便携极低速对流层散射通信系统优化设计

李 影，张震强

(石家庄邮电职业技术学院，河北 石家庄 050021)

0 引言

对流层散射通信利用对流层媒质的不均匀性来实现超视距通信。相对于其他通信方式，对流层散射通信具有传输距离远、信息容量大、信道不容易被破坏以及保密性好等得天独厚的优点[1]。相比卫星通信，卫星通信每兆比特吞吐量月成本为$3 000～$5 000，而散射通信对于多种环境能够提供高可靠性、低时延的链路，因此与卫星通信相比是一个非常有吸引力的、低成本、高效率的选择。

随着散射通信的重新崛起，对流层散射通信设备已经从庞大、重型终端发展为更小、更轻、更易部署的能够以一条安全链路传输数字话音和数据的网络系统。便携极低速散射通信设备由于体积小、可搬移和传输距离远等特点获得广泛应用。而对流层散射通信信道是一种典型的瑞利衰落信道，具有显著的快衰落特征(包括多径和多普勒效应)，严重影响便携极低速散射通信系统的通信质量[2-3]。

为有效克服接收信号的衰落，本文针对远距离散射信道特性，首先采用合理的分集接收体制，在不增加设备复杂度的前提下有效平滑信号衰落；提出适用于极低速散射通信的高效纠错编码技术，提高设备能力；同时，采用自适应窄带滤波技术，通过接收信号中的导频信号进行载波频偏估计与多普勒弥散跟踪，实现极低速同步解调，进一步提升设备性能。

1 便携散射通信系统设计

1.1 分集方式的选取

根据文献[4-7]可知，对流层散射信道具有快衰落特性，服从瑞利分布，衰落速率在正常情况下为0.1～10 Hz，必须采用分集接收等抗衰落措施平滑信道衰落，保证信息的平稳传输。由于信道存在频率选择性、空间选择性和时间选择性，可采用频率分集、空间分集和时间分集等分集措施。

空间分集需要2面以上的分集天线，严重影响设备的便携性要求。时间分集利用散射信道存在的时间选择性实现分集措施，存在秒级的传输时延，该便携散射设备对传输时延较敏感，因此不适合使用时间分集方式平滑信道衰落。频率分集在同一传输路径中，一定频率间隔上进行分集接收实现分集措施，系统设计与实现简单，当信道存在明显的频率选择性衰落时可获得很好的分集效果，采用频率分集的系统组成如图1所示。

图1 便携极低速通信系统组成

在图1的散射通信系统中，业务信息经过信道编码和基带成形后进行频率分集载波调制，采用带内4频频率分集，频率间隔2 MHz，满足频率分集要求(相关带宽为1 MHz)，占用系统带宽6 MHz，满足使用要求。采用频率分集平均误码率曲线如图2所示，归一化信噪比在13 dB左右时可保证平均误码率为1×10-4，优于无分集时误码性能20 dB。

图2 采用频率分集平均误码率曲线

1.2 抗多径波形设计

接收到的散射信号是来自不同散射体信号的总和，且信号经过的传播路径时延不同，导致接收信号畸变，影响接收信号质量[8-9]。因此，发射端采用1/4占空方波成形，如图3所示，4重频率分集信号间相对延时1/4符号周期(T)，使调制信号占满整个符号周期，信号峰均比为0 dB，合理利用发射功率。

图3 抗多径调制波形

在接收端，采用失真自适应(Distortion Adaptive Receiver，DAR)解调，由于调制波形1/4占空，不仅能够克服多径时延展宽，还能获取可观的隐分集增益。从而进一步平滑信道衰落，可近似达到8重分集效果，平均误码率为1×10-4时，获取3 dB的隐分集增益。

2 LDPC译码器与窄带滤波器设计

2.1 LDPC编译码特点

散射信道是一种变参信道，接收电平快衰落起伏可高达20 dB，误码是集中成串出现的突发误码类型，瞬时误码很大。随着具有译码失效门限低的Turbo码和低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check Codes，LDPC)码相继问世以及数字信号处理能力的增强，使散射通信采用前向纠错编码(Forward Error Correction，FEC)技术改善通信系统误码性能、提高系统传播可靠度成为可能[10]。目前，散射通信中使用的LDPC纠错编码为几何码或者具有循环结构的LDPC编码，实现复杂度低；但若达到理想的编码增益要求较长码长，不适用于极低速散射通信。

本文基于渐进边增长(Progress Edge Growth，PEG)算法构造548 bit码长的LDPC码，其随机性强，性能优越，但该码没有循环或准循环结构[11]，译码器的设计较复杂。下面列出该码字校验矩阵特点：

① 校验节点数：4 818；

② 行重：7或8，2种行重的行数如表1所示；

③ 列重：2，3，4，11，列重的列数如表2所示。

表1 LDPC码行重表

行重行数行重行数71218153

表2 LDPC码列重表

列重列数列重列数224641732031182

2.2 LDPC译码器设计与实现

LDPC译码一般采用置信传播(Belief Propagation，BP)算法和简化算法(如最小和算法、归一化最小和算法等)。由于归一化最小和算法计算复杂度低且性能与BP算法差距较小，故译码器设计采用归一化最小和算法[12-13]。

由于该码字的校验矩阵不具备循环或准循环特性，不具备将校验矩阵分割成互不相关的子矩阵完成迭代操作从而达到降低译码实现复杂度的目的。若将所有校验节点用寄存器表示，则迭代时序复杂、占用过多逻辑资源，实现时难免出错。考虑到该码字应用于极低速通信中，编码数据1帧的周期约为1 s，可采用适当增加译码时间换取译码复杂度的下降，在译码时间与译码复杂度之间做权衡。

译码算法迭代过程如图4所示，图中列出了LDPC译码器的迭代译码过程，同时还标注了译码过程每个环节的处理时钟周期数。

图4 译码算法迭代过程

按照图4中标注的LDPC译码过程中的处理时钟周期，完成迭代译码所需的周期约为5 371*N，假设迭代此时为N=40次，则LDPC译码过程所需的处理时钟周期为214 840个。译码过程采用100 MHz高钟完成，则LDPC译码过程所需时间为2.15 ms，译码时间可满足使用要求。图5为该编码的性能测试曲线，由图5可知，在误码率为1×10-6时，编码增益为6 dB以上。

图5 LDPC编码恒参性能测试曲线

2.3 窄带滤波技术

由于散射体杂乱无章的随机运动，导致接收信号频率的弥散，称为多普勒效应。不同于移动通信，这种散射体运动所引起的多普勒频移一般比较小，在C波段其范围一般在0.1～10 Hz，对于极低速通信，传统的锁相环同步技术无法直接用于跟踪，严重影响系统性能[14-17]。而采用窄带自适应滤波技术，通过对接收信号中的导频信号进行载波频偏估计与多普勒弥散跟踪[18]，可有效提高载波提取输出的信噪比[19-20]，满足系统指标要求。载波提取滤波器的输出信噪比/滤波器增益与输入信噪比的关系曲线如图6所示。

图6 输出信噪比增益曲线

由图6可知，若满足输出载波信噪比高于20 dB的同步要求，输入信噪比只要大于8 dB即可，而传统的锁相环滤波需要输入信噪比达到12 dB以上。因此，利用自适应陷波器实现的窄带滤波器性能满足载波提取门限要求。

3 性能测试

搭建通信系统测试平台，在对流层散射信道条件下，测试便携极低速散射设备的误码性能，从而验证设计合理性与设备能力。系统主要技术指标如下：

① 传输速率：400 bps；

② 纠错编码：LDPC；

③ 分集方式：4重频率分集；

④ 解调方式：DAR相干解调。

分别在无纠错与加纠错条件下实测系统的误码性能曲线如图7所示。

图7 平均误码率实测曲线

由图7可知：

① 在不加纠错条件下，实测曲线与理论8重分集曲线重合，考虑到工程损失的因素，实际达到的分集效果应高于8重分集，达到系统设计要求；

② 加纠错条件下，在误码率为1×10-6时，高效纠错编码带来约3 dB增益，与恒参信道有差距，这是由于散射信道与恒参信道的特性差异造成的；在相同的通信距离下，3 dB的编码增益可将年传播可靠度从95%提高至98%，明显提升了设备能力。

4 结束语

随着对流层散射通信的重新崛起，便携极低速对流层散射通信设备由于体积小、可搬移和传输距离远等特点也获得广泛应用。本文提出采用带内4频频率分集体制，结合抗多径波形设计、DAR隐分集接收，同时设计高性能低时延的LDPC纠错编码以及利用自适应窄带滤波的载波提取技术的极低速散射关键技术，解决了散射信道的快衰落问题，同时进一步提升了设备能力，实测结果也进一步验证了极低速散射通信系统的性能，对工程实践具有重要的指导意义。