并行组合扩频技术在散射通信中的应用

陈 浩,丁 丹

(1.航天工程大学 电子与光学工程系,北京 101416;2.中国人民解放军93448部队,天津 300270)

0 引言

现代军事作战背景下,快速反应能力强弱决定着作战功能能否有效实现,因此对部队抗毁能力和机动性有很高的要求。散射通信(Scatter Communication)容易跨越沙漠、山区、沼泽湖泊等地形复杂且人烟稀少的区域[1],在超视距分散部署的部队通信体系中占有重要地位。随着各类通信业务的爆发式增长,散射通信信道日益复杂,频谱资源也日益宝贵,在使用中也存在一些突出矛盾。

现有散射通信系统所能承载的数据传输速率无法完全满足部队需求,导致对光纤等有线通信方式的依赖日益加强;散射信道特性随地域气候变化明显,且依托对流层传输使接收端产生明显的多径效应[2],同时潜在敌方主动干扰和复杂电磁环境使得传输需要更加稳定可靠。

扩频是一种常用的通信抗干扰手段,但扩频技术本身会占用大量的频谱资源,且直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)的传输效率很低。在此基础上,并行组合扩频(Parallel Combined Spread Spectrum,PCSS)作为一种并行传输的扩频手段,在兼顾系统抗干扰能力的同时可以大幅提升传输效率,在带宽较大的散射系统中可以很好地满足所需性能,有着良好的应用前景。

1 并行组合扩频系统模型

并行组合扩频通信方式(PCSS)是中国科技大学朱近康教授提出的一种并行通信方式[3]。与直接扩频技术相比,并行组合扩频技术在继承了传统扩频技术的低截获、抗干扰能力强等优点以外,极大地提高了通信传输速率,其工作原理如图1所示。

图1 并行组合扩频系统原理

PCSS系统中,发射端首先将需要传输的目标信息进行串并处理,得到分段的并行数据,根据并行数据,在数据-序列映射器中从预先储存的扩频序列PNi(PN1,PN2,…,PNM)中选择合适的r个,之后将选出的序列及所含极性(+1/-1)进行时域叠加,后调制载波发送。

在接收端对接收到的信号进行对应解调,在M个相关器中与PNi序列进行相关运算,并对相关值进行判决,选取其中前r路作为输出,即筛选出发送端选用了哪些序列作为组合(共r条),通过数据-序列逆映射器对序列组合信息和相关值极性进行判断,通过逆映射得出对应的数据信息,然后对应的进行并串变换,完成数据传输。这样在一个扩频序列周期,可以传送的信息量为:

(1)

其中[·]表示取整数运算。设系统带宽为B,信息速率为Rb,扩频序列的长度为LS,扩频码片的码片宽度为Tc,因此可知扩频周期可以用LS×Tc表示,频带利用率η=Rb/B。若直接扩频系统在每个扩频周期内传输1 bit数据,可以得出DSSS与PCSS的Rb、η表达式。PCSS和DSSS通信系统信息速率和频带利用率对比如表1所示。

表1 PCSS和DSSS通信系统信息速率和频带利用率对比

并行组合扩频技术一直受到学者们的广泛关注,在与现有其他通信领域的结合方面进行了深入研究。目前,并行组合扩频在水声通信系统、短波传输、测距系统、透地信息传输等领域上都有广泛的应用。

2 散射传输特性分析

对流层散射信道自发现以来,散射通信就被视为一种极具潜力的远距离通信方式,引起各国军方的重视。随着20世纪50年代第一个具有实用意义的散射通信系统建立,各国的研究学者迅速进行改良后,60年代时散射传输即开始在军事通信领域上得到应用。延续至今,散射通信系统从初期的大型化、大口径天线、大功率、低频段、固定式的战略级通信手段,逐步转变为目前的小型化、小口径天线、小功率、高频段、可移动式的战术级通信手段。

散射信道中,由于对流层中充满了不规则的湍流运动,能把入射无线电波的能量向四面八方再辐射出去,接收端接收到的散射信号就是收发天线方向公共范围空间中的一部分无线电波。散射信号在传播过程中会经历不同程度传输损耗和衰落,而且由于其利用对流层不均匀性作为传播手段,会存在明显的多径效应。因此,本文重点关注散射的损耗特性和多径特性。

2.1 散射传输损耗

与其他无线通信方式不同,散射对流层的不均匀性和复杂性,使得不同地域、气候、季节下的信道损耗差异明显。一般而言,特定地域气候下的对流层湍流运动越稀疏,其气象因素损耗越大,冬季时的损耗也大于夏季;在增大散射距离和传输频率时,损耗一般也随之加大。

为改善对流层散射通信传输损耗特性,提高散射设备性能,可以针对性采取、优化系统参数、改进不同环境下的不同调制解调方式等方面提升PCSS系统抗噪能力:优化系统参数是对于不同散射信道选取合适的M和r值,来改进原有误比特率公式;改进不同环境下的不同调制解调方式是选取适宜散射传输的调制方式,在接收端改进解调方法以提高准确率。

2.2 散射传输衰落

散射信号具有快衰落特性[4],表现为信号在短时间内的起伏变化,多径效应是其传输衰落的典型特点。由于大部分散射传输设备在使用时双方均为固定式通信台站,故不再讨论多普勒频移衰落。本文主要对频率选择性衰落进行分析。

散射信道为典型的多径衰落信道,频率选择性衰落严重[5],经过对流层信道后,在接收端会存在不同时间的多个不同的窄脉冲信号,它们叠加起来就成了一个展宽的波形,造成接收信号在时域的多径时延扩展。在并行组合扩频散射系统中,如果多径延迟时间τj与扩频周期TC之间存在τj≪TC关系,由于PCSS系统中扩频序列具有尖锐的自相关性,只有本地伪随机码序列与发送端的伪随机码同步时信号才会进行解扩处理,可以忽略多径影响;但如果τj>TC或τj≈TC,此时其余路径信号仍然对主路径信号造成负面效应。

假设在对流层散射后有L个不同路径的信号先后到达接收端,在不考虑干扰的前提下,对于并扩后的不同多径信号在时域分量进行叠加,在接收端表示为:

(2)

分别以多径信号数为5、7、9时,对系统误码率进行仿真。图2可以看出在多个多径信号影响下,PCSS系统在低信噪比条件下的稳定性较差,误码率很高,随着信噪比不断提升,系统误码率才迅速下降。这说明多径效应对并行组合扩频散射系统有着较为明显的影响。

图2 多径信道下系统误码率变化

3 关键技术环节研究

3.1 适用的并行组合扩频序列

Gold码集合与Walsh码集合是比较经典的并行组合扩频序列。Gold序列在m序列基础上,将m序列优选对进行模二加得到的;Walsh序列由哈达码矩阵产生,矩阵的每一行、每一列均正交,Walsh序列之间互相正交。将Gold序列与Walsh序列(序列周期长度均为128)的自相关值进行仿真后,仿真图3表明,Gold码和Walsh码都具有较好的自相关特性,但Walsh码由于其特有的序列产生方式,如果扩频序列的中码片向两侧延迟,在相同周期内存在相似的自相关峰值,考虑到散射对流层传输过程中存在明显的多径效应,其延迟量会对接收端解扩判决有很大的影响,不太适用于散射传输。

图3 Gold序列与Walsh序列自相关特性

3.2 适用的并行组合扩频M、r参数

假设系统已经同步,扩频序列选取优选的Gold序列,其长度为128。以并行组合扩频系统常用的M=16为例,r分别在2～5取值。在AWGN信道中对系统误码率进行仿真对比。图4的结果说明,在白噪声条件下,随着信噪比不断提高,越小r的取值,系统性能与较大的相比越有着较为明显的优势,所以综合误码率进行考虑,在散射传输中限制r的取值为2或3为宜。

相比r值,M值的变化对系统误码率影响不太明显。但过大的M数会影响传输时的硬件复杂度,对工程实现提出了更高要求,相应增大通信系统的设计难度和经济成本,应在明确目标性能的前提下,进而确定满足要求的最低M取值。

3.3 适用的RAKE接收技术

1958年,R.Price和P.E.Green提出了RAKE接收的概念[6],RAKE接收实质是对时域上多径脉冲的时间分集,在高频段和系统带宽远大于信道多径相干带宽的散射传输中有很强的适用性。多径信号被同时送入多个相关器中,扩频序列良好的自相关特性使得各个路径信号可以被分离出来。对各径进行延迟同相对齐,按照一定规则合并起来,充分利用多径能量,把原来的干扰信号变成有用信号,实现“变害为利”。

典型的RAKE接收机由多个相关器组成,假设系统带宽为W,接收到信号的最大时延为τmax,则接收相关器个数N必须满足:

(3)

因此,在较宽带宽的散射信道中,其相关器个数会非常大,也意味着系统会变得非常的复杂。同时,从散射传输信道特性考虑,虽然在对流层传输会产生较多路的多径信号,但多径分支增加到一定程度的时候,对接收信号性能的改善变化也没有那么明显。可以在典型的RAKE接收机中增加一个多径信号预估计部分,如图5所示,在接收所有的有效多径支路的基础上,可以按照预估能量大小将信号进行主动选择,去掉干扰和噪声大得多径路径,同时根据散射传输需要提前设置L个接收相关器,只对主动选择后的L个多径信号进行同步合并,从而大幅减少相关器个数。

图5 主动预估计式RAKE接收机结构

本文以L=7为例,加入主动预估计的RAKE接收技术,在判决合并步骤中采取选择式合并方式进行处理,利用仿真软件观察多径效应影响有无削弱。图6的结果说明,引入RAKE接收技术后,系统误码性能有了明显改善,说明该模块对系统稳定性有着正面的积极作用,可应用在下一步系统散射传输实现当中。

图6 引入RAKE接收后系统误码率

4 结语

虽然目前散射系统在通信传输速率方面需要进一步提升,但散射传输的优点决定了其仍是一种超视距部署下不可或缺的战术通信手段。PCSS技术在水声通信、测距系统和短波频段的运用已经证明其在提升信息传输速率上的巨大作用。在散射通信中采用PCSS技术能够改善性能不足,同时在复杂电磁环境和战时潜在敌方干扰背景下,结合PCSS技术后散射传输可以在系统调制解调方式、参数设置和扩频序列优化等方面进行改进,保证散射传输稳定可靠,能够在指挥单位和火力单位之间准确传输数据。

本文针对军事散射传输的数据高传输速率需求和稳定性要求高的现实实际,通过研究并行组合扩频技术和散射传输特性,对基于PCSS的散射通信关键环节进行分析,力求改善上述不足,为PCSS技术在散射通信方面的应用提供基础和一定参考依据。