联合战术通信网络中的无线协同传输技术

胡金锁，周国印，张迎，邵启红，冯晓容

(1.32180部队，北京 100072；2.武汉中元通信股份有限公司研究开发中心，湖北 武汉 430205)

0 引言

具有人工智能辅助决策能力和云计算支撑能力的装备(如无人机、无人车、5G计算及指控终端)使战术通信网络更加智能化、高效化。与此同时，网络规模的扩大和软硬件设备的异构性导致通信资源的协同变得异常复杂[1-5]。通信资源协同的范畴较为宽泛，从实现层级来分，包括能源层协同[6-7]、应用层协同[8-9]、网络层协同[10-14]、链路层及物理传输层协同[15-19]。相对民用通信系统而言，战术通信系统缺乏固定基础设施且机动性要求高，是诸多高层级协同理念难以直接应用的技术原因。

基于链路层及物理层的协同传输(CT)是网络协同支撑性技术，具有不依赖网络架构和战术应用形式的特点[20-21]。CT技术的分类包括：1)依协同设备使用方式可分为专用、非专用、辅助性设备，如卫星属于典型的专用中继协同设备；2)依协同跳数及拓扑关系可分为两跳、多跳、分布式、链式等，如自组网属于分布式多跳协同、微波接力机属于多跳链式协同[22]；3)依信息变化可分为透明中继、可再生中继协同；4)依协议处理层级分为物理层、链路层、网络层协同；5)依信号处理模型分为估计转发、压缩转发、译码转发、消除转发、聚集转发等类别。表1 为CT技术分类。

表1 CT技术分类

保持战术通信网络链路的通连性是研究CT技术的首要目的，具体包括：1)在链路变差情况下，通过有效措施使信噪比高于容忍极限，以保持通连；2)在链路中断或障碍遮挡情况下，通过配置单个或多个中继节点，完成越障通信。

1 问题提出

如图1所示，考虑战术行动中的一条动态通信链路(从运动源端S到运动目的端D)，因电磁波传播环境变化导致的链路变差或链路中断难以避免。为保证传输任务执行，考虑如下应对措施：1)采用多天线协同，即多输入多输出(MIMO)协同以提高链路稳定性和可靠性，需要明确收发天线数量及配置策略、复用和分集选择、多通道接收数据的合并依据；2)采用中继协同以提高链路的抗遮挡能力，需要明确中继节点数量和形态(如是否需要升空)、多中继空间位置与链路信号噪声功率比(SNR)的关系。

2 系统模型

链路中断概率预估和影响因素分析是CT技术应用的前置条件，作战想定是传输容量的设计依据和判定标准。单天线收发链路的信道容量C与信道带宽B、接收信号功率P及噪声功率N的关系由香农公式给出如下：

C=Blog2(1+P/N)

(1)

当信道环境发生变化(如传播距离变远、多径、遮挡、干扰等)时，接收端信噪比γ=P/N可视为随机分布变量。当γ值低于应用需求所确定的门限值γth时，链路承载容量过载，表现出链路中断状态。用φ(γ)表示信噪比γ的概率密度函数，则中断概率Po可表示如下：

(2)

若链路中断概率评估值较高或实际中断频发，则需要应用CT技术保障其通连性，如通过多天线MIMO协同或新增中继节点予以实现。

2.1 MIMO协同模型

立足于通信设备的模块化和标准化，单设备中配备多个通道(独立或非独立)是多天线MIMO协同的基础[15-16]。通过借鉴先进通信标准[17-20]，MIMO协同的技术探索已出现在战术自组网(Ad-Hoc)、宽带战术互联网、战术协同传输组网、战术通信抗干扰、雷达定位、无人机作战协同、军事医学仪器等领域。MIMO协同可获得的收益包括：1)容量增益，用于提高传输容量；2)分集增益，用于对抗信道衰落；3)阵列增益，用于提高接收信噪比；4)波束增益，用于抗干扰或者空间多址。MIMO协同的典型用法包括：通过分集提升链路可靠性，即降低传输误码率；通过复用提升链路容量，即提出传输负载能力。

考虑MIMO分集协同与链路可靠性的关系，即分集对误符号率(或误码率)的提升。在衰落信道中，如果存在L条接收分支，则需要把这些分支所接收的信号进行组合，以获得极大化的信号功率。从数学上看，分集接收的实质是将信道响应不相关的信号副本进行线性或非线性组合。常用的合并方法有3种：选择合并、等增益合并以及最大比合并。用rh(t)表示第h(h=1，2，…，L)条分支接收的信号副本，αh表示加权系数并满足功率归一化条件(即信号功率不变)，r(t)表示组合后的信号，

(3)

为便于分析比较，假定分支条数为L，各分支经衰落信道(Rayleigh信道或Rician信道)，则每条分支的平均信噪比可表示为

(4)

式中：Ωl表示功率衰减均值；Es为符号平均功率；N0为噪声功率密度；ks为每符号比特数；Eb为每比特平均能量。矩母生成函数(MGF)是在已知信噪比情况下求符号错误率(SER)的有效数学工具，在Rayleigh衰落情况下，每分支的MGF可用s变换表示为

(5)

(6)

式中：K为直达路径和散射路径的能量比值(即Rician因子)。利用MGF与SER之间的关系，则可得到在典型调制方式(M-PSK)下，在采用MRC方式进行合并时的SER解析表达式[23]如下：

(7)

式中：M为接收天线数；θ为积分变量。依据不同调制阶数，可根据SER求出比特错误率(BER)，得到MIMO协同前后链路误码率解析表示式(当L=1时表示协同前)。

考虑多天线协同导致的传输容量的变化。用N表示发射天线数，用n(n=1，2，…，N)表示发射天线序号，则第m副天线接收信号为N个分支(或副本/支路)信号和，每支信号为信道冲激响应hm,n(t)与信号sn(t)的卷积，即表示为

(8)

式中：ηm(t)为第m通道噪声。在窄带平坦衰落信道，即发射信号带宽远大于信号的多径信道的相干带宽，此时信道冲激响应可看作一个冲激函数(δ函数)，即

hm,n(t)=hm,n(t)δ(t)=hm,n(0)

(9)

第m副天线接收到的信号可用直接相乘代替卷积过程，即有

(10)

将(10)式进行如下处理：1)以时间t=kTs(Ts为抽样时间间隔)进行抽样，得到离散信号模型；2)用符号间隔内的信号能量Es与噪声能量ηt进行归一化处理，则离散时间MIMO系统模型为

(11)

式中：Y(k)为M维接收符号向量；H表示M×N阶信道响应矩阵；s(k)表示N维发射符号向量；η(k)表示M维加性高斯白噪声向量。

在各天线互相独立的条件下，N发M收的MIMO系统其信道容量[24]可表示为

(12)

式中：IM为M阶单位矩阵。不难发现，MIMO协同采用复用方式时，容量提高的理论极限值为M。

2.2 多跳中继协同模型

考虑对透明中继进行建模，以评估多跳协同后的SNR。如图2所示，源终端S发射信号中包含有用信号s0(t)和噪声n0(t)，经H跳到目的终端D并被接收。在第h(h=1,2,…,H)跳过程中，gh表示发送节点幅度增益，dh表示该跳传输距离，αh表示幅相衰减因子，nh表示接收到的加性噪声，Hop表示跳数。

该链路属于典型的级联结构，不难发现第h跳后的信号可表示为

sh(t)=ghαhsh-1(t)+nh(t)

(13)

sh(t)=κhs0(t)+hnT

(14)

(15)

矩阵n(t)维度为1×(h+1)，具体为

(16)

用γh表示第h跳后的信号信噪比，即可得

(17)

(18)

特别地，当H=2时，链路为基本的双跳中继链路，此时信号为

s2(t)=g2α2g1α1·s0(t)+

(19)

满足假定条件下的信噪比如下：

(20)

不难发现，协同透明中继后信噪比会随着级数增多而降低。对再生中继而言，节点在信号再生(译码再编码)过程中抑制了噪声的影响，多跳协同后的信噪比优于透明中继，且与中继节点收发机系统性能有关。

高层建筑的抗震效果与施工过程中的每个环节、每道工序也是息息相关的，因此我们在施工现场应高度重视施工中各个工序的管理工作，严格按照设计图纸和相关规范科学合理地安排每一个施工环节，确保建筑的工程质量满足抗震设计的要求。

3 仿真实验

为进行模型验证和效果评估，在Windows 10操作系统环境下，基于MATLAB仿真软件进行4组仿真实验，仿真信道环境包括高斯信道、多径衰落信道(瑞利信道模型、莱斯信道模型)，仿真配置依据具体协同模型。

3.1 MIMO协同

MIMO协同实验主要考虑为如何对数量有限的收发天线进行配置、不同空时编码方式、不同的链路合并形式对链路传输BER的影响。仿真参数为：1)调制方式采用BPSK调制；2)信道编码方案为无差分编码、无信道编码；3)分集合并方式采用MRC方案；4)功率分配采用等功率方案，即单天线发射功率1 W，双天线发射每个天线0.5 W；5)天线配置包括单发双收、双发单收及用于对比的单发单收。

3.1.1 实验1 双天线下发射分集与接收分集BER对比

用Tx和Rx表示发射和接收，现分析双发单收(2Tx，1Rx)和单发双收(1Tx，2Rx)的BER性能。对于双发单收(2Tx，1Rx)配置，为避免同时同频导致的自干扰，采用Alamouti空时编码分集方案。对于单发双收(1Tx，2Rx)配置，采用MRC方案，并与常规的单发单收(SISO)进行对比，结果如图3所示。

不难发现：1)与SISO方案相比，两种方案均有性能增益，且信噪比越高收益越明显；2)MRC(1Tx，2Rx)接收分集相比采用Alamouti(2Tx，1Rx)的发射分集具有3 dB的增益，这是因为将两种情况总发射功率设置相同导致的。如果调整发射功率，使这两种情况下的接收功率相同，则二者具有相同性能。

3.1.2 实验2 天线数量为4的分集方案仿真对比

考虑在战术通信系统架构中，需要评估不同的收发天线/通道配置所获得误码率性能，例如在4个天线可供配置的情况，需要考虑1发4收(1Tx,4Rx)分集方案、2发2收(2Tx,2Rx)分集方案以及4发1收(4Tx,1Rx)分集方案共3种情况的效果。仿真参数调制方式为QPSK，传输速率设置为相同的1位/(s·Hz-1)，信道模型为多径衰落信道(平坦衰落)，采用平坦衰落信道下SISO架构的BER理论值作为对比参考。在发射分集方案中，采用正交空时分组编码(OSTBC)进行1/2码率进行预编码；在2发2收(2Tx,2Rx)方案中，采用Alamouti方案；在1发4收(1Tx,4Rx)分集方案中，采用MRC方案，并假设能正确估计出各路信号的合并系数。仿真的Eb/N0范围设置为0～20 dB，仿真的BER取现结果如图4所示。

仿真结果表明：1)采用MIMO架构相比SISO架构具有非常明显的BER性能提升，如BER为10-2时MRC方案相对SISO可将Eb/N0的要求降低15 dB；2)基于OSTBC编码的发射分集方案比MRC准则接收分集的BER特性要差，表明在天线数量约束情况下，应选用接收分集以期待获得更好的效果，其原因在于发射分集无法避免自身连续干扰；3)Alamouti方案具有良好的折中性能，在获得比SISO更好性能的同时还能保证收发天线/通道配置的无差异性，是无差异节点进行组网的理想架构方案。

考虑瑞利衰落信道MIMO协同的BER性能，基于前述理论分析，图5绘出了BPSK调制方式在AWGN信道及衰落信道分集的对比。仿真实验表明：1)在衰落信道环境中采用协同方式能显著改善系统的端到端传输BER性能；2)理论上分支足够多时，多分支协同在衰落信道中的性能可以逼近AWGN信道，但基于性价比考虑，采用2～4分集即可在性能和成本方面进行较好的折中处理。

3.2 多跳协同

多跳协同实验主要考虑多跳对BER的改善及跳数与SNR的关系。

3.2.1 实验1 无协同(单跳)与有中继协同(双跳)的BER性能对比

两种场景下D-BPSK的仿真实验结果表明：1)在高SNR区域，两种场景下的误码率曲线斜率相同，表明两种方案具有相同的分集度；2)双跳链路的性能差别主要是由功率增益导致，如果不考虑两跳中继链路相比于传统的单跳链路的功率增益，则直传链路的性能会优于多跳场景。

3.2.2 实验2 协同链路的跳数与SNR之间的关系

依据前述理论分析，图7给出了协同链路的跳数与SNR之间的关系。仿真条件为：1)每节点采用等间距，即d相同；2)每节点之间假设电磁环境相同，即衰减因子α相同；3)源节点信噪比进行归一化处理为0 dB；4)考虑衰减补偿值gα(g为幅度增益，α为幅度衰减)3种典型情况，即大于1、小于1、等于1。

图7仿真结果表明：1)节点幅度增益g应需要补偿幅度衰减α的影响，即满足gα>1；2)当补偿增益g不够时，SNR损失与跳数呈近似线性关系；3)多跳的SNR损失主要是由前级导致的，当gα>2时，SNR与跳数关联较弱，即SNR损失很小。

4 系统实现

实现MIMO协同的源端和终端均需多通道数字接收架构。专用于中继的协同节点工作方式包括直接转发(AF)、线性放大转发(LF)、译码转发(DF)等，需要基于模拟硬件和数字硬件实现。LF在AF基础上增加预失真电路以保证转发信号的线性度，DF通过译码过程抑制了信号噪声，增加了处理步骤和处理时延。

4.1 收发机结构

典型的模拟硬件结构中继收发机包括收发天线、双工器、接收带通滤波器(R-BPF)、低噪声放大器(LNA)、频率综合器、频率变换器、线性处理器、带通滤波器(BPF)、功率放大器(PA)、发送带通滤波器(T-BPF)、电源等，如图8所示。模拟结构可用于AF、线性放大转发(LF)中继，由于信号不能存储，不能适用于时分转发(TDR)系统，应用设计主要考虑可编程频率偏移设计、可变功率设计、高隔离双工滤波器设计等。

典型数字硬件结构中继收发机在模拟硬件结构中继收发机基础上增加了信号处理、模数转换(ADC)、数模转换(DAC)、正交调制解调等模块，如图9所示。数字结构可用于透明中继和可再生中继，因具有存储功能，可用于TDR系统，应用设计主要考虑同步、内存、高速数据总线、基带协议栈、滤波器复用等。

4.2 实现复杂度

对不同结构进行复杂度(或成本)的评估是系统方案设计中需要考虑的实际问题。由于纯模拟结构不能实现任何可再生中继协议，其一般用于窄带系统，对时钟频率和放大器的要求均不是非常严格。两种结构对双工器均有很高的要求，尤其是频分中继方式，需要较高的收发隔离度防止系统内部干扰；LNA的复杂程度取决于信号带宽，带宽越大则保证信号线性度的难度越大；表2为两种结构主要模块(滤波器、时钟频率、功率放大器、信号处理、信号存储)的复杂度对比。

表2 硬件结构的复杂性对比

5 结论

本文在对现有通信协同方式进行分类对比的基础上明确了基于物理层和链路层的CT对战术通信的重要意义，确立了保持链路的通联性的战术CT准则。给出了典型的CT应用场景，建立了数学模型及数学分析、进行了仿真实验。提出了CT的模拟和数字硬件结构，并对硬件复杂度进行了对比。文中应用场景模型、理论及仿真验证、硬件架构及特点分析对于CT系统规划、项目设计及装备研制具有参考意义。