并行組合擴頻技術在散射通信中的應用

陳 浩,丁 丹

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

0 引言

現代軍事作戰背景下,快速反應能力強弱決定著作戰功能能否有效實現,因此對部隊抗毀能力和機動性有很高的要求。散射通信(Scatter Communication)容易跨越沙漠、山區、沼澤湖泊等地形復雜且人煙稀少的區域[1],在超視距分散部署的部隊通信體系中占有重要地位。隨著各類通信業務的爆發式增長,散射通信信道日益復雜,頻譜資源也日益寶貴,在使用中也存在一些突出矛盾。

現有散射通信系統所能承載的數據傳輸速率無法完全滿足部隊需求,導致對光纖等有線通信方式的依賴日益加強;散射信道特性隨地域氣候變化明顯,且依托對流層傳輸使接收端產生明顯的多徑效應[2],同時潛在敵方主動干擾和復雜電磁環境使得傳輸需要更加穩定可靠。

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

1 并行組合擴頻系統模型

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

圖1 并行組合擴頻系統原理

PCSS系統中,發射端首先將需要傳輸的目標信息進行串并處理,得到分段的并行數據,根據并行數據,在數據-序列映射器中從預先儲存的擴頻序列PNi(PN1,PN2,…,PNM)中選擇合適的r個,之后將選出的序列及所含極性(+1/-1)進行時域疊加,后調制載波發送。

在接收端對接收到的信號進行對應解調,在M個相關器中與PNi序列進行相關運算,并對相關值進行判決,選取其中前r路作為輸出,即篩選出發送端選用了哪些序列作為組合(共r條),通過數據-序列逆映射器對序列組合信息和相關值極性進行判斷,通過逆映射得出對應的數據信息,然后對應的進行并串變換,完成數據傳輸。這樣在一個擴頻序列周期,可以傳送的信息量為:

(1)

其中[·]表示取整數運算。設系統帶寬為B,信息速率為Rb,擴頻序列的長度為LS,擴頻碼片的碼片寬度為Tc,因此可知擴頻周期可以用LS×Tc表示,頻帶利用率η=Rb/B。若直接擴頻系統在每個擴頻周期內傳輸1 bit數據,可以得出DSSS與PCSS的Rb、η表達式。PCSS和DSSS通信系統信息速率和頻帶利用率對比如表1所示。

表1 PCSS和DSSS通信系統信息速率和頻帶利用率對比

并行組合擴頻技術一直受到學者們的廣泛關注,在與現有其他通信領域的結合方面進行了深入研究。目前,并行組合擴頻在水聲通信系統、短波傳輸、測距系統、透地信息傳輸等領域上都有廣泛的應用。

2 散射傳輸特性分析

對流層散射信道自發現以來,散射通信就被視為一種極具潛力的遠距離通信方式,引起各國軍方的重視。隨著20世紀50年代第一個具有實用意義的散射通信系統建立,各國的研究學者迅速進行改良后,60年代時散射傳輸即開始在軍事通信領域上得到應用。延續至今,散射通信系統從初期的大型化、大口徑天線、大功率、低頻段、固定式的戰略級通信手段,逐步轉變為目前的小型化、小口徑天線、小功率、高頻段、可移動式的戰術級通信手段。

散射信道中,由于對流層中充滿了不規則的湍流運動,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就是收發天線方向公共范圍空間中的一部分無線電波。散射信號在傳播過程中會經歷不同程度傳輸損耗和衰落,而且由于其利用對流層不均勻性作為傳播手段,會存在明顯的多徑效應。因此,本文重點關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,散射對流層的不均勻性和復雜性,使得不同地域、氣候、季節下的信道損耗差異明顯。一般而言,特定地域氣候下的對流層湍流運動越稀疏,其氣象因素損耗越大,冬季時的損耗也大于夏季;在增大散射距離和傳輸頻率時,損耗一般也隨之加大。

為改善對流層散射通信傳輸損耗特性,提高散射設備性能,可以針對性采取、優化系統參數、改進不同環境下的不同調制解調方式等方面提升PCSS系統抗噪能力:優化系統參數是對于不同散射信道選取合適的M和r值,來改進原有誤比特率公式;改進不同環境下的不同調制解調方式是選取適宜散射傳輸的調制方式,在接收端改進解調方法以提高準確率。

2.2 散射傳輸衰落

散射信號具有快衰落特性[4],表現為信號在短時間內的起伏變化,多徑效應是其傳輸衰落的典型特點。由于大部分散射傳輸設備在使用時雙方均為固定式通信臺站,故不再討論多普勒頻移衰落。本文主要對頻率選擇性衰落進行分析。

散射信道為典型的多徑衰落信道,頻率選擇性衰落嚴重[5],經過對流層信道后,在接收端會存在不同時間的多個不同的窄脈沖信號,它們疊加起來就成了一個展寬的波形,造成接收信號在時域的多徑時延擴展。在并行組合擴頻散射系統中,如果多徑延遲時間τj與擴頻周期TC之間存在τj?TC關系,由于PCSS系統中擴頻序列具有尖銳的自相關性,只有本地偽隨機碼序列與發送端的偽隨機碼同步時信號才會進行解擴處理,可以忽略多徑影響;但如果τj>TC或τj≈TC,此時其余路徑信號仍然對主路徑信號造成負面效應。

假設在對流層散射后有L個不同路徑的信號先后到達接收端,在不考慮干擾的前提下,對于并擴后的不同多徑信號在時域分量進行疊加,在接收端表示為:

(2)

分別以多徑信號數為5、7、9時,對系統誤碼率進行仿真。圖2可以看出在多個多徑信號影響下,PCSS系統在低信噪比條件下的穩定性較差,誤碼率很高,隨著信噪比不斷提升,系統誤碼率才迅速下降。這說明多徑效應對并行組合擴頻散射系統有著較為明顯的影響。

圖2 多徑信道下系統誤碼率變化

3 關鍵技術環節研究

3.1 適用的并行組合擴頻序列

Gold碼集合與Walsh碼集合是比較經典的并行組合擴頻序列。Gold序列在m序列基礎上,將m序列優選對進行模二加得到的;Walsh序列由哈達碼矩陣產生,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)的自相關值進行仿真后,仿真圖3表明,Gold碼和Walsh碼都具有較好的自相關特性,但Walsh碼由于其特有的序列產生方式,如果擴頻序列的中碼片向兩側延遲,在相同周期內存在相似的自相關峰值,考慮到散射對流層傳輸過程中存在明顯的多徑效應,其延遲量會對接收端解擴判決有很大的影響,不太適用于散射傳輸。

圖3 Gold序列與Walsh序列自相關特性

3.2 適用的并行組合擴頻M、r參數

假設系統已經同步,擴頻序列選取優選的Gold序列,其長度為128。以并行組合擴頻系統常用的M=16為例,r分別在2～5取值。在AWGN信道中對系統誤碼率進行仿真對比。圖4的結果說明,在白噪聲條件下,隨著信噪比不斷提高,越小r的取值,系統性能與較大的相比越有著較為明顯的優勢,所以綜合誤碼率進行考慮,在散射傳輸中限制r的取值為2或3為宜。

相比r值,M值的變化對系統誤碼率影響不太明顯。但過大的M數會影響傳輸時的硬件復雜度,對工程實現提出了更高要求,相應增大通信系統的設計難度和經濟成本,應在明確目標性能的前提下,進而確定滿足要求的最低M取值。

3.3 適用的RAKE接收技術

1958年,R.Price和P.E.Green提出了RAKE接收的概念[6],RAKE接收實質是對時域上多徑脈沖的時間分集,在高頻段和系統帶寬遠大于信道多徑相干帶寬的散射傳輸中有很強的適用性。多徑信號被同時送入多個相關器中,擴頻序列良好的自相關特性使得各個路徑信號可以被分離出來。對各徑進行延遲同相對齊,按照一定規則合并起來,充分利用多徑能量,把原來的干擾信號變成有用信號,實現“變害為利”。

典型的RAKE接收機由多個相關器組成,假設系統帶寬為W,接收到信號的最大時延為τmax,則接收相關器個數N必須滿足:

(3)

因此,在較寬帶寬的散射信道中,其相關器個數會非常大,也意味著系統會變得非常的復雜。同時,從散射傳輸信道特性考慮,雖然在對流層傳輸會產生較多路的多徑信號,但多徑分支增加到一定程度的時候,對接收信號性能的改善變化也沒有那么明顯。可以在典型的RAKE接收機中增加一個多徑信號預估計部分,如圖5所示,在接收所有的有效多徑支路的基礎上,可以按照預估能量大小將信號進行主動選擇,去掉干擾和噪聲大得多徑路徑,同時根據散射傳輸需要提前設置L個接收相關器,只對主動選擇后的L個多徑信號進行同步合并,從而大幅減少相關器個數。

圖5 主動預估計式RAKE接收機結構

本文以L=7為例,加入主動預估計的RAKE接收技術,在判決合并步驟中采取選擇式合并方式進行處理,利用仿真軟件觀察多徑效應影響有無削弱。圖6的結果說明,引入RAKE接收技術后,系統誤碼性能有了明顯改善,說明該模塊對系統穩定性有著正面的積極作用,可應用在下一步系統散射傳輸實現當中。

圖6 引入RAKE接收后系統誤碼率

4 結語

雖然目前散射系統在通信傳輸速率方面需要進一步提升,但散射傳輸的優點決定了其仍是一種超視距部署下不可或缺的戰術通信手段。PCSS技術在水聲通信、測距系統和短波頻段的運用已經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技術能夠改善性能不足,同時在復雜電磁環境和戰時潛在敵方干擾背景下,結合PCSS技術后散射傳輸可以在系統調制解調方式、參數設置和擴頻序列優化等方面進行改進,保證散射傳輸穩定可靠,能夠在指揮單位和火力單位之間準確傳輸數據。

本文針對軍事散射傳輸的數據高傳輸速率需求和穩定性要求高的現實實際,通過研究并行組合擴頻技術和散射傳輸特性,對基于PCSS的散射通信關鍵環節進行分析,力求改善上述不足,為PCSS技術在散射通信方面的應用提供基礎和一定參考依據。