短波單載波空時(shí)分組碼的頻域均衡研究*

鄧永洋，李開(kāi)林，王葉群,2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引 言

短波通信具有通信距離遠(yuǎn)、抗毀能力強(qiáng)、架設(shè)靈活方便等特點(diǎn)，多年來(lái)一直被廣泛的應(yīng)用于軍事、氣象、航空、航海等領(lǐng)域，已經(jīng)成為這些領(lǐng)域的一種重要通信方式[1]。但是，短波通信存在可供使用的頻段窄，通信容量小，信號(hào)傳輸穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，達(dá)不到當(dāng)今高速、穩(wěn)定的通信要求，限制了短波通信的發(fā)展，因此，各研究機(jī)構(gòu)都在努力研究新的技術(shù)，克服短波通信的弱點(diǎn)，提升其可靠性[2]。

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)是近年來(lái)在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信研究中的一個(gè)重大突破，該技術(shù)能夠充分利用空間資源，在不增加系統(tǒng)帶寬和天線(xiàn)總發(fā)送功率的情況下，有效對(duì)抗無(wú)線(xiàn)信道衰落的影響，大大提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量。隨后，多位學(xué)者將MIMO技術(shù)引入短波通信，研究方向主要集中在以下三方面。

短波MIMO信道可行性方面，MIMO技術(shù)提高發(fā)射增益的前提是各發(fā)射天線(xiàn)與各接收天線(xiàn)間形成的信道矩陣的秩盡可能大，即各天線(xiàn)間的信道相關(guān)性盡可能小[3]。因此要求發(fā)射天線(xiàn)組和接收天線(xiàn)組的內(nèi)部天線(xiàn)間需保持至少波長(zhǎng)一半的距離，才能保證信道的相關(guān)性；而短波頻段波長(zhǎng)較長(zhǎng)（10～100 m），部署MIMO天線(xiàn)陣列相對(duì)于高頻段需要較大的空間。文獻(xiàn)[3]綜合分析了國(guó)外近年來(lái)對(duì)短波MIMO鏈路測(cè)試的研究成果，研究了在天線(xiàn)陣場(chǎng)地受限前提下采用極化分集、間隔式同構(gòu)天線(xiàn)陣列和共址異構(gòu)天線(xiàn)陣列等不同天線(xiàn)陣列時(shí)對(duì)應(yīng)的短波MIMO信道相關(guān)性，初步驗(yàn)證了場(chǎng)地受限時(shí)MIMO技術(shù)在短波通信中的可行性。

提升系統(tǒng)頻譜利用率方面，文獻(xiàn)[4]提出了一種利用發(fā)射極化分集技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集以限制電臺(tái)鏈路兩端的天線(xiàn)陣孔徑，設(shè)計(jì)了以提升信道容量為目的的2發(fā)2收的MIMO系統(tǒng)，并進(jìn)行了280 km范圍的實(shí)際通信試驗(yàn)，在4.2 kHz帶寬下實(shí)現(xiàn)了最高速為24.09 kbit/s的通信，超過(guò)了傳統(tǒng)短波數(shù)傳；同時(shí)測(cè)試了短波MIMO信道的互相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了場(chǎng)地受限時(shí)短波MIMO信道的可用性。

提升系統(tǒng)穩(wěn)健性方面，文獻(xiàn)[6-8]將基于Alamouti碼[5]的空時(shí)分組碼（Space Time Block Code，STBC）技術(shù)結(jié)合正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)引入了短波通信中，其研究結(jié)果表明，采用STBC OFDM相對(duì)于傳統(tǒng)的基于單輸入單輸出（Single-Input Single-Output，SISO）的短波波形在相同信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）下誤碼率（Bit Error Rate，BER）性能有較大提升。但STBC OFDM系統(tǒng)雖然解調(diào)處理較為簡(jiǎn)單，但發(fā)射信號(hào)峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）較大，而現(xiàn)有主流波形如美軍標(biāo)MILSTD-188-110C及北約STANAG 4539均采用PAPR較小的單載波PSK/QAM調(diào)制方式。因此STBC OFDM有效發(fā)射功率相較于現(xiàn)有傳統(tǒng)短波波形大幅降低，導(dǎo)致其系統(tǒng)性能相對(duì)于現(xiàn)有短波通信系統(tǒng)提升有限。文獻(xiàn)[9]研究了單載波STBC在單徑Rayleith信道下的性能，但其結(jié)論在實(shí)際信道存在嚴(yán)重多徑的短波通信中參考價(jià)值有限。文獻(xiàn)[10]提出了基于時(shí)域均衡技術(shù)的單載波STBC系統(tǒng)，采用MIMO MMSE-DFE均衡對(duì)抗短波信道引入的碼間干擾，系統(tǒng)可靠性相較于短波現(xiàn)有波形有大幅提高。但是MIMO MMSE-DFE計(jì)算復(fù)雜度較高，不利于實(shí)際應(yīng)用。

分析STBC在短波通信中的現(xiàn)有研究成果，針對(duì)STBC OFDM系統(tǒng)PAPR較高與單載波STBC時(shí)域均衡系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度較高的問(wèn)題將基于頻域均衡的單載波STBC技術(shù)引入短波通信中，設(shè)計(jì)波形幀結(jié)構(gòu)并研究了頻域均衡算法，最后給出了頻域均衡STBC系統(tǒng)與時(shí)域均衡STBC系統(tǒng)以及傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)在短波信道下的仿真對(duì)比。

1 單載波STBC頻域均衡系統(tǒng)

基于單載波STBC頻域均衡的短波通信系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 單載波STBC系統(tǒng)

1.1 幀結(jié)構(gòu)

發(fā)射端典型的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。一個(gè)完整的信號(hào)幀由TLC/AGC段、同步頭和數(shù)據(jù)段組成。其中，TLC/AGC段用于發(fā)射機(jī)功率控制及接收機(jī)增益控制，同步頭用于接收端定時(shí)及頻率同步處理；數(shù)據(jù)段用于攜帶經(jīng)糾錯(cuò)編碼及交織的比特?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段由若干個(gè)數(shù)據(jù)幀組成，而每個(gè)數(shù)據(jù)幀由1個(gè)用于信道估計(jì)的訓(xùn)練序列塊與2個(gè)攜帶編碼比特?cái)?shù)據(jù)的用戶(hù)數(shù)據(jù)塊及對(duì)應(yīng)的循環(huán)前綴塊組成。經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)編碼及交織后的編碼比特進(jìn)行PSK/QAM星座點(diǎn)映射后再進(jìn)行STBC編碼后分填至各個(gè)數(shù)據(jù)幀的用戶(hù)數(shù)據(jù)塊中。

圖2 發(fā)射信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

信號(hào)幀格式主要參數(shù)與美軍標(biāo)MIL-STD-188-110C[12]及文獻(xiàn)[10]保持一致，為準(zhǔn)確評(píng)估STBC性能，糾錯(cuò)碼采用與110C相同的卷積碼，而實(shí)際使用時(shí)可采用Turbo碼等糾錯(cuò)性能更好的編碼。以3 kHz帶寬下600 b/s速率波形為例，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3 kHz帶寬下600 b/s速率波形主要參數(shù)

1.2 STBC編碼

本系統(tǒng)中STBC采用Alamouti分集方案,為適配頻域均衡，按照文獻(xiàn)[11]方式進(jìn)行了調(diào)整。設(shè)對(duì)糾錯(cuò)編碼后的比特進(jìn)行星座點(diǎn)映射后在第k幀的第n個(gè)得到星座符號(hào)序列ck(n)，然后對(duì)ck(n)進(jìn)行STBC編碼，第i個(gè)發(fā)射天線(xiàn)上第k幀的第n個(gè)星座符號(hào)記為xi(k)(n)。Alamouti碼是針對(duì)2根發(fā)射天線(xiàn)的分集方案，即i∈{1,2}。

偶數(shù)幀（即k=0,2,4,…）的發(fā)射信號(hào)為原始星座符號(hào)序列均分到兩根發(fā)射天線(xiàn)上，即：

1.3 STBC頻域均衡

假設(shè)接收天線(xiàn)為1根時(shí)，對(duì)于第j（j=k,k+1）幀，兩根發(fā)射天線(xiàn)到該接收天線(xiàn)的信道沖擊響應(yīng)矩陣分別為H1(j)及H2(j)，接收信號(hào)向量為y(j)，接收的噪聲向量為n(j)，則有：

基于最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）準(zhǔn)則的頻域均衡系數(shù)為：

2 仿真分析及運(yùn)算量評(píng)估

為了評(píng)估單載波STBC頻域均衡短波通信波形（2×1 FDE）性能，以3 kHz帶寬下600 b/s速率為例，對(duì)其與單載波STBC時(shí)域均衡波形（2×1）及單發(fā)單收波形（1×1）進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。其中，單發(fā)單收波形遵照MIL-STD-188-110C標(biāo)準(zhǔn)，STBC時(shí)域均衡波形采用2發(fā)1收（2×1）的Alamouti碼，STBC頻域均衡波形（2×1 FDE）的循環(huán)前綴為16，其他參數(shù)三者均相同。信道為110C標(biāo)準(zhǔn)中要求的兩種典型信道：AWGN信道及短波“差”（CCIR-Poor）信道。短波“差”信道采用Watterson短波信道模型[13]。假設(shè)同步及信道估計(jì)均為理想，且三種系統(tǒng)發(fā)射總功率相同，即兩種STBC系統(tǒng)單根發(fā)天線(xiàn)的發(fā)射功率為SISO發(fā)射功率的一半。BER性能對(duì)比如圖3所示。圖中虛線(xiàn)表示譯碼前的誤碼率，實(shí)線(xiàn)表示譯碼后的誤碼率。

圖3 600 b/s速率下STBC與SISO的BER對(duì)比

由圖3可以看出，在AWGN信道下STBC頻域均衡波形與其他兩種波形性能基本相當(dāng)；在多徑衰落信道下，STBC頻域均衡波形性能比STBC時(shí)域均衡波形略差，相差最大不超過(guò)1 dB，但相對(duì)于SISO波形性能改善明顯，在10-4誤碼率條件下，STBC頻域均衡波形性能優(yōu)于SISO波形了4 dB以上。且實(shí)際使用時(shí)，STBC兩根發(fā)天線(xiàn)的發(fā)射機(jī)采用滿(mǎn)功率發(fā)射，總發(fā)射功率提高一倍，則系統(tǒng)可靠性可進(jìn)一步提升。

運(yùn)算量方面，單載波STBC頻域均衡的主要運(yùn)算為每個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)6次FFT及2次IFFT，而STBC時(shí)域均衡的主要運(yùn)算為信道矩陣分解求逆，因此STBC頻域均衡的運(yùn)算量遠(yuǎn)低于時(shí)域均衡，更利于工程實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了提升短波通信系統(tǒng)可靠性，將單載波空時(shí)分組碼頻域均衡引入短波通信中，兼具STBC OFDM系統(tǒng)接收處理簡(jiǎn)單易于工程實(shí)現(xiàn)及單載波STBC時(shí)域均衡系統(tǒng)PAPR較低的優(yōu)點(diǎn)。在AWGN及短波差信道兩種典型短波信道下的仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的可靠性相對(duì)于傳統(tǒng)短波波形有較大提升。