聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)WNW波形研究

彭大展，張 晶

(武漢中原電子集團有限公司，湖北武漢430205)

0 引言

隨著世界各國的軍事通信系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展，越來越需要指揮控制系統(tǒng)的技術(shù)體制實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作，各種信息系統(tǒng)與指揮、武器控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息交聯(lián)、信息資源共享和較強的協(xié)同處理能力等等。這些需求迫切需要一體化的體系結(jié)構(gòu)框架。

美軍國防部于1997年啟動了聯(lián)合無線電系統(tǒng)(JTRS)計劃，該計劃的最初目標是為海陸空各軍兵種提供系列電臺，電臺工作頻段為2 MHz～2 GHz，可進行話音數(shù)據(jù)和視頻通信，具有保密和抗干擾功能，并可與現(xiàn)役系統(tǒng)兼容。美國國防部擬用JTRS取代現(xiàn)有的25～30個系列的共75萬電臺，使獨立的軍種電臺項目集成為聯(lián)合開發(fā)項目。

波形技術(shù)是JTRS關(guān)鍵技術(shù)之一，對于未來寬帶數(shù)據(jù)(網(wǎng)絡(luò))電臺而言，波形的物理層技術(shù)和MAC層組網(wǎng)貢獻了軍用戰(zhàn)術(shù)電臺的主要性能。JTRS覆蓋了機載、地面移動、固定站、海上通信和個人通信五個應(yīng)用領(lǐng)域，共26個型號種類及32種波形［1］，其中JTRS各種波形中WNW貢獻了最高傳輸速率，結(jié)合當前寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，WNW是本文重點研究的波形。

1 WNW分析建模和設(shè)計研究

1.1 寬帶網(wǎng)絡(luò)波形實現(xiàn)需求

寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW是美軍JTRS電臺波形庫中一種新型波形協(xié)議標準，它還將成為美國各軍種及海岸警衛(wèi)隊的默認互通波形，是美國戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW的主要功能包括具有針對戰(zhàn)場惡劣條件而設(shè)計的自適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、系統(tǒng)帶寬、工作頻段及應(yīng)用范圍。

從前述參考文獻中可看到，為適應(yīng)不同作戰(zhàn)環(huán)境的使用需求，寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW目前采用4種空間信號/模式，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境的運行條件人工進行模式轉(zhuǎn)換。波形的4種工作模式的信道帶寬都是可變的，根據(jù)不同信道情況和應(yīng)用要求變換帶寬，以提高頻譜利用率和減少寬帶干擾的引入。在4種工作模式中，OFDM平時的工作模式傳輸速率為55 kbps～13.74 Mbps，貢獻了寬帶網(wǎng)絡(luò)最高的傳輸速率，是寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW的當前主要工作模式，這里重點對寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW的OFDM工作模式進行仿真建模和波形設(shè)計。

JTRS WNW波形功能需求有:①波形應(yīng)用目標為高容量主干網(wǎng)絡(luò);② 最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量2 Mbps;③系統(tǒng)帶寬為1.2～30 MHz可選，數(shù)據(jù)傳輸速率可變;④ 工作頻率為225～400 MHz、1 350～1 390 MHz、1 755～1 850 MHz(其中功放頻率范圍在225～960 MHz、1 350 ～ 1 850 MHz);⑤ 空間信號/模式為OFDM–寬帶、帶寬效率、LPI/LPD–低速率擴展波形、AJ–寬帶抗擁塞、低效率和BEAM–窄帶應(yīng)用;⑥算法復雜度和處理負載能力為USAP/TDMA和路由選擇-具備930MIPS;⑦網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為能到達1 630節(jié)點;⑧應(yīng)用場景為空對空370 km、空對地/表層370 km、地對地10 km、船對船28 km和船對岸邊支柱28 km。

1.2 波形建模設(shè)計

OFDM的基本原理是將高速信息數(shù)據(jù)編碼后分配到并行的N個相互正交的載波上，每個載波上的調(diào)制速率很低(1/N)，調(diào)制符號的持續(xù)間隔遠大于信道的時間擴散，從而能夠在具有較大失真和突發(fā)性脈沖干擾環(huán)境下對傳輸?shù)臄?shù)字信號提供有效的保護。

SCFDE作為一種同OFDM原理和對信號處理流程十分類似的調(diào)制方式，可認為是WNW波形物理層寬帶調(diào)制方案的候選者之一。SCFDE基本原理是發(fā)送端發(fā)送單載波調(diào)制信號，接收端將接收信號由時域變換到頻域，再進行頻域均衡，然后將均衡后的信號變換回時域進行檢測判決等操作。

這里將SCFDE和OFDM發(fā)射機和接收機實現(xiàn)基本框圖進行對比，具體如圖1所示。

圖1 WNW SCFDE VS.OFDM發(fā)射機和接收機基本框圖

由圖1可以看到，OFDM接收端相對SCFDE要簡單，其發(fā)射和接收結(jié)構(gòu)復雜度基本平衡。SCFDE發(fā)射結(jié)構(gòu)簡潔，但是接收復雜度很高。兩者的差別在于IFFT的位置，OFDM的IFFT位于發(fā)射端用于形成多載波信號，SCFDE的IFFT位于接收端，將頻域信號變換成時域信號。

針對1.1節(jié)的 WNW波形實現(xiàn)需求，將對OFDM和SCFDE兩種寬帶調(diào)制方式進行了建模和設(shè)計，參考文獻［2-4］，具體參數(shù)和設(shè)計如下:

①在2008年WNW就已經(jīng)達到了2 Mbps的系統(tǒng)吞吐量，5 MHz帶寬［11］，且 JTRS于2009年5月給出了各種波形要求，因此這里系統(tǒng)帶寬設(shè)為5 MHz;

②調(diào)制方式為QPSK，信道編碼采用卷積碼編碼和維特比譯碼，卷積碼編碼器為(2，1，3)，碼率為1/2，維特比譯碼采用漢明距離硬判決方式;

③系統(tǒng)抽樣頻率為5 M Samples/s;FFTSize=512，CP長度為20，高斯信道下符合上行的CP長度遠小于符號長度的1/4;子載波間隔計算為5 M/512=9.765 625 kHz;

④信道為高斯白噪聲信道;

⑤信道估計為理想信道估計;

⑥均衡方式選擇適合高斯信達下Zero-forcing迫零算法;

⑦檢測判決在無編碼情況下為硬判決;

⑧數(shù)據(jù)速率，已知OFDM數(shù)據(jù)速率計算公式如下:數(shù)據(jù)速率=符號速率*數(shù)據(jù)子載波個數(shù)*每符號的比特數(shù)*碼率，這里OFDM數(shù)據(jù)速率 =(1/(106.4 μs))*492*2*(1/2)=4.6 Mbps，完全符合1.1節(jié)OFDM工作模式中數(shù)據(jù)速率需求;

⑨通用假設(shè)信號發(fā)射功率歸一化;

⑩ 支持工作頻點225～400 MHz。

JTRS電臺按照不同運行領(lǐng)域涉及到WNW波形的電臺包括:地面域的地面移動無線電臺GMR、機載和海上域的小型機載AMF-SA，再根據(jù)上述的應(yīng)用場景，結(jié)合無線電磁波信號傳播中Line-of-Sight和 point-to-point的考慮［2］。仿真波形設(shè)計重點考慮常用的Ground-To-Ground 10 km的場景，這里采用簡化的高斯信道模擬。

1.3 仿真結(jié)果分析及性能對比

根據(jù)1.2節(jié)的仿真建模和參數(shù)設(shè)計，主要考慮了OFDM、SCFDE以及OFDM+卷積碼＆維特比譯碼三種仿真場景，實現(xiàn)了波形建模，仿真誤符號率性能曲線如圖2所示。由圖2仿真曲線結(jié)果可知，在高斯信道條件下，OFDM和SCFDE符號誤碼性能幾乎相同，高斯信道常用于評價系統(tǒng)性能的上界能力，這里可以看到兩種調(diào)制方式的性能很接近，這里將OFDM和信道編碼結(jié)合(卷積碼編碼和維特比譯碼)，由圖2可看到在信噪比不到5 dB、誤符號率SER大概10%這個界限之后將會有一個陡降，這里體現(xiàn)了信道編碼糾錯和抗突發(fā)性脈沖的能力，因此性能在同樣條件下會好于SCFDE。

圖2 OFDM、OFDM+信道編碼、SCFDE高斯信道性能比較

一般將OFDM與信道編碼技術(shù)相結(jié)合，即通常所說的COFDM。COFDM一般具有較強的抗干擾性和比較高的頻譜利用率，在頻率選擇性衰落信道中能夠很好解決OFDM所未解決的瑞利分布衰落問題，因此相對于高斯信道來說，頻率選擇性信道下OFDM+信道編碼將會比SCFDE+信道編碼有更強的抗多徑衰落的性能［5］，并且使用范圍更廣。

這里不考慮SCFDE+信道編碼，是考慮到圖1中SCFDE接收端IFFT和FFT兩個模塊，計算量龐大，增加了譯碼過程，在卷積碼生成矩陣較大時譯碼工作量較大。因此考慮了發(fā)射和接收復雜度相對平衡的 OFDM去增加信道編碼，提升了系統(tǒng)的可靠性。

這里將OFDM和SCFDE從幾個維度結(jié)合JTRS軍用戰(zhàn)術(shù)電臺實際進行性能對比和優(yōu)劣分析，如下:

(1)峰均比PAPR

SCFDE在直接在時域產(chǎn)生了單載波調(diào)制信號，降低了對線性功放的要求。

OFDM固有的峰均比問題使其不適合低功率、小體積的手持電臺的應(yīng)用，實際中有通過利用相位調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)恒包絡(luò)CE-OFDM，即將OFDM信號調(diào)制到恒包絡(luò)載波信號相位中，使得PAPR趨于0 dB［6］，來消除功放輸入補償問題，已有國外L-3通信公司Nova研究組和美國USCD大學合作實現(xiàn)了恒包絡(luò)CE-OFDM，將WNW波形移植到手持電臺中去［7］，但從前文應(yīng)用場景可看，現(xiàn)有Ground-to-Ground場景主要適用于地面移動車載電臺，而非手持式，如果將現(xiàn)有的抑制PAPR的技術(shù)(典型的信道編碼技術(shù)［8］、信號失真技術(shù)與信道編碼結(jié)合和峰值抵消［9］等)運用到OFDM中去，在工程實現(xiàn)上實時性強且操作較簡單。

(2)同步問題

OFDM系統(tǒng)對頻偏敏感差于SCFDE，前者會引入檢測判決符號之間的干擾，而后者只會降低有用信號能量;但SCFDE定時同步和OFDM相比更為敏感，SCFDE接收端經(jīng)過IFFT后是在時域上進行符號檢測判決，則對接收端定時同步要求高。

(3)承受脈沖干擾容限不同

脈沖干擾持續(xù)時間很短但能量很高，OFDM系統(tǒng)中各子載波上信號是整個OFDM符號周期內(nèi)積分的結(jié)果，從而分散了脈沖干擾的高能量，而SCFDE系統(tǒng)是單載波信號，如果數(shù)據(jù)符號被干擾擊中，則很難恢復。在軍用戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境中，突發(fā)的脈沖干擾狀況是不時會發(fā)生的，則需要更可靠的波形方式。

(4)自適應(yīng)機制

根據(jù)WNW的實現(xiàn)需求，軍用通信中重點強調(diào)的是抗干擾、高動態(tài)性及高可靠性，除了前述中的信道編碼來抗干擾，根據(jù)注水定理，如果OFDM考慮加入自適應(yīng)機制，即發(fā)射端能夠通過反饋信道獲得信道信息，則可根據(jù)信道傳輸函數(shù)自適應(yīng)選擇各子載波上信號調(diào)制方式和發(fā)射功率來逼近Shannon信道容量，但是SCFDE沒有為子載波間功率分配提供這種自適應(yīng)的靈活性。

1.4 WNW軟件無線電波形實現(xiàn)

當前對于JTRS軍用戰(zhàn)術(shù)電臺寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)SCA進行了波形設(shè)計，主要選擇的是OFDM調(diào)制方式?？梢钥吹接邢嚓P(guān)的文獻［10］對于WNW基于JTRS的SCA規(guī)范進行了軟件無線電的實現(xiàn)，包括了硬件和軟件及處理器的設(shè)計，提出了考慮在SDR-3000 Platform來實現(xiàn)WNW波形;美國Harris公司在WNW開發(fā)中時，開發(fā)的“自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)寬帶波形ANW2”用于本公司研制的AN/PRC-117G電臺，性能上提供了大部分WNW功能，但比WNW更為精煉;美國的L-3通信公司Nova工程研究組更是開發(fā)出WNW OFDM the flexCommTMDR-4000 Platform［11］，全 面 實 現(xiàn) 了WNW的基本功能，并且該公司對于PAPR問題也進行了OFDM演進技術(shù)研究來完善［7］用于JTRS手持電臺中。

2 基于USAP組網(wǎng)基本原理和實現(xiàn)方案

從1.1節(jié)中可以看到WNW波形是采用統(tǒng)一時隙分配協(xié)議USAP進行JTRS電臺自組網(wǎng)，USAP是寬帶數(shù)據(jù)(網(wǎng)絡(luò))電臺針對Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)屬于MAC層的動態(tài)自組網(wǎng)的分布式TDMA時隙和信道分配協(xié)議。

USAP將時隙分配機制和高層協(xié)議區(qū)分開來，并且設(shè)計了一種通過選擇時隙和協(xié)調(diào)不同層之間的交互作用的通用協(xié)議，適用于不同高層在鄰居間選擇時隙，由于USAP的這種性能可以將不同高層協(xié)議聯(lián)系起來，因此稱為是統(tǒng)一的［12］，每個節(jié)點都有一定的通信距離，處于其范圍之內(nèi)的節(jié)點被稱為鄰居節(jié)點。

USAP時隙分配的關(guān)鍵在于鄰節(jié)點間控制信息的交互和更新，每個節(jié)點都可以通過本地時隙分配信息表知道本節(jié)點所在鄰域內(nèi)的時隙分配情況，該協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)劃分如圖3所示。

圖3 USAP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

USAP幀結(jié)構(gòu)由N幀組成一個幀循環(huán)，每幀劃分為M個時隙。這里N和M都是固定值。每幀的第一個時隙分配給一個固定的節(jié)點用于發(fā)送控制分組(Net Manager Operational Packet，NMOP)。因此，USAP允許網(wǎng)絡(luò)中最多有 N個節(jié)點，并且每個節(jié)點在每一個幀循環(huán)中都能發(fā)送NMOP。NMOP分組包括如下信息:

STi(s，f):如果節(jié)點i在分配的(時隙，信道)發(fā)送數(shù)據(jù)，則值為1;否則為0。

SRi(s，f):如果節(jié)點i在分配的(時隙，信道)接收數(shù)據(jù)，則值為1;否則為0。

SNTi(s，f):如果節(jié)點i的鄰節(jié)點中有一個節(jié)點在分配的(時隙，信道)發(fā)送數(shù)據(jù)，則值為1;否則為0。

通過節(jié)點之間NMOP分組的交互，每個節(jié)點接收到一個新的NMOP包時都會對本地的時隙分配信息進行更新，并在下一個幀循環(huán)中對應(yīng)的控制時隙發(fā)送更新后的NMOP包，這樣將本地時隙分配信息發(fā)送至兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點，而本節(jié)點也知道兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點的時隙占用情況，所以一個幀循環(huán)內(nèi)每個節(jié)點都知道一幀中沒有分配的時隙和可以分配給自己的時隙。

當節(jié)點有時隙需求時通過查到本地時隙分配表，選擇可以用的時隙并將占用時隙的信息發(fā)送給鄰節(jié)點，所有鄰節(jié)點都確認該節(jié)點可以占用選擇的時隙時，節(jié)點即可以在選擇的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)分組，在控制分組不丟失的情況下該分配是沒有沖突的。

在文獻［12］基礎(chǔ)上，又有了針對戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境中適應(yīng)自組織的無線網(wǎng)絡(luò)需求，能夠動態(tài)地提供點對點、多跳和多媒體的通信方式，則出現(xiàn)了改進的TDMA 分配協(xié)議［13］，稱為 USAP-MA/MBA，這里是提出了一種最優(yōu)化的RDB(receiver-directedbroadcast)時間分配方案。

JTRS作為最新的和涵蓋各類波形的戰(zhàn)術(shù)電臺，其中WNW波形提供了最大的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此十分需要一種匹配MAC層的數(shù)據(jù)鏈路的機制，文獻［14］提出了一種MDL(移動數(shù)據(jù)鏈路)來面對有限的信道資源、挑戰(zhàn)性的吞吐量和數(shù)據(jù)延遲要求以及變化的鏈路環(huán)境。

MDL提供了使用適應(yīng)性TDMA的寬帶網(wǎng)絡(luò)波形信道訪問，來有效地調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸。由于信道資源的稀缺性，信道被空間重用并集中于最佳位置的節(jié)點來減輕擁塞。由于允許其選中的節(jié)點來橋接不同的信道，分配TDMA時隙和競爭時隙都提供了單播和多播覆蓋來優(yōu)化在相同信道中的可操作節(jié)點群。傳輸參數(shù)可被調(diào)節(jié)以響應(yīng)空間信號(SiS)提供的信號強度和誤碼率量度變化。

MAC層技術(shù)的目標是用于解決各用戶無沖突地訪問無線信道、傳輸數(shù)據(jù)。MDL實現(xiàn)思想包括了ODMA多址接入、隊列及流量控制、信道優(yōu)先級調(diào)度、USAP資源管理以及鏈路自適應(yīng)，相對于復雜多變的軍用戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境，MDL相對之前TDMA時隙分配協(xié)議［12，13］更加完善，根據(jù)不同的配置參數(shù)能更好地適應(yīng)不同的軍用戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境。

3 結(jié)束語

針對當前軍用戰(zhàn)術(shù)電臺最新JTRS電臺中的寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW，進行了波形設(shè)計和仿真建模，并分析了寬帶網(wǎng)絡(luò)主流的OFDM和SCFDE兩種調(diào)制方式的仿真結(jié)果和性能對比，結(jié)合當前業(yè)界JTRS WNW軟件無線電平臺實現(xiàn)及軍用戰(zhàn)術(shù)電臺的應(yīng)用需求，提出OFDM和信道編碼結(jié)合的物理層方案在高斯信道及頻率選擇性衰落信道中能更有效地對抗突發(fā)性脈沖，承受脈沖干擾容限上優(yōu)于SCFDE，并能合理抑制峰均比PAPR，雖然增加了接收端頻率同步的代價，但是總體上能滿足并適合于WNW的波形實現(xiàn)和工程實踐。

作為適用于JTRS電臺WNW波形多跳自組網(wǎng)的USAP協(xié)議，分析了基本原理和實現(xiàn)方案，在協(xié)議本身基礎(chǔ)上可以結(jié)合更完善的MDL移動數(shù)據(jù)鏈模式來實現(xiàn)動態(tài)自組網(wǎng)TDMA時隙分配，更有利于JTRS軍用戰(zhàn)術(shù)電臺Ground-to-Ground等應(yīng)用場景聯(lián)合組網(wǎng)。

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