基于空时分组码的Link-16全空域增强传输方案

许凯嘉 黄巍 查雨希 王军

1．电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室四川成都611731

数据链作为信息化战争的基石,将战场上的作战要素连成一个有机整体[1].Link-16 数据链是将遍布陆海空的战场感知系统、指挥自动化系统、火力打击系统和信息攻击系统等作战要素联为一个有机整体的信息网络系统,是实现战场信息共享、缩短指挥决策时间、快速实施打击的保障[2].当飞机间利用Link-16 进行信息交互时,在一些场景下,传统的单天线通信模式存在信号受机翼和机身遮挡影响导致通信质量下降,严重时无法正常通信的问题.

针对机体对通信信号的遮蔽问题,文献[3]仿真研究了飞机的机腹和机背天线方向图受飞机结构的影响,发现空地数据链路存在飞机通信“盲区”;文献[4]分析了不同飞行方向和机身遮挡的影响,指出飞行方向与信号方向越接近,相关性越强,信道容量越小,采用空时编码对机身遮挡可起到抑制作用;文献[5−6] 对机体遮挡现象进行了建模和分析,文献[6]所提模型能够准确刻画固定遮挡造成的电磁波传播损耗,可为飞机上通信天线的安装位置设计提供参照.为应对机体遮挡信号导致通信质量下降的问题,文献[7]提出利用双天线进行信号接收,通过能量检测,选择信号能量大的天线进行接收;文献[8−9]提出通过对比同步序列相关峰的大小,选择双天线中未被遮挡的天线进行通信,实验证明双天线接收能有效解决机体遮挡时造成数据通信断续的问题.由于发射信号也可能被机体遮挡,仅采用双天线接收并不能实现全空域通信.在高斯信道下,文献[10]针对天线被机身遮挡的问题,提出采用多天线和空时分组码(Space-Time Block Code,STBC)技术来实现飞机与地面之间可靠通信的方案,仿真证明该技术可以有效解决机身对天线的遮挡问题.文献[11] 在文献[10]的基础上,进一步考虑了衰落信道的影响,证明多天线和STBC 还可有效对抗多径衰落的影响.文献[12]提出了STBC 在空时联合自适应调零技术中的应用.对采用Link-16 数据链的空空通信,尚未见公开的文献研究并提出解决机身遮挡收发信号的技术方法.

本文对空空通信中机身对通信信号的遮挡情况进行了分析,给出了4 种典型的场景.在此基础上,提出在机背和机腹各安装一幅天线的双天线通信方法,以克服机身对通信信号的遮挡.为了避免采用频分或时分发射信号导致的频谱效率损失,采用两发两收的STBC.同时,根据Link-16 的数据封装格式,在每个脉冲的空闲部分加入导引符号用于信道估计.仿真结果表明:所提出的两发两收STBC Link-16 增强传输方案,可以有效克服空空通信中机身对信号的遮挡,实现全空域通信.

1 系统模型

1.1 场景分析

空空通信中,飞机间相对位置的变化将导致信号受到不同程度的机体遮挡,影响通信质量.为了实现全空域通信,考虑在机身和机腹各安装一幅天线,此时,机间通信可以分为4 种典型场景.

场景1.如图1(a)所示,飞机1 位于飞机2 的正下方时,只有飞机1 的机背天线与飞机2 的机腹天线可以正常通信,其余天线间由于机体完全遮挡不能正常通信.

场景2.如图1(b)所示,当飞机1 与飞机2 有一定距离和高度差时,飞机1 的机背天线能与飞机2 的机腹天线正常通信;飞机1 与飞机2 的机背天线,飞机1 与飞机2 的机腹天线间可以进行通信,但由于受到机身的部分遮挡,信号质量将受到一定程度的影响;飞机1 的机腹天线与飞机2 的机背天线由于受到机身的完全遮挡不能通信.

场景3.如图1(c)所示,当飞机1 与飞机2 距离较远时,机体对天线的遮挡进一步减小.此时,飞机1的机背天线能与飞机2 的机腹天线正常通信;飞机1与飞机2 的机背天线,飞机1 与飞机2 的机腹天线间可以进行通信,由于受到机身的小部分遮挡,信号质量会有所下降;飞机1 的机腹天线与飞机2 的机背天线同样可以进行通信,但由于受到机身遮挡更严重,信号质量较差.

场景4.如图1(d)所示,当2 架飞机距离很远,或高度差较小时,机体对天线基本没有遮挡,飞机1与飞机2 的机背天线,飞机1 与飞机2 的机腹天线间可正常通信;飞机1 的机背天线与飞机2 的机腹天线,飞机1 的机腹天线与飞机2 的机背天线可进行通信,但由于受到机身的小部分遮挡,信号质量有一定下降.

根据上述4 种场景,可以建立一个如图2所示的传输模型,上述所有通信场景都可视为该模型的特殊情况.该2 发2 收系统可以建模如下:

式中,y=［y1,y2］T是接收信号矢量,H是2×2 的信道系数矩阵,其元素hij表示第j根发射天线与第i根接收天线之间的信道衰落系数.s是2×1 的发射信号矢量,且表示单位矩阵.n是均值为0,协方差矩阵为N0I的复高斯随机噪声向量.

图1 通信场景示意图Fig.1 Communication scenario diagram

1.2 时隙结构

为了在Link-16 中集成上述2 发2 收传输方案,并避免双天线传送相同数据时可能出现接收信号刚好相位反转,信号抵消的情况,可以采用多种方式.例如:两根发射天线分时或分频发射数据,两根接收天线同时接收.但这一方案会降低系统的频谱效率.为了不降低频谱效率,对待传输的数据进行码率为1的STBC,并在每个Link-16 脉冲的空闲部分加入导引序列用于信道估计.为此,需要对Link-16 时隙结构进行适当改进.

改进后的Link-16 标准双脉冲封装格式如图3所示.在Link-16 标准脉冲时隙结构的基础上,在不发送任何信息的2×6.6 us 中插入导引序列,用于接收端的信道估计.采用的导引符号长度NP=32,导引符号矩阵采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)矩阵,其第(m,i)个元素为

图2 2 发2 收双天线传输模型Fig.2 2-output 2-input double antenna transmission model

若机间相对运动速度为4 M,工作频率为1.2 GHz,则最大多普勒频移为5 440 Hz,信道相干时间约为77.8 us.相干时间远大于一个脉冲的持续时间13 us,因此,可以假设在一个脉冲时间内为信道保持恒定,为准静态衰落信道.另一方面,假设飞机机身直径为3 m,则两天线最大传输时延约为10 ns,远小于一个Link-16 码片持续时间200 ns,因此,可以不用考虑双天线间的多径时延问题,将信道视为平坦衰落信道.

1.3 接收信号模型

采用2 发2 收的Alamouti STBC[13],编码矩阵为:

其中,s1、s2是输入比特映射的两个符号.在某时刻符号s1、s2分别在天线1、2 上发送,在下个时刻两个天线上发送的符号分别为和.则双天线单个脉冲编码后的数据如图4所示.

图3 加入空时导引序列的标准双脉冲时隙结构Fig.3 Standard double-pulse slot structure with space-time pilot sequence added

图4 双天线STBC 编码方式Fig.4 Double antenna STBC encoding method

用Y1,Y2表示在两个连续码片符号时间接收的同一个STBC 码字的信号,有

其中,信道矩阵H为:

2 接收算法设计

由式(5)可得:

综合式(4)和式(7),可得:

其中,

则

于是,对式(11)进行信道均衡,即可恢复发射信号.

2.1 信道估计

为了根据式(11)恢复发射信号,需要估计出信道矩阵H.利用导引符号进行信道估计[14].在训练阶段,有

其中,yP是2×NP的接收信号矩阵,sP是2×NP的导引符号矩阵,nP是2×NP的复噪声矩阵,且nP具有独立同分布的项.对于最大似然(Maximum Likelihood,ML)信道估计,已知最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)意义下的最优导引符号矩阵是行正交矩阵,即:

式中,Ep是每个导引符号的能量.本文采用的FFT矩阵满足行正交矩阵的要求.此时,估计得到的信道矩阵可以表示为

其中,信道估计误差矩阵

是信道估计误差的矩阵.

2.2 信号检测

综合考虑性能和复杂度的折中,采用迫零均衡算法[15].根据式(11)理想信道估计下,得到均衡后的数据为:

此时,接收机处的信噪比S NR=ha·(Es/N0).当采用估计的信道矩阵式(14)进行均衡时,经过推导有

其中,4 × 2 的矩阵∆H' 由每个信道系数的估计误差参照H' 排列得到.显然,由于信道估计误差,实际均衡后的信噪比S NR'=这里,相应由∆H'HH'计算得到.

3 仿真结果

仿真采用Link-16 标准双脉冲格式,空空通信采用Rician 信道模型[16].不同场景的信道设置如下:场景1 为飞机1 位于飞机2 正上方时的通信场景,仿真中假设只有一条信道能正常通信(莱斯因子为15 dB),其余信道的信道系数皆为0;场景2 为飞机1和飞机2 有一定距离和高度差时的通信场景,仿真中假设有一条信道能正常通信(莱斯因子为15 dB),有两条信道质量较差(莱斯因子为1 dB),最后一条信道的信道系数为0;场景3 为飞机1 和飞机2 距离较远时的通信场景,仿真中假设有一条信道能正常通信(莱斯因子为15 dB),有两条信道质量一般(莱斯因子为3 dB),最后一条信道质量较差(莱斯因子为1 dB);场景4 为2 架飞机距离很远或位于相同高度时的通信场景,仿真中假设有两条信道质量很好(莱斯因子为15 dB),其余两条信道质量较好(莱斯因子为10 dB).具体参数如表1所示.

仿真对比了各种场景下双天线的性能与单天线(仿真假设天线架设于飞机背部)的性能.为了验证信道估计和均衡的可行性,同时给出了理想信道估计时双天线的性能.仿真结果如图5所示.

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

从仿真结果可以看出:所有场景下,双天线的性能都与理想信道估计的性能接近,验证了导引符号设计和信道估计的有效性.图5(a)给出了场景1 下的性能,由于机体遮挡影响,只有一条信道可以通信,信道条件很差,单天线不能正常通信,但双天线可以进行通信.图5(b)给出了场景2 下的性能,由于机体遮挡的影响较为严重,信道条件较差,因此,双天线较单天线性能有较大的提升.可以看出,仿真条件下,在信噪比为16 dB 时,双天线误码率达到10−4,优于单天线3 个数量级.图5(c)给出了场景3 下的性能,由于机体遮挡相对于前两种场景影响更小,信道条件更好,因此,双天线较单天线性能提升相对较小.可以看出,仿真条件下,在信噪比为15 dB 时,双天线误码率达到10−4,优于单天线2 个数量级.图5(d)给出了场景4 下的性能,由于机体遮挡对通信基本没有什么影响,信道条件很好,因此,双天线与单天线性能相近.

4 结论

针对单天线Link-16 数据链空空通信受机体遮挡影响导致通信质量下降的问题,提出了基于两发两收STBC 的解决方案.分析了4 种典型的通信场景,在Link-16 数据链的基础上,设计了集成Alamouti STBC 的脉冲结构和信号处理方法,并对每种场景下的通信性能进行了仿真.从仿真结果可以看出,在机体遮挡严重、信道条件恶劣的情况下,本文采用的STBC 方案相对于传统的单天线有明显的性能增益,可实现机载全空域通信.