聯合戰術通信網絡中的無線協同傳輸技術

胡金鎖，周國印，張迎，邵啟紅，馮曉容

(1.32180部隊，北京 100072；2.武漢中元通信股份有限公司研究開發中心，湖北 武漢 430205)

0 引言

具有人工智能輔助決策能力和云計算支撐能力的裝備(如無人機、無人車、5G計算及指控終端)使戰術通信網絡更加智能化、高效化。與此同時，網絡規模的擴大和軟硬件設備的異構性導致通信資源的協同變得異常復雜[1-5]。通信資源協同的范疇較為寬泛，從實現層級來分，包括能源層協同[6-7]、應用層協同[8-9]、網絡層協同[10-14]、鏈路層及物理傳輸層協同[15-19]。相對民用通信系統而言，戰術通信系統缺乏固定基礎設施且機動性要求高，是諸多高層級協同理念難以直接應用的技術原因。

基于鏈路層及物理層的協同傳輸(CT)是網絡協同支撐性技術，具有不依賴網絡架構和戰術應用形式的特點[20-21]。CT技術的分類包括：1)依協同設備使用方式可分為專用、非專用、輔助性設備，如衛星屬于典型的專用中繼協同設備；2)依協同跳數及拓撲關系可分為兩跳、多跳、分布式、鏈式等，如自組網屬于分布式多跳協同、微波接力機屬于多跳鏈式協同[22]；3)依信息變化可分為透明中繼、可再生中繼協同；4)依協議處理層級分為物理層、鏈路層、網絡層協同；5)依信號處理模型分為估計轉發、壓縮轉發、譯碼轉發、消除轉發、聚集轉發等類別。表1 為CT技術分類。

表1 CT技術分類

保持戰術通信網絡鏈路的通連性是研究CT技術的首要目的，具體包括：1)在鏈路變差情況下，通過有效措施使信噪比高于容忍極限，以保持通連；2)在鏈路中斷或障礙遮擋情況下，通過配置單個或多個中繼節點，完成越障通信。

1 問題提出

如圖1所示，考慮戰術行動中的一條動態通信鏈路(從運動源端S到運動目的端D)，因電磁波傳播環境變化導致的鏈路變差或鏈路中斷難以避免。為保證傳輸任務執行，考慮如下應對措施：1)采用多天線協同，即多輸入多輸出(MIMO)協同以提高鏈路穩定性和可靠性，需要明確收發天線數量及配置策略、復用和分集選擇、多通道接收數據的合并依據；2)采用中繼協同以提高鏈路的抗遮擋能力，需要明確中繼節點數量和形態(如是否需要升空)、多中繼空間位置與鏈路信號噪聲功率比(SNR)的關系。

2 系統模型

鏈路中斷概率預估和影響因素分析是CT技術應用的前置條件，作戰想定是傳輸容量的設計依據和判定標準。單天線收發鏈路的信道容量C與信道帶寬B、接收信號功率P及噪聲功率N的關系由香農公式給出如下：

C=Blog2(1+P/N)

(1)

當信道環境發生變化(如傳播距離變遠、多徑、遮擋、干擾等)時，接收端信噪比γ=P/N可視為隨機分布變量。當γ值低于應用需求所確定的門限值γth時，鏈路承載容量過載，表現出鏈路中斷狀態。用φ(γ)表示信噪比γ的概率密度函數，則中斷概率Po可表示如下：

(2)

若鏈路中斷概率評估值較高或實際中斷頻發，則需要應用CT技術保障其通連性，如通過多天線MIMO協同或新增中繼節點予以實現。

2.1 MIMO協同模型

立足于通信設備的模塊化和標準化，單設備中配備多個通道(獨立或非獨立)是多天線MIMO協同的基礎[15-16]。通過借鑒先進通信標準[17-20]，MIMO協同的技術探索已出現在戰術自組網(Ad-Hoc)、寬帶戰術互聯網、戰術協同傳輸組網、戰術通信抗干擾、雷達定位、無人機作戰協同、軍事醫學儀器等領域。MIMO協同可獲得的收益包括：1)容量增益，用于提高傳輸容量；2)分集增益，用于對抗信道衰落；3)陣列增益，用于提高接收信噪比；4)波束增益，用于抗干擾或者空間多址。MIMO協同的典型用法包括：通過分集提升鏈路可靠性，即降低傳輸誤碼率；通過復用提升鏈路容量，即提出傳輸負載能力。

考慮MIMO分集協同與鏈路可靠性的關系，即分集對誤符號率(或誤碼率)的提升。在衰落信道中，如果存在L條接收分支，則需要把這些分支所接收的信號進行組合，以獲得極大化的信號功率。從數學上看，分集接收的實質是將信道響應不相關的信號副本進行線性或非線性組合。常用的合并方法有3種：選擇合并、等增益合并以及最大比合并。用rh(t)表示第h(h=1，2，…，L)條分支接收的信號副本，αh表示加權系數并滿足功率歸一化條件(即信號功率不變)，r(t)表示組合后的信號，

(3)

為便于分析比較，假定分支條數為L，各分支經衰落信道(Rayleigh信道或Rician信道)，則每條分支的平均信噪比可表示為

(4)

式中：Ωl表示功率衰減均值；Es為符號平均功率；N0為噪聲功率密度；ks為每符號比特數；Eb為每比特平均能量。矩母生成函數(MGF)是在已知信噪比情況下求符號錯誤率(SER)的有效數學工具，在Rayleigh衰落情況下，每分支的MGF可用s變換表示為

(5)

(6)

式中：K為直達路徑和散射路徑的能量比值(即Rician因子)。利用MGF與SER之間的關系，則可得到在典型調制方式(M-PSK)下，在采用MRC方式進行合并時的SER解析表達式[23]如下：

(7)

式中：M為接收天線數；θ為積分變量。依據不同調制階數，可根據SER求出比特錯誤率(BER)，得到MIMO協同前后鏈路誤碼率解析表示式(當L=1時表示協同前)。

考慮多天線協同導致的傳輸容量的變化。用N表示發射天線數，用n(n=1，2，…，N)表示發射天線序號，則第m副天線接收信號為N個分支(或副本/支路)信號和，每支信號為信道沖激響應hm,n(t)與信號sn(t)的卷積，即表示為

(8)

式中：ηm(t)為第m通道噪聲。在窄帶平坦衰落信道，即發射信號帶寬遠大于信號的多徑信道的相干帶寬，此時信道沖激響應可看作一個沖激函數(δ函數)，即

hm,n(t)=hm,n(t)δ(t)=hm,n(0)

(9)

第m副天線接收到的信號可用直接相乘代替卷積過程，即有

(10)

將(10)式進行如下處理：1)以時間t=kTs(Ts為抽樣時間間隔)進行抽樣，得到離散信號模型；2)用符號間隔內的信號能量Es與噪聲能量ηt進行歸一化處理，則離散時間MIMO系統模型為

(11)

式中：Y(k)為M維接收符號向量；H表示M×N階信道響應矩陣；s(k)表示N維發射符號向量；η(k)表示M維加性高斯白噪聲向量。

在各天線互相獨立的條件下，N發M收的MIMO系統其信道容量[24]可表示為

(12)

式中：IM為M階單位矩陣。不難發現，MIMO協同采用復用方式時，容量提高的理論極限值為M。

2.2 多跳中繼協同模型

考慮對透明中繼進行建模，以評估多跳協同后的SNR。如圖2所示，源終端S發射信號中包含有用信號s0(t)和噪聲n0(t)，經H跳到目的終端D并被接收。在第h(h=1,2,…,H)跳過程中，gh表示發送節點幅度增益，dh表示該跳傳輸距離，αh表示幅相衰減因子，nh表示接收到的加性噪聲，Hop表示跳數。

該鏈路屬于典型的級聯結構，不難發現第h跳后的信號可表示為

sh(t)=ghαhsh-1(t)+nh(t)

(13)

sh(t)=κhs0(t)+hnT

(14)

(15)

矩陣n(t)維度為1×(h+1)，具體為

(16)

用γh表示第h跳后的信號信噪比，即可得

(17)

(18)

特別地，當H=2時，鏈路為基本的雙跳中繼鏈路，此時信號為

s2(t)=g2α2g1α1·s0(t)+

(19)

滿足假定條件下的信噪比如下：

(20)

不難發現，協同透明中繼后信噪比會隨著級數增多而降低。對再生中繼而言，節點在信號再生(譯碼再編碼)過程中抑制了噪聲的影響，多跳協同后的信噪比優于透明中繼，且與中繼節點收發機系統性能有關。

高層建筑的抗震效果與施工過程中的每個環節、每道工序也是息息相關的，因此我們在施工現場應高度重視施工中各個工序的管理工作，嚴格按照設計圖紙和相關規范科學合理地安排每一個施工環節，確保建筑的工程質量滿足抗震設計的要求。

3 仿真實驗

為進行模型驗證和效果評估，在Windows 10操作系統環境下，基于MATLAB仿真軟件進行4組仿真實驗，仿真信道環境包括高斯信道、多徑衰落信道(瑞利信道模型、萊斯信道模型)，仿真配置依據具體協同模型。

3.1 MIMO協同

MIMO協同實驗主要考慮為如何對數量有限的收發天線進行配置、不同空時編碼方式、不同的鏈路合并形式對鏈路傳輸BER的影響。仿真參數為：1)調制方式采用BPSK調制；2)信道編碼方案為無差分編碼、無信道編碼；3)分集合并方式采用MRC方案；4)功率分配采用等功率方案，即單天線發射功率1 W，雙天線發射每個天線0.5 W；5)天線配置包括單發雙收、雙發單收及用于對比的單發單收。

3.1.1 實驗1 雙天線下發射分集與接收分集BER對比

用Tx和Rx表示發射和接收，現分析雙發單收(2Tx，1Rx)和單發雙收(1Tx，2Rx)的BER性能。對于雙發單收(2Tx，1Rx)配置，為避免同時同頻導致的自干擾，采用Alamouti空時編碼分集方案。對于單發雙收(1Tx，2Rx)配置，采用MRC方案，并與常規的單發單收(SISO)進行對比，結果如圖3所示。

不難發現：1)與SISO方案相比，兩種方案均有性能增益，且信噪比越高收益越明顯；2)MRC(1Tx，2Rx)接收分集相比采用Alamouti(2Tx，1Rx)的發射分集具有3 dB的增益，這是因為將兩種情況總發射功率設置相同導致的。如果調整發射功率，使這兩種情況下的接收功率相同，則二者具有相同性能。

3.1.2 實驗2 天線數量為4的分集方案仿真對比

考慮在戰術通信系統架構中，需要評估不同的收發天線/通道配置所獲得誤碼率性能，例如在4個天線可供配置的情況，需要考慮1發4收(1Tx,4Rx)分集方案、2發2收(2Tx,2Rx)分集方案以及4發1收(4Tx,1Rx)分集方案共3種情況的效果。仿真參數調制方式為QPSK，傳輸速率設置為相同的1位/(s·Hz-1)，信道模型為多徑衰落信道(平坦衰落)，采用平坦衰落信道下SISO架構的BER理論值作為對比參考。在發射分集方案中，采用正交空時分組編碼(OSTBC)進行1/2碼率進行預編碼；在2發2收(2Tx,2Rx)方案中，采用Alamouti方案；在1發4收(1Tx,4Rx)分集方案中，采用MRC方案，并假設能正確估計出各路信號的合并系數。仿真的Eb/N0范圍設置為0～20 dB，仿真的BER取現結果如圖4所示。

仿真結果表明：1)采用MIMO架構相比SISO架構具有非常明顯的BER性能提升，如BER為10-2時MRC方案相對SISO可將Eb/N0的要求降低15 dB；2)基于OSTBC編碼的發射分集方案比MRC準則接收分集的BER特性要差，表明在天線數量約束情況下，應選用接收分集以期待獲得更好的效果，其原因在于發射分集無法避免自身連續干擾；3)Alamouti方案具有良好的折中性能，在獲得比SISO更好性能的同時還能保證收發天線/通道配置的無差異性，是無差異節點進行組網的理想架構方案。

考慮瑞利衰落信道MIMO協同的BER性能，基于前述理論分析，圖5繪出了BPSK調制方式在AWGN信道及衰落信道分集的對比。仿真實驗表明：1)在衰落信道環境中采用協同方式能顯著改善系統的端到端傳輸BER性能；2)理論上分支足夠多時，多分支協同在衰落信道中的性能可以逼近AWGN信道，但基于性價比考慮，采用2～4分集即可在性能和成本方面進行較好的折中處理。

3.2 多跳協同

多跳協同實驗主要考慮多跳對BER的改善及跳數與SNR的關系。

3.2.1 實驗1 無協同(單跳)與有中繼協同(雙跳)的BER性能對比

兩種場景下D-BPSK的仿真實驗結果表明：1)在高SNR區域，兩種場景下的誤碼率曲線斜率相同，表明兩種方案具有相同的分集度；2)雙跳鏈路的性能差別主要是由功率增益導致，如果不考慮兩跳中繼鏈路相比于傳統的單跳鏈路的功率增益，則直傳鏈路的性能會優于多跳場景。

3.2.2 實驗2 協同鏈路的跳數與SNR之間的關系

依據前述理論分析，圖7給出了協同鏈路的跳數與SNR之間的關系。仿真條件為：1)每節點采用等間距，即d相同；2)每節點之間假設電磁環境相同，即衰減因子α相同；3)源節點信噪比進行歸一化處理為0 dB；4)考慮衰減補償值gα(g為幅度增益，α為幅度衰減)3種典型情況，即大于1、小于1、等于1。

圖7仿真結果表明：1)節點幅度增益g應需要補償幅度衰減α的影響，即滿足gα>1；2)當補償增益g不夠時，SNR損失與跳數呈近似線性關系；3)多跳的SNR損失主要是由前級導致的，當gα>2時，SNR與跳數關聯較弱，即SNR損失很小。

4 系統實現

實現MIMO協同的源端和終端均需多通道數字接收架構。專用于中繼的協同節點工作方式包括直接轉發(AF)、線性放大轉發(LF)、譯碼轉發(DF)等，需要基于模擬硬件和數字硬件實現。LF在AF基礎上增加預失真電路以保證轉發信號的線性度，DF通過譯碼過程抑制了信號噪聲，增加了處理步驟和處理時延。

4.1 收發機結構

典型的模擬硬件結構中繼收發機包括收發天線、雙工器、接收帶通濾波器(R-BPF)、低噪聲放大器(LNA)、頻率綜合器、頻率變換器、線性處理器、帶通濾波器(BPF)、功率放大器(PA)、發送帶通濾波器(T-BPF)、電源等，如圖8所示。模擬結構可用于AF、線性放大轉發(LF)中繼，由于信號不能存儲，不能適用于時分轉發(TDR)系統，應用設計主要考慮可編程頻率偏移設計、可變功率設計、高隔離雙工濾波器設計等。

典型數字硬件結構中繼收發機在模擬硬件結構中繼收發機基礎上增加了信號處理、模數轉換(ADC)、數模轉換(DAC)、正交調制解調等模塊，如圖9所示。數字結構可用于透明中繼和可再生中繼，因具有存儲功能，可用于TDR系統，應用設計主要考慮同步、內存、高速數據總線、基帶協議棧、濾波器復用等。

4.2 實現復雜度

對不同結構進行復雜度(或成本)的評估是系統方案設計中需要考慮的實際問題。由于純模擬結構不能實現任何可再生中繼協議，其一般用于窄帶系統，對時鐘頻率和放大器的要求均不是非常嚴格。兩種結構對雙工器均有很高的要求，尤其是頻分中繼方式，需要較高的收發隔離度防止系統內部干擾；LNA的復雜程度取決于信號帶寬，帶寬越大則保證信號線性度的難度越大；表2為兩種結構主要模塊(濾波器、時鐘頻率、功率放大器、信號處理、信號存儲)的復雜度對比。

表2 硬件結構的復雜性對比

5 結論

本文在對現有通信協同方式進行分類對比的基礎上明確了基于物理層和鏈路層的CT對戰術通信的重要意義，確立了保持鏈路的通聯性的戰術CT準則。給出了典型的CT應用場景，建立了數學模型及數學分析、進行了仿真實驗。提出了CT的模擬和數字硬件結構，并對硬件復雜度進行了對比。文中應用場景模型、理論及仿真驗證、硬件架構及特點分析對于CT系統規劃、項目設計及裝備研制具有參考意義。