一种基于并行导频的短突发传输方法

胡东伟，王力男，王永超

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081）

一种基于并行导频的短突发传输方法

胡东伟1，2，王力男1，2，王永超1，2

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081）

低信噪比下无线传输的同步较困难，需要用于做同步估计的数据量较大；而短突发传输的信号持续时间较短，数据量较少。针对极低信噪比条件下的短突发传输，提出了采用并行导频的方法。其导频不占用任何时间开销，大大缩短了突发传输时间。分别针对加性高斯白噪声信道和多径衰落信道，给出了导频的作用和对应的导频图样，通过仿真验证了所提导频方案的可行性和性能。

突发传输；极低码率；极低信噪比

0 引言

短突发通信因其信号存续时间短，具有天然的隐蔽性、抗干扰性和抗截获性，因而在军事通信上获得了广泛的应用。例如美军第三代短波通信标准就采用了突发通信模式［1］。Link16数据链的每个时隙，也是一个短突发［2］。跳频通信的每一跳持续时间内，也可认为是一个短突发。流星余迹通信更是必须采用突发通信模式［3］。此外，近年来出现的应急救生通信模式，也普遍采用短突发通信方式。国内外已经出现了大量采用短突发通信方式的工程标准。

目前的短突发通信，一般采用一个帧头后面跟一个数据段的结构。帧头用于做时间、频率和相位同步。对于军事应用来说，很多情况下采用代码通信方式，进行最低限度通信即可［4］。这样，需要传输的信息量少，编码速率低，信噪比低。因而同步估计、频偏估计困难，需要的帧头较长。同时，倘若信息传输速率也较低，则突发帧的持续时间较长，而帧头长就进一步拉长了突发持续时间，增加了突发被截获、被干扰的概率。因此，研究极低信噪比下的极短突发通信方式，在军事上具有重要的应用价值。

1 低信噪比下的短突发通信方式极其困境

低信噪比下的短突发传输是指需要传输的信息量少，采用极低码率编码（例如1／5码率Turbo码），同时信息传输速率低的短突发通信方式。信息速率低和编码码率低都是为了降低信噪比要求，实现更强的抗干扰能力。极低速率和极低码率相结合，可以实现极低信噪比下的传输。传统上的短突发通信采用的帧结构如图1所示。

图1 一般短突发通信的帧格式

图中，每个突发包括两部分：帧头部分和数据段部分。帧头部分完成突发的同步、频偏估计和相位估计。数据段部分承载有用信息。

该帧结构对于极低信噪比下的短突发传输，存在三方面的困难：

①因为信号的信噪比低，因而帧头捕获困难，需要的帧头较长；

②因为信噪比低，频偏估计困难，同样需要较长的帧头；同时，假若数据段信息传输速率低，则数据段持续时间较长，对频偏估计的精度要求就很高；

③倘若信息传输速率低，数据段持续时间长，倘若帧头也较长，则整个突发持续时间更长，极大地增加了被干扰、被截获概率。

因此，对于极低信噪比下的短突发传输，必须适当设计其突发长度和信噪比要求，以取得解调门限和突发持续时间的折中。

2 基于并行导频的极低码率极短突发通信

针对以上困难，提出一种基于并行导频的短突发通信方式，并分别针对高斯信道和多径信道设计其导频信号格式。

2.1 采用的极低码率编码

极低码率的编码是本方案需要使用到的内容，但不是本文所需要研究的内容。本文中涉及到的极低码率编码，拟采用1／5的Turbo码为示例。1／5码率的Turbo码编码器结构如图2所示［5，6］，其分量编码器结构如图3所示。交织器拟采用参考文献［7］中的随机交织器。

图2 1／5码率的Turbo码

图4示出了短码块长度下的编码性能。可以看到，在Eb／N0＝2 dB时，误码率已经在Eb／N0＝2 dB时误码率已经在10－4。此时，译码前码片级的信噪比只有－5 dB。信噪比很低。

图3 1／5码率Turbo码的分量编码器

图4 信息块长度为112时的1／5码率Turbo码性能

2.2 高斯信道下的并行导频短突发传输模式

卫星信道就可建模为加性高斯信道。对于高斯信道，导频的作用为时间同步、频率同步和相位同步。因此，可采用如图5的并行导频突发传输模式。图中，并行导频和编码调制数据叠加在一起，同步进行传输。调制可采用简单的BPSK／QPSK调制，或扩频后进行BPSK／QPSK调制。利用并行导频与编码调制数据之间的时间、相位关系，可根据导频解算编码调制数据。

图5 高斯信道下的并行导频突发传输模式

为利于做时间和频率同步，并行导频可借鉴连续波雷达理论，采用三角扫频信号格式［8］。三角扫频信号的频率扫描波形如下图6所示。其时域信号格式x(t)由x1(t)、x2(t)两部分构成。其中x1(t)、x2(t)和x(t)分别如下所示：

图6 三角扫频信号的频域扫描波形

使用该导频进行时间、频率同步的方法请参看相关雷达理论书籍［8］。由于信噪比在－5 dB时，编码调制数据仍能正确译码，因此，适当配备导频信号能量，并行导频信号可以直接叠加在编码调制数据之上。

2.3 多径信道下的并行导频短突发传输模式

对于短波信道、流星余迹信道，符号间干扰较严重，需建模为多径信道［9］。此时，导频的作用除了时间、频率和相位同步外，还需要做信道估计。为便于均衡，可采用OFDM调制［10－13］。为适应低信噪比要求，在进行OFDM调制之前，可先对编码调制信号进行扩频调制。这样，多径信道下的短突发传输编码调制过程如图7所示。此时可设计如图8所示的导频结构。

图7 多径信道下的编码调制过程

图8 多径信道下的导频结构

图8中为3个信号相叠加。同步信号用于做时间和频率同步，可直接采用高斯信道下的并行导频信号。信道估计导频信号专门用来做多径信道的估计。编码调制数据即图7中产生的编码调制符号。

由于OFDM调制符号工作在扩频之后，往往为负信噪比，因此不能直接采用与编码调制数据相同的OFDM符号作为导频［10］。因此，可设计如图9所示的导频结构。图中，信道估计导频信号为多个OFDM导频符号的重复。每个OFDM导频符号包括导频数据和循环前缀两部分。这里的OFDM符号点数，可以大大小于编码调制数据的OFDM点数。其点数只要大于多径延迟长度即可。解调时，首先利用同步信号捕获突发信号，并进行频率补偿。然后对重复的信道估计导频信号进行累加，提高信噪比。累加后，信道估计导频信号信噪比较高，可直接FFT做信道估计。然后，将估得的多径信道参数进行FFT插值，即可利用插值后的信道参数对编码调制数据符号进行均衡。

图9 信道估计导频信号结构

同样，当对调制数据符号采用极低码率的编码，同时采用扩频时，适当配备同步信号和信道估计导频信号能量，可以将二者直接叠加在编码调制数据符号上。这样，当在一定的噪声水平之上，同步信号和信道估计导频信号虽然会对编码调制信号造成干扰，但不影响解调的正确性。

3 可行性及性能仿真

本节采用仿真的方法验证以上方案的可行性及性能。

3.1 高斯信道下的并行导频短突发传输方案

按照2.2节的并行导频方案，设T＝1／2 048 s，导频长1.5 s。设编码前信息块为102 bits，编码后为528 bits。按照6倍的扩频，得到3 168码片。码片输出周期也为1／2 048 s。对3 168码片进行BPSK调制，并与导频直接叠加。叠加时导频能量为BPSK调制符号能量的1／2。图10为按照这些参数的仿真性能。

图10 AWGN信道下并行导频短突发传输方案性能曲线

由图可见，在比特信噪比为4.2 dB时，误码率已经在10－4以下。此时，符号信噪比约为－10 dB。也即，采用本方案，在－10 dB的信噪比下，实现了高斯白噪声信道下的短突发传输。

3.2 多径信道下的并行导频短突发传输方案

将3.1节中产生的3 168个码片，进行OFDM调制。调制时OFDM点数为64，每个符号承载48个码片，其余为虚拟子载波。循环前缀为16点。同步导频信号与3.1节相同。信道估计导频信号采用16点的FFT，循环前缀亦为16点。仿真采用4条路径的瑞利衰落信道，功率延迟谱按照［0，－3，－6，－9］dB衰减。如图11为仿真所得的性能曲线。由图可见，在比特信噪比为6.2 dB时，误码率已经在10－4以下。此时，符号信噪比约为－8 dB。也即，采用本方案，在－8 dB的信噪比下，实现了瑞利衰落多径信道下的短突发传输。

图11 多径信道下并行导频短突发传输方案性能曲线

4 结束语

研究了极低信噪比下的极短突发传输方案。针对极低信噪比下需要的导频较长，较长的帧头会拉长突发持续时间的问题，提出了并行导频的方案。针对加性高斯白噪声性道和多径衰落信道，分别给出了导频设计方案。分别在高斯白噪声信道和瑞利多径信道下，设计了2个实例，进行了仿真。根据本文的仿真，分别在－10 dB和－8 dB的信噪比下，实现了高斯白噪声信道和瑞利多径信道下的极短突发传输。

本文的研究，解决了极低信噪比下的极短突发传输问题。这将对某些抗干扰通信、应急通信或最低限度通信系统的构建具有一定的意义。在本文的基础上，可进一步进行三方面的研究：①研究极低码率的编码，例如1／30码率［14－16］，进一步提高最低限度通信系统的抗干扰性能，降低其信噪比要求；②研究导频信号和数据调制信号的最佳能量配比，以达到最小的导频信号能量开销；③研究高动态环境下的短突发通信体制。

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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

胡东伟，王力男，王永超.一种基于并行导频的短突发传输方法［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：50－53.

2015－06－11

胡东伟（1980—），男，博士，高级工程师，主要研究方向：无线通信理论及集成电路设计。王力男（1968—），男，高级工程师，主研究方向：卫星移动通信、卫星抗干扰。