空形編碼技術(shù)在超寬帶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引  言

超寬帶(UWB)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展很快的一種新型無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其采用極窄脈沖串來(lái)攜載信息，因此，UWB信號(hào)具有相對(duì)較低的中心頻率和極寬的頻譜寬度。典型UWB信號(hào)的相對(duì)帶寬至少為20％，絕對(duì)帶寬超過(guò)500 MHz。其超寬的帶寬使接收信號(hào)具有十分良好的時(shí)間分辨能力，具有很好的衰落抑制能力，易于Rake接收機(jī)的使用，以實(shí)現(xiàn)多徑分集。而相對(duì)較低的中心頻率使UWB信號(hào)具有穿透某些物質(zhì)的能力。這些特點(diǎn)使UWB系統(tǒng)成為短距離、高速率室內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信的很好選擇，同時(shí)，由于其較低的發(fā)射功率和超寬的帶寬，使其具有十分良好的低截獲／檢測(cè)性能，非常適用于戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信。美軍已經(jīng)研制出具有極低的截獲和檢測(cè)概率的UWB戰(zhàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)，而且UWB采用的脈沖通信體制已經(jīng)在美軍高速航空數(shù)字通信中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，因此很有必要進(jìn)行此方面前瞻性研究。

現(xiàn)在，在多輸入多輸出(MIMO)信道上實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)募夹g(shù)已得到了很大的發(fā)展，它采用多個(gè)發(fā)射以及接收天線(xiàn)為無(wú)線(xiàn)通信提供更大的系統(tǒng)容量。在給定系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，MIMO系統(tǒng)進(jìn)一步采用空時(shí)編碼技術(shù)，通過(guò)合理地選擇編碼，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域上的分集；而發(fā)射端和接收端采用多天線(xiàn)，則提供了空間分集。這大大增加了頻譜效率，并且用較低的復(fù)雜性(所有發(fā)射端的編碼和接收端的處理都可以用線(xiàn)性處理實(shí)現(xiàn))獲得了分集增益和編碼增益。這樣在不影響性能的情況下分集的負(fù)擔(dān)就轉(zhuǎn)移到了發(fā)射端。

本文的研究將致力于兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上引入波形域分集的概念，提出超寬帶空形編碼方案，這將拓展常規(guī)空時(shí)編碼的概念。在軍事和民用通信應(yīng)用中均具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在軍事通信中應(yīng)用前景非常廣泛。

1 模擬空時(shí)碼編碼方案

為了提高超寬帶通信系統(tǒng)的性能，文獻(xiàn)[2]提出了基于空時(shí)分組碼的模擬空時(shí)碼(因?yàn)樯婕暗椒��?hào)內(nèi)的脈沖波形編碼所以叫做模擬空時(shí)碼)，針對(duì)于兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的情況，給出了兩種編碼方案。下面就具有兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和一個(gè)接收天線(xiàn)的系統(tǒng)，以單用戶(hù)PAM調(diào)制介紹模擬空時(shí)碼。假定多徑信道是塊衰落的(blocking fading)，即在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)保持不變，之后則可隨機(jī)變化；通過(guò)選擇合適的幀持續(xù)時(shí)間Tf，避免出現(xiàn)幀間干擾和符號(hào)間干擾；傳送一個(gè)符號(hào)所用的脈沖數(shù)(即時(shí)間幀數(shù))是偶數(shù)；多根天線(xiàn)傳送的信號(hào)的總能量與單發(fā)單收時(shí)一根天線(xiàn)傳送的能量相同。

本方案在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)兩根發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送同一符號(hào)s。第一根天線(xiàn)發(fā)送的信號(hào)為：

式中：ε為兩根天線(xiàn)發(fā)射的總能量，系數(shù)2是為了保持與單天線(xiàn)發(fā)射相同的功率。

2 空形編碼方案

通信中除了空間、時(shí)間、頻率等資源外，還有傳輸可用的波形，可以考慮在空間域和波形域添加合適的冗余實(shí)現(xiàn)新形式的編碼：空間-波形編碼(空形編碼)。本節(jié)擬在前一節(jié)空時(shí)編碼研究的基礎(chǔ)上，采用波形形狀編碼思路，實(shí)現(xiàn)空形編碼，并討論其在超寬帶通信中的應(yīng)用。下面就具有兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和一個(gè)接收天線(xiàn)的系統(tǒng)，以單用戶(hù)PAM調(diào)制介紹空形編碼，假定條件與模擬空時(shí)碼假設(shè)條件相同。

2.1 系統(tǒng)模型

本方案基于模擬空時(shí)碼編碼方案提出了利用不同天線(xiàn)發(fā)射不同脈沖波形間正交性的空形編碼方案，在同一時(shí)刻不同天線(xiàn)發(fā)射相同符號(hào)。該方案的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

如圖2所示，第一根天線(xiàn)使用的調(diào)制脈沖為ω0(t)，第二根天線(xiàn)使用的調(diào)制脈沖為硼ω1(t)，這兩個(gè)脈沖在時(shí)域上是標(biāo)準(zhǔn)正交的，即：

式中：Nf為一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的幀數(shù)；ε為發(fā)送符號(hào)的總能量；s為待發(fā)送符號(hào)。

采用最大似然檢測(cè)，在給定信道g0(t)，g1(t)的情況下，最大似然比的條件誤比特率為：

由此可知，空形編碼方案分集增益為L(zhǎng)，而編碼增益為βL／2。空形編碼方案I的分集增益是單發(fā)單收UWB系統(tǒng)的兩倍，但編碼增益卻損失了3 dB。從理論分析上看空形編碼方案和模擬空時(shí)碼編碼方案的性能是一樣的，下面對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明。

2.2性能仿真

在相同條件下對(duì)模擬空時(shí)碼編碼方案(AnalogueSTC)和空形編碼方案(SSC)進(jìn)行仿真。采用超寬帶CMI信道模型，信道參數(shù)選擇為簇平均到達(dá)率Λ=0.023 3；脈沖平均到達(dá)速率λ=2.5；簇的功率衰減因子Γ=7.1；簇內(nèi)脈沖的功率衰減因子γ=4.3；簇的信道系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σε=3.394 1；簇內(nèi)脈沖的信道系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σζ=3.394 1；信道幅度增益的標(biāo)準(zhǔn)偏差σg=3。Rake接收機(jī)采用P-Rake，其抽頭數(shù)L=16。假設(shè)兩正交脈沖ω0，ω1。為Hermite一階和兩階脈沖，脈沖寬度Tw=0.5 ns，Tf=300 ns，Nf=10，脈沖波形如圖3所示。模擬空時(shí)碼編碼方案所用脈沖為高斯單脈沖，性能仿真如圖4所示。

3  結(jié)語(yǔ)

如圖4 所示，模擬空時(shí)碼編碼和空形編碼在相同條件下性能相同，空形編碼方案不同的天線(xiàn)上分別采用不同的脈沖，利用不同脈沖波形間的正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集，而模擬空時(shí)碼不同天線(xiàn)上采用同一種脈沖，天線(xiàn)間的發(fā)射分集是通過(guò)符號(hào)內(nèi)幀間脈沖編碼實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)同一時(shí)刻從兩根天線(xiàn)上發(fā)送相同符號(hào)時(shí)，基于空形編碼方案的空間一波形域發(fā)射分集可以取代基于模擬空時(shí)碼的空間-時(shí)間域發(fā)射分集�？招尉幋a方案比模擬空時(shí)碼編碼方案具有更簡(jiǎn)單的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，并且空形編碼方案在每幀內(nèi)不同天線(xiàn)發(fā)射的符號(hào)都是正交的，所以當(dāng)信道在幀與幀之間隨機(jī)變換時(shí)同樣可以獲得空間分集增益，即空形編碼方案適合快衰落信道，而模擬空時(shí)碼編碼方案只適合塊衰落信道(一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)幀與幀間的信道是不變的，不同符號(hào)周期間信道是隨機(jī)變換的)。