短波单载波空时分组码的频域均衡研究*

2020-03-26邓永洋李开林王叶群

通信技术 2020年2期

邓永洋，李开林，王叶群,2

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都 610041；2.空军工程大学信息与导航学院，陕西西安 710077）

0 引言

短波通信具有通信距离远、抗毁能力强、架设灵活方便等特点，多年来一直被广泛的应用于军事、气象、航空、航海等领域，已经成为这些领域的一种重要通信方式[1]。但是，短波通信存在可供使用的频段窄，通信容量小，信号传输稳定性差等缺点，达不到当今高速、稳定的通信要求，限制了短波通信的发展，因此，各研究机构都在努力研究新的技术，克服短波通信的弱点，提升其可靠性[2]。

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统是近年来在无线移动通信研究中的一个重大突破，该技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量。随后，多位学者将MIMO技术引入短波通信，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技术提高发射增益的前提是各发射天线与各接收天线间形成的信道矩阵的秩尽可能大，即各天线间的信道相关性尽可能小[3]。因此要求发射天线组和接收天线组的内部天线间需保持至少波长一半的距离，才能保证信道的相关性；而短波频段波长较长（10～100 m），部署MIMO天线阵列相对于高频段需要较大的空间。文献[3]综合分析了国外近年来对短波MIMO链路测试的研究成果，研究了在天线阵场地受限前提下采用极化分集、间隔式同构天线阵列和共址异构天线阵列等不同天线阵列时对应的短波MIMO信道相关性，初步验证了场地受限时MIMO技术在短波通信中的可行性。

提升系统频谱利用率方面，文献[4]提出了一种利用发射极化分集技术来实现空间分集以限制电台链路两端的天线阵孔径，设计了以提升信道容量为目的的2发2收的MIMO系统，并进行了280 km范围的实际通信试验，在4.2 kHz带宽下实现了最高速为24.09 kbit/s的通信，超过了传统短波数传；同时测试了短波MIMO信道的互相关性，进一步验证了场地受限时短波MIMO信道的可用性。

提升系统稳健性方面，文献[6-8]将基于Alamouti码[5]的空时分组码（Space Time Block Code，STBC）技术结合正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术引入了短波通信中，其研究结果表明，采用STBC OFDM相对于传统的基于单输入单输出（Single-Input Single-Output，SISO）的短波波形在相同信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）下误码率（Bit Error Rate，BER）性能有较大提升。但STBC OFDM系统虽然解调处理较为简单，但发射信号峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）较大，而现有主流波形如美军标MILSTD-188-110C及北约STANAG 4539均采用PAPR较小的单载波PSK/QAM调制方式。因此STBC OFDM有效发射功率相较于现有传统短波波形大幅降低，导致其系统性能相对于现有短波通信系统提升有限。文献[9]研究了单载波STBC在单径Rayleith信道下的性能，但其结论在实际信道存在严重多径的短波通信中参考价值有限。文献[10]提出了基于时域均衡技术的单载波STBC系统，采用MIMO MMSE-DFE均衡对抗短波信道引入的码间干扰，系统可靠性相较于短波现有波形有大幅提高。但是MIMO MMSE-DFE计算复杂度较高，不利于实际应用。

分析STBC在短波通信中的现有研究成果，针对STBC OFDM系统PAPR较高与单载波STBC时域均衡系统计算复杂度较高的问题将基于频域均衡的单载波STBC技术引入短波通信中，设计波形帧结构并研究了频域均衡算法，最后给出了频域均衡STBC系统与时域均衡STBC系统以及传统SISO系统在短波信道下的仿真对比。

1 单载波STBC频域均衡系统

基于单载波STBC频域均衡的短波通信系统，如图1所示。

图1 单载波STBC系统

1.1 帧结构

发射端典型的信号帧结构如图2所示。一个完整的信号帧由TLC/AGC段、同步头和数据段组成。其中，TLC/AGC段用于发射机功率控制及接收机增益控制，同步头用于接收端定时及频率同步处理；数据段用于携带经纠错编码及交织的比特数据。数据段由若干个数据帧组成，而每个数据帧由1个用于信道估计的训练序列块与2个携带编码比特数据的用户数据块及对应的循环前缀块组成。经过纠错编码及交织后的编码比特进行PSK/QAM星座点映射后再进行STBC编码后分填至各个数据帧的用户数据块中。

图2 发射信号帧结构

信号帧格式主要参数与美军标MIL-STD-188-110C[12]及文献[10]保持一致，为准确评估STBC性能，纠错码采用与110C相同的卷积码，而实际使用时可采用Turbo码等纠错性能更好的编码。以3 kHz带宽下600 b/s速率波形为例，具体参数见表1。

表1 3 kHz带宽下600 b/s速率波形主要参数

1.2 STBC编码

本系统中STBC采用Alamouti分集方案,为适配频域均衡，按照文献[11]方式进行了调整。设对纠错编码后的比特进行星座点映射后在第k帧的第n个得到星座符号序列ck(n)，然后对ck(n)进行STBC编码，第i个发射天线上第k帧的第n个星座符号记为xi(k)(n)。Alamouti码是针对2根发射天线的分集方案，即i∈{1,2}。

偶数帧（即k=0,2,4,…）的发射信号为原始星座符号序列均分到两根发射天线上，即：

1.3 STBC频域均衡

假设接收天线为1根时，对于第j（j=k,k+1）帧，两根发射天线到该接收天线的信道冲击响应矩阵分别为H1(j)及H2(j)，接收信号向量为y(j)，接收的噪声向量为n(j)，则有：

基于最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE）准则的频域均衡系数为：

2 仿真分析及运算量评估

为了评估单载波STBC频域均衡短波通信波形（2×1 FDE）性能，以3 kHz带宽下600 b/s速率为例，对其与单载波STBC时域均衡波形（2×1）及单发单收波形（1×1）进行了计算机仿真。其中，单发单收波形遵照MIL-STD-188-110C标准，STBC时域均衡波形采用2发1收（2×1）的Alamouti码，STBC频域均衡波形（2×1 FDE）的循环前缀为16，其他参数三者均相同。信道为110C标准中要求的两种典型信道：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]。假设同步及信道估计均为理想，且三种系统发射总功率相同，即两种STBC系统单根发天线的发射功率为SISO发射功率的一半。BER性能对比如图3所示。图中虚线表示译码前的误码率，实线表示译码后的误码率。

图3 600 b/s速率下STBC与SISO的BER对比

由图3可以看出，在AWGN信道下STBC频域均衡波形与其他两种波形性能基本相当；在多径衰落信道下，STBC频域均衡波形性能比STBC时域均衡波形略差，相差最大不超过1 dB，但相对于SISO波形性能改善明显，在10-4误码率条件下，STBC频域均衡波形性能优于SISO波形了4 dB以上。且实际使用时，STBC两根发天线的发射机采用满功率发射，总发射功率提高一倍，则系统可靠性可进一步提升。

运算量方面，单载波STBC频域均衡的主要运算为每个数据帧内6次FFT及2次IFFT，而STBC时域均衡的主要运算为信道矩阵分解求逆，因此STBC频域均衡的运算量远低于时域均衡，更利于工程实现。