联合战术无线电系统WNW波形研究

彭大展，张 晶

(武汉中原电子集团有限公司，湖北武汉430205)

0 引言

随着世界各国的军事通信系统建设和发展，越来越需要指挥控制系统的技术体制实现互联互通互操作，各种信息系统与指挥、武器控制系统实现信息交联、信息资源共享和较强的协同处理能力等等。这些需求迫切需要一体化的体系结构框架。

美军国防部于1997年启动了联合无线电系统(JTRS)计划，该计划的最初目标是为海陆空各军兵种提供系列电台，电台工作频段为2 MHz～2 GHz，可进行话音数据和视频通信，具有保密和抗干扰功能，并可与现役系统兼容。美国国防部拟用JTRS取代现有的25～30个系列的共75万电台，使独立的军种电台项目集成为联合开发项目。

波形技术是JTRS关键技术之一，对于未来宽带数据(网络)电台而言，波形的物理层技术和MAC层组网贡献了军用战术电台的主要性能。JTRS覆盖了机载、地面移动、固定站、海上通信和个人通信五个应用领域，共26个型号种类及32种波形［1］，其中JTRS各种波形中WNW贡献了最高传输速率，结合当前宽带网络的发展趋势，WNW是本文重点研究的波形。

1 WNW分析建模和设计研究

1.1 宽带网络波形实现需求

宽带网络波形WNW是美军JTRS电台波形库中一种新型波形协议标准，它还将成为美国各军种及海岸警卫队的默认互通波形，是美国战术互联网的基础。宽带网络波形WNW的主要功能包括具有针对战场恶劣条件而设计的自适应宽带数据传输能力、网络吞吐量、系统带宽、工作频段及应用范围。

从前述参考文献中可看到，为适应不同作战环境的使用需求，宽带网络波形WNW目前采用4种空间信号/模式，根据战术环境的运行条件人工进行模式转换。波形的4种工作模式的信道带宽都是可变的，根据不同信道情况和应用要求变换带宽，以提高频谱利用率和减少宽带干扰的引入。在4种工作模式中，OFDM平时的工作模式传输速率为55 kbps～13.74 Mbps，贡献了宽带网络最高的传输速率，是宽带网络波形WNW的当前主要工作模式，这里重点对宽带网络波形WNW的OFDM工作模式进行仿真建模和波形设计。

JTRS WNW波形功能需求有:①波形应用目标为高容量主干网络;② 最大网络吞吐量2 Mbps;③系统带宽为1.2～30 MHz可选，数据传输速率可变;④ 工作频率为225～400 MHz、1 350～1 390 MHz、1 755～1 850 MHz(其中功放频率范围在225～960 MHz、1 350 ～ 1 850 MHz);⑤ 空间信号/模式为OFDM–宽带、带宽效率、LPI/LPD–低速率扩展波形、AJ–宽带抗拥塞、低效率和BEAM–窄带应用;⑥算法复杂度和处理负载能力为USAP/TDMA和路由选择-具备930MIPS;⑦网络规模为能到达1 630节点;⑧应用场景为空对空370 km、空对地/表层370 km、地对地10 km、船对船28 km和船对岸边支柱28 km。

1.2 波形建模设计

OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的载波上，每个载波上的调制速率很低(1/N)，调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护。

SCFDE作为一种同OFDM原理和对信号处理流程十分类似的调制方式，可认为是WNW波形物理层宽带调制方案的候选者之一。SCFDE基本原理是发送端发送单载波调制信号，接收端将接收信号由时域变换到频域，再进行频域均衡，然后将均衡后的信号变换回时域进行检测判决等操作。

这里将SCFDE和OFDM发射机和接收机实现基本框图进行对比，具体如图1所示。

图1 WNW SCFDE VS.OFDM发射机和接收机基本框图

由图1可以看到，OFDM接收端相对SCFDE要简单，其发射和接收结构复杂度基本平衡。SCFDE发射结构简洁，但是接收复杂度很高。两者的差别在于IFFT的位置，OFDM的IFFT位于发射端用于形成多载波信号，SCFDE的IFFT位于接收端，将频域信号变换成时域信号。

针对1.1节的 WNW波形实现需求，将对OFDM和SCFDE两种宽带调制方式进行了建模和设计，参考文献［2-4］，具体参数和设计如下:

①在2008年WNW就已经达到了2 Mbps的系统吞吐量，5 MHz带宽［11］，且 JTRS于2009年5月给出了各种波形要求，因此这里系统带宽设为5 MHz;

②调制方式为QPSK，信道编码采用卷积码编码和维特比译码，卷积码编码器为(2，1，3)，码率为1/2，维特比译码采用汉明距离硬判决方式;

③系统抽样频率为5 M Samples/s;FFTSize=512，CP长度为20，高斯信道下符合上行的CP长度远小于符号长度的1/4;子载波间隔计算为5 M/512=9.765 625 kHz;

④信道为高斯白噪声信道;

⑤信道估计为理想信道估计;

⑥均衡方式选择适合高斯信达下Zero-forcing迫零算法;

⑦检测判决在无编码情况下为硬判决;

⑧数据速率，已知OFDM数据速率计算公式如下:数据速率=符号速率*数据子载波个数*每符号的比特数*码率，这里OFDM数据速率 =(1/(106.4 μs))*492*2*(1/2)=4.6 Mbps，完全符合1.1节OFDM工作模式中数据速率需求;

⑨通用假设信号发射功率归一化;

⑩ 支持工作频点225～400 MHz。

JTRS电台按照不同运行领域涉及到WNW波形的电台包括:地面域的地面移动无线电台GMR、机载和海上域的小型机载AMF-SA，再根据上述的应用场景，结合无线电磁波信号传播中Line-of-Sight和 point-to-point的考虑［2］。仿真波形设计重点考虑常用的Ground-To-Ground 10 km的场景，这里采用简化的高斯信道模拟。

1.3 仿真结果分析及性能对比

根据1.2节的仿真建模和参数设计，主要考虑了OFDM、SCFDE以及OFDM+卷积码＆维特比译码三种仿真场景，实现了波形建模，仿真误符号率性能曲线如图2所示。由图2仿真曲线结果可知，在高斯信道条件下，OFDM和SCFDE符号误码性能几乎相同，高斯信道常用于评价系统性能的上界能力，这里可以看到两种调制方式的性能很接近，这里将OFDM和信道编码结合(卷积码编码和维特比译码)，由图2可看到在信噪比不到5 dB、误符号率SER大概10%这个界限之后将会有一个陡降，这里体现了信道编码纠错和抗突发性脉冲的能力，因此性能在同样条件下会好于SCFDE。

图2 OFDM、OFDM+信道编码、SCFDE高斯信道性能比较

一般将OFDM与信道编码技术相结合，即通常所说的COFDM。COFDM一般具有较强的抗干扰性和比较高的频谱利用率，在频率选择性衰落信道中能够很好解决OFDM所未解决的瑞利分布衰落问题，因此相对于高斯信道来说，频率选择性信道下OFDM+信道编码将会比SCFDE+信道编码有更强的抗多径衰落的性能［5］，并且使用范围更广。

这里不考虑SCFDE+信道编码，是考虑到图1中SCFDE接收端IFFT和FFT两个模块，计算量庞大，增加了译码过程，在卷积码生成矩阵较大时译码工作量较大。因此考虑了发射和接收复杂度相对平衡的 OFDM去增加信道编码，提升了系统的可靠性。

这里将OFDM和SCFDE从几个维度结合JTRS军用战术电台实际进行性能对比和优劣分析，如下:

(1)峰均比PAPR

SCFDE在直接在时域产生了单载波调制信号，降低了对线性功放的要求。

OFDM固有的峰均比问题使其不适合低功率、小体积的手持电台的应用，实际中有通过利用相位调制技术来实现恒包络CE-OFDM，即将OFDM信号调制到恒包络载波信号相位中，使得PAPR趋于0 dB［6］，来消除功放输入补偿问题，已有国外L-3通信公司Nova研究组和美国USCD大学合作实现了恒包络CE-OFDM，将WNW波形移植到手持电台中去［7］，但从前文应用场景可看，现有Ground-to-Ground场景主要适用于地面移动车载电台，而非手持式，如果将现有的抑制PAPR的技术(典型的信道编码技术［8］、信号失真技术与信道编码结合和峰值抵消［9］等)运用到OFDM中去，在工程实现上实时性强且操作较简单。

(2)同步问题

OFDM系统对频偏敏感差于SCFDE，前者会引入检测判决符号之间的干扰，而后者只会降低有用信号能量;但SCFDE定时同步和OFDM相比更为敏感，SCFDE接收端经过IFFT后是在时域上进行符号检测判决，则对接收端定时同步要求高。

(3)承受脉冲干扰容限不同

脉冲干扰持续时间很短但能量很高，OFDM系统中各子载波上信号是整个OFDM符号周期内积分的结果，从而分散了脉冲干扰的高能量，而SCFDE系统是单载波信号，如果数据符号被干扰击中，则很难恢复。在军用战术通信环境中，突发的脉冲干扰状况是不时会发生的，则需要更可靠的波形方式。

(4)自适应机制

根据WNW的实现需求，军用通信中重点强调的是抗干扰、高动态性及高可靠性，除了前述中的信道编码来抗干扰，根据注水定理，如果OFDM考虑加入自适应机制，即发射端能够通过反馈信道获得信道信息，则可根据信道传输函数自适应选择各子载波上信号调制方式和发射功率来逼近Shannon信道容量，但是SCFDE没有为子载波间功率分配提供这种自适应的灵活性。

1.4 WNW软件无线电波形实现

当前对于JTRS军用战术电台宽带网络波形WNW基于软件通信体系结构SCA进行了波形设计，主要选择的是OFDM调制方式。可以看到有相关的文献［10］对于WNW基于JTRS的SCA规范进行了软件无线电的实现，包括了硬件和软件及处理器的设计，提出了考虑在SDR-3000 Platform来实现WNW波形;美国Harris公司在WNW开发中时，开发的“自适应网络宽带波形ANW2”用于本公司研制的AN/PRC-117G电台，性能上提供了大部分WNW功能，但比WNW更为精炼;美国的L-3通信公司Nova工程研究组更是开发出WNW OFDM the flexCommTMDR-4000 Platform［11］，全 面 实 现 了WNW的基本功能，并且该公司对于PAPR问题也进行了OFDM演进技术研究来完善［7］用于JTRS手持电台中。

2 基于USAP组网基本原理和实现方案

从1.1节中可以看到WNW波形是采用统一时隙分配协议USAP进行JTRS电台自组网，USAP是宽带数据(网络)电台针对Ad-Hoc网络属于MAC层的动态自组网的分布式TDMA时隙和信道分配协议。

USAP将时隙分配机制和高层协议区分开来，并且设计了一种通过选择时隙和协调不同层之间的交互作用的通用协议，适用于不同高层在邻居间选择时隙，由于USAP的这种性能可以将不同高层协议联系起来，因此称为是统一的［12］，每个节点都有一定的通信距离，处于其范围之内的节点被称为邻居节点。

USAP时隙分配的关键在于邻节点间控制信息的交互和更新，每个节点都可以通过本地时隙分配信息表知道本节点所在邻域内的时隙分配情况，该协议的帧结构划分如图3所示。

图3 USAP协议帧结构

USAP帧结构由N帧组成一个帧循环，每帧划分为M个时隙。这里N和M都是固定值。每帧的第一个时隙分配给一个固定的节点用于发送控制分组(Net Manager Operational Packet，NMOP)。因此，USAP允许网络中最多有 N个节点，并且每个节点在每一个帧循环中都能发送NMOP。NMOP分组包括如下信息:

STi(s，f):如果节点i在分配的(时隙，信道)发送数据，则值为1;否则为0。

SRi(s，f):如果节点i在分配的(时隙，信道)接收数据，则值为1;否则为0。

SNTi(s，f):如果节点i的邻节点中有一个节点在分配的(时隙，信道)发送数据，则值为1;否则为0。

通过节点之间NMOP分组的交互，每个节点接收到一个新的NMOP包时都会对本地的时隙分配信息进行更新，并在下一个帧循环中对应的控制时隙发送更新后的NMOP包，这样将本地时隙分配信息发送至两跳范围内邻节点，而本节点也知道两跳范围内邻节点的时隙占用情况，所以一个帧循环内每个节点都知道一帧中没有分配的时隙和可以分配给自己的时隙。

当节点有时隙需求时通过查到本地时隙分配表，选择可以用的时隙并将占用时隙的信息发送给邻节点，所有邻节点都确认该节点可以占用选择的时隙时，节点即可以在选择的时隙中发送数据分组，在控制分组不丢失的情况下该分配是没有冲突的。

在文献［12］基础上，又有了针对战术通信环境中适应自组织的无线网络需求，能够动态地提供点对点、多跳和多媒体的通信方式，则出现了改进的TDMA 分配协议［13］，称为 USAP-MA/MBA，这里是提出了一种最优化的RDB(receiver-directedbroadcast)时间分配方案。

JTRS作为最新的和涵盖各类波形的战术电台，其中WNW波形提供了最大的数据传输速率，因此十分需要一种匹配MAC层的数据链路的机制，文献［14］提出了一种MDL(移动数据链路)来面对有限的信道资源、挑战性的吞吐量和数据延迟要求以及变化的链路环境。

MDL提供了使用适应性TDMA的宽带网络波形信道访问，来有效地调度数据传输。由于信道资源的稀缺性，信道被空间重用并集中于最佳位置的节点来减轻拥塞。由于允许其选中的节点来桥接不同的信道，分配TDMA时隙和竞争时隙都提供了单播和多播覆盖来优化在相同信道中的可操作节点群。传输参数可被调节以响应空间信号(SiS)提供的信号强度和误码率量度变化。

MAC层技术的目标是用于解决各用户无冲突地访问无线信道、传输数据。MDL实现思想包括了ODMA多址接入、队列及流量控制、信道优先级调度、USAP资源管理以及链路自适应，相对于复杂多变的军用战术通信环境，MDL相对之前TDMA时隙分配协议［12，13］更加完善，根据不同的配置参数能更好地适应不同的军用战术通信环境。

3 结束语

针对当前军用战术电台最新JTRS电台中的宽带网络波形WNW，进行了波形设计和仿真建模，并分析了宽带网络主流的OFDM和SCFDE两种调制方式的仿真结果和性能对比，结合当前业界JTRS WNW软件无线电平台实现及军用战术电台的应用需求，提出OFDM和信道编码结合的物理层方案在高斯信道及频率选择性衰落信道中能更有效地对抗突发性脉冲，承受脉冲干扰容限上优于SCFDE，并能合理抑制峰均比PAPR，虽然增加了接收端频率同步的代价，但是总体上能满足并适合于WNW的波形实现和工程实践。

作为适用于JTRS电台WNW波形多跳自组网的USAP协议，分析了基本原理和实现方案，在协议本身基础上可以结合更完善的MDL移动数据链模式来实现动态自组网TDMA时隙分配，更有利于JTRS军用战术电台Ground-to-Ground等应用场景联合组网。

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