中等速率散射傳輸波形優(yōu)化設(shè)計

沈斌松，李志勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

對流層散射通信是一種利用對流層媒質(zhì)的不均勻性來實現(xiàn)超視距通信的通信方式［1，2］。其中以中等速率(2～4 Mbits/s)散射通信設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，而且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(包括同步數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IP數(shù)據(jù))所占其業(yè)務(wù)比重逐步增加。為保障數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的正常開展，系統(tǒng)應(yīng)滿足較高的誤碼率指標(biāo)(如PCM電話網(wǎng)要求優(yōu)于1×10－6)，以前能夠很好保證話音質(zhì)量的誤碼指標(biāo) 1 ×10－4已不合時宜［3－5］。

針對散射設(shè)備性能提升要求，本文提出一種中等速率散射傳輸波形優(yōu)化設(shè)計方案，基于雙發(fā)雙收、4重空間分集體制下散射通信設(shè)備，采用高效前向糾錯編碼(Forward Error Code，F(xiàn)EC)，同時增強隱分集效果，達(dá)到中等速率散射設(shè)備的性能提升。

1 散射信號處理方法對比

對流層散射通信信道為典型的多徑時變衰落信道［6］，接收信號處理方式主要有失真自適應(yīng)接收(Distort Adaptive Receiver，DAR)［7］和自適應(yīng)均衡(Adaptive Equalizer，AE)［8，9］2 種。目前中等速率散射設(shè)備普遍采用DAR信號處理方式，高速散射設(shè)備則大多采用AE信號處理方式。下面對DAR和AE散射信號處理方法進(jìn)行對比。

1．1 抗收發(fā)通道失真能力

在工程實踐中，收發(fā)通道非理想的傳輸特性以及無線信道的多徑傳播均會造成接收符號展寬，設(shè)計合理的接收機(jī)應(yīng)能夠抵抗符號展寬造成的碼間干擾。DAR要求發(fā)送信號基帶碼元留有抗碼間干擾保護(hù)間隔，基帶符號成型必須是完全響應(yīng)。收發(fā)通道上的各種失真如濾波器帶內(nèi)不平造成的接收符號展寬，若不超過保護(hù)間隔，DAR接收機(jī)仍可正常工作。但是，DAR接收機(jī)的抗碼間干擾保護(hù)間隔不可能大于1個符號，因此屬于“寶貴資源”，應(yīng)該用于消除信道引起的碼間干擾，大的發(fā)收通道幅頻特性畸變將嚴(yán)重影響接收性能。

AE的抗碼間干擾能力很容易達(dá)到4～8個符號周期，能夠容忍的由收發(fā)通道幅頻畸變引起的碼元擴(kuò)展不會高于2個符號，因此收發(fā)通道硬件設(shè)計上的瑕疵對AE接收機(jī)基本無影響。

1．2 隱分集效果

DAR接收機(jī)的相干參考是寬帶的，只要多徑擴(kuò)散不超過保護(hù)間隔，其相干參考的周期性仍然存在。當(dāng)線譜的頻率間隔較寬時，各頻點的衰落會出現(xiàn)不完全相關(guān)或完全不相關(guān)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生隱分集效果并構(gòu)成最佳接收機(jī)。各譜線間的頻差超出相關(guān)帶寬越大，隱分集效果越明顯。DAR體制對各個分集信號的合并是最佳合并，不存在噪聲非白化問題，反映在隱分集效果測試曲線(可通俗的稱為“盆型曲線”)上，“盆型”比AE體制“深”且“窄”。

AE的隱分集效果是基于Rake接收機(jī)理論的，如果發(fā)送符號持續(xù)時間小于多徑延遲間隔，則線性均衡器的抽頭延遲線具有分離多徑的能力，發(fā)送符號持續(xù)時間越小、符號速率越高、發(fā)送信號頻譜相對信道相關(guān)帶寬越寬，分離多徑效果越好。在隱分集效果測試曲線上，AE接收機(jī)反映為“盆型曲線”進(jìn)入盆底緩慢(2σ/T＞1．5)，但盆底平、寬(2σ/T 寬至7)。同時，由于線性均衡器對深選衰信號頻譜補償會放大噪聲分量，從而損失信噪比，其“盆型”比DAR“寬”，但略“淺”。典型“盆型曲線”對比如圖1所示，Eb/N0=9 dB，AE抽頭延遲線長度=6符號。

圖1 DAR與AE隱分集特點

2 散射通信信道下的FEC性能

散射信道是一種變參信道，接收電平的快衰落起伏可高達(dá)20 dB，誤碼圖案是集中成串出現(xiàn)的突發(fā)誤碼類型，瞬時誤碼率很大。隨著具有譯碼失效門限低的Turbo碼和低密度奇偶校驗［10］(LDPC)碼相繼問世以及數(shù)字信號處理能力的增強，散射通信采用FEC技術(shù)改善通信系統(tǒng)誤碼性能、提高系統(tǒng)傳播可靠度成為可能。

2．1 采用FEC的散射通信系統(tǒng)模型

一種典型的采用FEC的散射通信系統(tǒng)模型［11，12］如圖2所示。在發(fā)送端，待傳輸信息經(jīng)FEC編碼器編碼后同時送入u個發(fā)送通道;在接收端，采用v面接收天線和v個接收通道獲得m=uv個衰落不相關(guān)的發(fā)送信息的副本。由于路徑不同，此m個副本具有不同的隨機(jī)相位，相位服從［0，2π］上的均勻分布。經(jīng)過相位校正后，m個發(fā)送信號的副本同相相加送入檢測器，輸出的軟信息由FEC解碼器解碼恢復(fù)原始的發(fā)送信息。

圖2 采用FEC的散射通信系統(tǒng)模型

2．2 散射通信FEC性能

對于LDPC碼的高效FEC碼型，若采用諸如和積算法(Sum-Product Algorithm)的迭代譯碼方法［13］，其誤碼性能曲線并無閉式解，只能通過仿真或?qū)崪y獲得。碼長2 304 bit，碼率分別為3/4和1/2的LDPC碼誤碼性能曲線如圖3所示。由圖3可知，LDPC編碼的譯碼門限效應(yīng)非常明顯，信噪比在1 dB變化范圍內(nèi)，誤碼率由10－2陡降至10－7以下。

圖3 LDPC碼誤碼性能曲線

分集合并是散射通信的關(guān)鍵技術(shù)，F(xiàn)EC性能嚴(yán)重依賴分集合并的效果，采用上述2種LDPC碼，分集重數(shù)、每分集支路平均Eb/N0與BER的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，若設(shè)計指標(biāo)要求 BER優(yōu)于1×10－5，分集通道不應(yīng)少于3個;FEC是提高鏈路質(zhì)量的有效技術(shù)之一，在8重分集下，誤碼性能可從1×10－4降至1×10－6，可滿足大部分話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求，并且編碼增益與分集重數(shù)密切相關(guān)，分集重數(shù)越大，衰落平滑越充分，編碼增益越接近AWGN信道下增益。

圖4 散射通信FEC性能曲線

3 中等速率散射波形優(yōu)化設(shè)計

3．1 信號處理方式選擇

首先分析圖1所示的“盆型曲線”，其左側(cè)斜率表征了解調(diào)器分離多徑的精度，斜率越大進(jìn)入“盆底”越迅速、對延遲小的多徑分集越充分，在近距離或選衰不明顯的反常氣候條件下工作越穩(wěn)定。“盆型曲線”的深度表征解調(diào)器對多徑的利用能力，“盆底”越深，隱分集效果越明顯。由于氣候變化和人為因素的影響，散射信道的多徑展寬為一隨機(jī)變量，“盆型曲線”的底寬至少應(yīng)大于90%概率條件下的多徑展寬，其右側(cè)斜率越小越佳，傳輸質(zhì)量不會因為多徑時延展寬異常而導(dǎo)致誤碼性能急劇惡化。

在典型傳輸距離中等速率條件下，多徑時延展寬與信號周期比值2σ/T在0．2～0．5，采用DAR可獲得可觀的隱分集效果。但信道出現(xiàn)異常傳輸或采用FEC改善傳輸質(zhì)量時，DAR解調(diào)器的性能會急劇惡化。若采用AE處理方式，解調(diào)器可正常工作。因此，中等速率散射設(shè)備應(yīng)采用AE作為其信號處理方式，并盡可能提高其符號速率，使其工作在“盆底”區(qū)域，以獲取隱分集增益。

3．2 編碼方式選擇

LDPC是一大類性能可逼近香農(nóng)限的“好碼”，但應(yīng)注意，不同方法設(shè)計的碼字在長度、糾錯性能、誤碼平臺、譯碼迭代次數(shù)和編碼開銷等方面差異很大，因此應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求篩選。此外，多數(shù)仿真性能很好的碼型是不能硬件實現(xiàn)的，只有生成矩陣和校驗矩陣具有某些特殊數(shù)學(xué)規(guī)律的碼型才可能放入FPGA/ASIC之中。換言之，LDPC碼必須量體裁衣，碼型選擇、硬件實現(xiàn)一體化設(shè)計。

為提高符號速率，F(xiàn)EC編碼采用碼率1/2、碼長2 304 bit的LDPC編碼，該碼字的校驗矩陣具有準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，編譯碼硬件實現(xiàn)復(fù)雜度低，便于采用FPGA實現(xiàn)。在AWGN信道BPSK/QPSK調(diào)制方式的條件下，BER=1×10－6時LDPC的編碼增益約8 dB，誤碼平臺低于1×10－9。該碼字編碼前后的性能曲線交匯點在5×10－2，高的交匯點對于減少深衰落時由譯碼崩潰造成的突發(fā)誤碼具有重要的意義。同時該碼字引入的編譯碼時延小于3 ms，滿足設(shè)備使用要求。

為進(jìn)一步提升符號速率，同時采用曼徹斯特編碼，并且在解調(diào)端進(jìn)行曼徹斯特軟合并，從而不會由于符號速率提升而損失信噪比，達(dá)到增加2σ/T的目的。采用以上2種編碼后，符號速率提升4倍，2σ/T在1．6～4，已經(jīng)進(jìn)入“盆底”曲線，可獲得分集效果。

3．3 測試結(jié)果分析

為測試優(yōu)化設(shè)計波形在散射信道下的性能，按圖5搭建室內(nèi)測試平臺，其中由2臺Spirent公司的SR5500仿真器來模擬不同信噪比、不同衰落模型下的信道，使用4臺收發(fā)信機(jī)進(jìn)行射頻/中頻變換。

圖5 新波形室內(nèi)測試平臺

散射信道下測得的優(yōu)化設(shè)計波形隱分集性能曲線如圖6所示，Eb/N0=7 dB，AE抽頭延遲線長度=7符號。

由圖6可知，優(yōu)化設(shè)計波形在2σ/T=0．25時就已獲得了較好的隱分集性能，在2σ/T≥0．5時，達(dá)到“盆底”，由于分集充分，減少了大突發(fā)誤碼出現(xiàn)的概率，為FEC提供了一個誤碼分布較為均勻的平臺。優(yōu)化波形的“盆底曲線”與原DAR和AE不同:不需要寬的多徑彌散(2σ/T≥0．25)即可進(jìn)入盆底隱分集顯著區(qū)，而且“盆底曲線”平坦寬闊(寬至2σ/T=6)。該結(jié)果反映了新波形對不同氣候條件、不同通信距離引起的多徑彌散寬度變化有更好的適應(yīng)能力，在隱分集顯著區(qū)的工作穩(wěn)定性更好。

圖6 優(yōu)化設(shè)計波形隱分集性能曲線

中等速率波形優(yōu)化設(shè)計后，可獲得的益處總結(jié)如下:①獲得4～5 dB的編碼增益，并且處理時延小于3 ms;② 鏈路服務(wù)質(zhì)量大幅度提高2個數(shù)量級，低誤包率更適合IP數(shù)據(jù)傳輸，滿足PCM電話網(wǎng)遠(yuǎn)距離接續(xù)要求;③ 在相同的通信距離下，4～5 dB的慢衰落儲備可將年傳播可靠度從原95%提高至98%;④若在95%的年傳播可靠度下，通信距離可有15%的延伸。

4 結(jié)束語

本文從對流層散射信號處理以及FEC的原理出發(fā)，基于4重空間分集，結(jié)合散射鏈路參數(shù)，針對中等速率散射設(shè)備提出一種波形優(yōu)化設(shè)計方案，通過波形優(yōu)化設(shè)計并在散射信道下對優(yōu)化后波形的誤碼性能進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)計波形易于實現(xiàn)，散射信道下的誤碼性能優(yōu)越，可使設(shè)備能力提升4～5 dB，具有較高的實際應(yīng)用價值。

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