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)是近年來發(fā)展很快的一種新型無線通信技術(shù)，其采用極窄脈沖串來攜載信息，因此，UWB信號具有相對較低的中心頻率和極寬的頻譜寬度。典型UWB信號的相對帶寬至少為20％，絕對帶寬超過500 MHz。其超寬的帶寬使接收信號具有十分良好的時間分辨能力，具有很好的衰落抑制能力，易于Rake接收機的使用，以實現(xiàn)多徑分集。而相對較低的中心頻率使UWB信號具有穿透某些物質(zhì)的能力。這些特點使UWB系統(tǒng)成為短距離、高速率室內(nèi)無線通信的很好選擇，同時，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／檢測性能，非常適用于戰(zhàn)場無線通信。美軍已經(jīng)研制出具有極低的截獲和檢測概率的UWB戰(zhàn)場通信系統(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)字通信中實現(xiàn)了應(yīng)用，因此很有必要進行此方面前瞻性研究。

現(xiàn)在，在多輸入多輸出(MIMO)信道上實現(xiàn)無線傳輸?shù)募夹g(shù)已得到了很大的發(fā)展，它采用多個發(fā)射以及接收天線為無線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)進一步采用空時編碼技術(shù)，通過合理地選擇編碼，可以實現(xiàn)時域上的分集；而發(fā)射端和接收端采用多天線，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性處理實現(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擔(dān)就轉(zhuǎn)移到了發(fā)射端。

本文的研究將致力于兩項技術(shù)進行有機的結(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 模擬空時碼編碼方案

為了提高超寬帶通信系統(tǒng)的性能，文獻[2]提出了基于空時分組碼的模擬空時碼(因為涉及到符號內(nèi)的脈沖波形編碼所以叫做模擬空時碼)，針對于兩個發(fā)射天線的情況，給出了兩種編碼方案。下面就具有兩個發(fā)射天線和一個接收天線的系統(tǒng)，以單用戶PAM調(diào)制介紹模擬空時碼。假定多徑信道是塊衰落的(blocking fading)，即在一個符號時間內(nèi)保持不變，之后則可隨機變化；通過選擇合適的幀持續(xù)時間Tf，避免出現(xiàn)幀間干擾和符號間干擾；傳送一個符號所用的脈沖數(shù)(即時間幀數(shù))是偶數(shù)；多根天線傳送的信號的總能量與單發(fā)單收時一根天線傳送的能量相同。

本方案在一個符號周期內(nèi)兩根發(fā)射天線發(fā)送同一符號s。第一根天線發(fā)送的信號為：

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

2 空形編碼方案

通信中除了空間、時間、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)空時編碼研究的基礎(chǔ)上，采用波形形狀編碼思路，實現(xiàn)空形編碼，并討論其在超寬帶通信中的應(yīng)用。下面就具有兩個發(fā)射天線和一個接收天線的系統(tǒng)，以單用戶PAM調(diào)制介紹空形編碼，假定條件與模擬空時碼假設(shè)條件相同。

2.1 系統(tǒng)模型

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

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

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

采用最大似然檢測，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，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碼編碼方案的性能是一樣的，下面對其進行實驗證明。

2.2性能仿真

在相同條件下對模擬空時碼編碼方案(AnalogueSTC)和空形編碼方案(SSC)進行仿真。采用超寬帶CMI信道模型，信道參數(shù)選擇為簇平均到達率Λ=0.023 3；脈沖平均到達速率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

如圖4 所示，模擬空時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上分別采用不同的脈沖，利用不同脈沖波形間的正交性來實現(xiàn)發(fā)射分集，而模擬空時碼不同天線上采用同一種脈沖，天線間的發(fā)射分集是通過符號內(nèi)幀間脈沖編碼實現(xiàn)的，因此實驗證明，當(dāng)同一時刻從兩根天線上發(fā)送相同符號時，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碼的空間-時間域發(fā)射分集�？招尉幋a方案比模擬空時碼編碼方案具有更簡單的收發(fā)機結(jié)構(gòu)，并且空形編碼方案在每幀內(nèi)不同天線發(fā)射的符號都是正交的，所以當(dāng)信道在幀與幀之間隨機變換時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，而模擬空時碼編碼方案只適合塊衰落信道(一個符號周期內(nèi)幀與幀間的信道是不變的，不同符號周期間信道是隨機變換的)。