擴頻，得到3 168碼片。碼片輸出周期也為1／2 048 s。對3 168碼片進行BPSK調制，并與導頻直接疊加。疊加時導頻能量為BPSK調制符號能量的1／2。圖10為按照這些參數的仿真性能。

圖10 AWGN信道下并行導頻短突發傳輸方案性能曲線

由圖可見，在比特信噪比為4.2 dB時，誤碼率已經在10－4以下。此時，符號信噪比約為－10 dB。也即，采用本方案，在－10 dB的信噪比下，實現了高斯白噪聲信道下的短突發傳輸。

3.2 多徑信道下的并行導頻短突發傳輸方案

將3.1節中產生的3 168個碼片，進行OFDM調制。調制時OFDM點數為64，每個符號承載48個碼片，其余為虛擬子載波。循環前綴為16點。同步導頻信號與3.1節相同。信道估計導頻信號采用16點的FFT，循環前綴亦為16點。仿真采用4條路徑的瑞利衰落信道，功率延遲譜按照［0，－3，－6，－9］dB衰減。如圖11為仿真所得的性能曲線。由圖可見，在比特信噪比為6.2 dB時，誤碼率已經在10－4以下。此時，符號信噪比約為－8 dB。也即，采用本方案，在－8 dB的信噪比下，實現了瑞利衰落多徑信道下的短突發傳輸。

圖11 多徑信道下并行導頻短突發傳輸方案性能曲線

4 結束語

研究了極低信噪比下的極短突發傳輸方案。針對極低信噪比下需要的導頻較長，較長的幀頭會拉長突發持續時間的問題，提出了并行導頻的方案。針對加性高斯白噪聲性道和多徑衰落信道，分別給出了導頻設計方案。分別在高斯白噪聲信道和瑞利多徑信道下，設計了2個實例，進行了仿真。根據本文的仿真，分別在－10 dB和－8 dB的信噪比下，實現了高斯白噪聲信道和瑞利多徑信道下的極短突發傳輸。

本文的研究，解決了極低信噪比下的極短突發傳輸問題。這將對某些抗干擾通信、應急通信或最低限度通信系統的構建具有一定的意義。在本文的基礎上，可進一步進行三方面的研究：①研究極低碼率的編碼，例如1／30碼率［14－16］，進一步提高最低限度通信系統的抗干擾性能，降低其信噪比要求；②研究導頻信號和數據調制信號的最佳能量配比，以達到最小的導頻信號能量開銷；③研究高動態環境下的短突發通信體制。

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［2］嚴鵬濤.Link16數據鏈及抗干擾技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2012：9－19.

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A New Short Burst Transmission Technique based on Parallel Pilot Pattern

HU Dong-wei1，2，WANG Li-nan1，2，WANG Yong-chao1，2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In order to reduce the signal support length of burst transmission under low signal-to-noise environment，an approach of parallel pilot pattern is proposed in this paper.The channels are classified into two categories：Additive White Gaussian Noise channel and multipath fading channel.For the two categories of channels，pilot patterns and their functions are proposed respectively for short burst transmission.Simulations employed have verified the feasibility and performance of the proposed pilot patterns.

short burst transmission；low code rate；Signal to Noise Ratio.

TN919

A

1003－3114（2015）06－50－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.13

胡東偉，王力男，王永超.一種基于并行導頻的短突發傳輸方法［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：50－53.

2015－06－11

胡東偉（1980—），男，博士，高級工程師，主要研究方向：無線通信理論及集成電路設計。王力男（1968—），男，高級工程師，主研究方向：衛星移動通信、衛星抗干擾。