基于空间分集的自适应选频散射传输技术

刘 莹，韩明钥，宋迎东

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

由于散射信道存在严重的快衰落，必须依靠分集技术才能有效克服其对信号传输造成的损伤［1］。目前常用的分集方式(如空间与频率分集相结合)均为开环、前馈式，各分集支路只能平均分配发射功率，由于信道衰落使得各支路接收电平可能存在高达20 dB的差距，瞬时接收电平较低的支路对分集合并的贡献甚微，导致系统整体功率利用率偏低，因而限制了每分集支路检测门限的进一步降低［2-4］。

对此提出了基于对流层散射信道认知的复合分集技术，即通过对散射通信设备中每路空间分集信号的实时传输质量认知，选出衰落最小的频率，并将相应发射机功率全部集中在该最佳工作频率上发射，从而达到提高系统功率利用率、降低每分集支路检测信噪比的目的。

1 自适应选频技术原理

自适应选频技术就是指在通信过程中，发送方在信道中多个可用的工作频率上进行周期性探测，并根据接收方对探测信号的回应确定信号传输损耗最低的频率——最佳频率，作为当前的通信频率。当系统在各选定频率上的持续通信时间显著小于信道的时不变区间时，采用自适应选频技术可用选择式分集合并的效果来描述［5、6］。

由于采用自适应选频技术的散射通信设备能够始终在当前链路传输损耗最低的频率上发射全部功率，因此与采用其他分集方式的散射通信设备相比具有更高的功率利用率，从而在衰落信道中可获得更好的误码性能。

2 基于空间分集的自适应选频技术

采用自适应选频技术的散射通信系统的基本工作流程如图1所示。为了克服自适应选频技术在面临信道平坦衰落时可能导致的性能下降，并进一步降低每分集支路的检测门限，首次提出了空间分集自适应选频体制，它是将空间分集与自适应选频有机结合在一起的一种复合分集方式，该方式能够在不增加系统工作带宽的前提下比单独采用自适应选频体制获得更加充分的分集效果，是一种新颖而高效的分集方式。

图1 自适应选频协议流程

以2重空间分集基础上的M重自适应选频技术体制为例，其分集效果可按照2重空间分集最大比合并的M重选择式分集合并方式进行描述。为2重空间分集最大比合并加M重选择式分集接收系统模型，如图2所示，它包含2个空间分集支路，每个空间分集支路内包括M个独立的分集通道，即共有2 M个独立的分集通道，各个通道均为瑞利衰落，且衰落特性是统计独立的。

图2 分集接收系统模型

根据图2所示，sik(t)表示发送到第i个空间分集支路上第k个选择式分集信道的信号，对任意i(i≤2)、k，sik(t)有相同的能量，在信道传输过程中受到信道衰落{αike-jφik}以及噪声nik(t)的影响，其中{αike-jφik}表示第i个空间分集支路上第k个独立通道的衰减因子和相移，nik(t)表示该信道上的加性高斯白噪声，经过信道传输后得到的信号送至接收机。在接收端完成信号检测后，将第1个空间分集支路上M个独立通道的检测信号e11(t)、……、e1M(t)与第2个空间分集支路上M个独立通道的检测信号e21(t)、……、e2M(t)分别进行2重最大比合并，然后从得到的M个支路合并信号e1'(t)，……eM'(t)中选择具有最大信噪比的一路信号输出判决。

假设所有支路的平均信噪比R11、……、R1M、R21、……、R2M相同，均为R，则上述模型中2重最大比合并输出端信噪比的概率密度为:

每个最大比合并支路的信噪比r小于一个给定门限的累积概率分布函数如下:

则上述2重最大比合并得到的M条支路再经过选择式合并输出信噪比r，其小于给定门限的概率等于所有M条支路均小于给定门限的累积概率分布，即:

对上式微分可得基于2重最大比的M重选择式合并信号瞬时信噪比的概率密度:

即基于2重最大比的M重选择式合并信号瞬时信噪比的概率密度如下:

根据式(6)所示通过概率统计方法求取平均误码率的原理，可得采用2DPSK调制、相干检测方式，基于2重最大比的M重选择式分集合并接收信号的平均误码率表达式为:

以目前美军大量装备的AN-TRC170(V3/V5)型散射通信设备为例，该设备采用的是2重空间分集×2重频率分集技术体制，如通过基于2重空间分集的自适应选频技术对其进行改进，根据式(7)可得，在瑞利衰落信道条件下，采用2DPSK调制、相干检测方式时改进前后的系统性能如图3所示。

图3 2重空间分集自适应选频体制与170V3/5的性能仿真

由此可见，采用改进方案后系统性能得到了改善，且随着自适应选频频点数量的增加，性能增益也随之显著增加。

3 性能测试

在相同的散射调制解调器平台下，分别加载2重空间分集自适应选频和2重空间分集×2重频率分集两种抗衰落波形，2种波形均采用3/4码率的TPC编码，并通过SR5500型无线信道模拟器设置接近真实对流层散射信道的瑞利多径信道模型，其性能对比如图4所示。

图4 2重空间分集自适应选频体制与170V3/5的性能测试

由图4可以看出，采用2重空间分集自适应选频技术体制的波形在误码率为1×10-5时，与采用2重空间分集×2重频率分集的波形相比，信噪比改善达5 dB左右，显著提升了散射通信设备的抗衰落平稳传输能力。

4 结束语

针对散射通信中接收信号的时变快衰落特性，提出了一种将自适应选频技术与空间分集相结合的新型分集方式——基于信道认知的空间分集自适应选频传输技术，并将该技术体制与传统的空间分集×带内频率分集的抗衰落体制进行了对比。测试结果表明，在瑞利衰落条件下该技术平滑信道快衰落能力优异，若用于典型现役轻型散射通信站的技术改造可取得明显的效果。

［1］ 张明高.对流层散射传播［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［2］ 秦建存.对流层散射通信自适应选频技术研究［D］.北京:北京交通大学，2010.

［3］ 李荣海.一种适于散射自适应选频通信的信号分析［J］.无线电通信技术，2006，32(3):32-33.

［4］ 李正伟.数字对流层散射通信链路传播可靠度工程计算［J］.无线通信技术，2010(2):41-43.

［5］ 甘启光.认知无线电在散射通信中的初步应用［J］.电子科技，2009(9):28-30，38.

［6］ MIL-STD-188-141B-1999，Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency［S］.