空間分集技術(shù)在對(duì)流層散射通信中的應(yīng)用研究

李利 郭佩麗

摘? 要：針對(duì)對(duì)流層散射通信系統(tǒng)存在信道傳播損耗大和具有快慢衰落特性等問(wèn)題，首先提出了利用分集接收技術(shù)來(lái)克服這些衰落特性，然后對(duì)分集技術(shù)中的三種主要分集技術(shù)進(jìn)行了比較，通過(guò)比較得到空間分集是最適合的一種技術(shù)?；诖耍芯苛丝臻g分集在多天線系統(tǒng)中的應(yīng)用，最后給出了散射通信的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：對(duì)流層散射;空間分集;多天線;衰落

中圖分類(lèi)號(hào)：TN926.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0148-03

Abstract： In view of the problems of large channel propagation loss and fast and slow fading characteristics in the tropospheric scattering communication system. Firstly， the diversity receiving technology is used to overcome these fading characteristics， and then the three main diversity technologies in the diversity technology are compared， and the spatial diversity which is obtained by comparison is the most suitable technology. Based on this， the application of space diversity in a multi-antenna system is studied， and the development prospect of scattering communication is proposed.

Keywords： tropospheric scattering; spatial diversity; multi-antenna; decline

對(duì)流層散射通信憑借其抗毀性強(qiáng)、保密性好、且適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，但該通信方式也存在不少缺點(diǎn)。本文分析總結(jié)了對(duì)流層散射信道的傳播特性和散射通信克服衰落的方法，綜合實(shí)際應(yīng)用情況，著重對(duì)空間分集展開(kāi)研究，通過(guò)時(shí)空編碼技術(shù)進(jìn)一步提升對(duì)流層散射通信的系統(tǒng)性能。

1 對(duì)流層散射信道及傳輸特性

從發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(hào)到接收機(jī)接收信號(hào)，這期間信號(hào)所經(jīng)歷的路徑較為復(fù)雜，信道中存在的情況并不是固定可先預(yù)見(jiàn)的，而是隨機(jī)出現(xiàn)且誤差較大，分析具有困難。因此，采用統(tǒng)計(jì)特性分析。

1.1 對(duì)流層散射介紹

地球大氣層分為好幾層，對(duì)流層是離我們最近的一層，其底部與地面相接，頂部距地面有十多公里的高度。對(duì)流層集中了大量的水汽，其溫度會(huì)隨高度的升高而下降。對(duì)流層中含有大量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的散射體，這些散射體分布不均勻，它們受大氣環(huán)境因素影響較大，與所處地區(qū)、氣象狀況及太陽(yáng)離子活動(dòng)等都有關(guān)系。這些散射體會(huì)向四面八方輻射，部分被地面上的通信設(shè)備所接收，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。

1.2 散射信道傳播損耗

無(wú)線電波信號(hào)在散射信道傳輸時(shí)，當(dāng)這些信號(hào)入射到散射體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的散射損耗，導(dǎo)致最后只有小部分的電磁波能量能被傳輸回到地面，所以經(jīng)過(guò)散射信道傳輸后的信號(hào)十分微弱。此外，一些其他的因素也會(huì)給傳輸損耗帶來(lái)一定程度的影響，如通信的頻率、季節(jié)變化和大氣環(huán)境和區(qū)域的不同，但這些影響相對(duì)而言都比較小。

如何降低傳播路徑損耗是我們一直以來(lái)思考的問(wèn)題，這對(duì)散射通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言也是一種挑戰(zhàn)。從理論上來(lái)看，提高發(fā)射機(jī)功率在一定程度上可以有效應(yīng)對(duì)傳輸損耗，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)出發(fā)，還需尋找更好的解決辦法。

1.3 快慢衰落特性[1]

散射信號(hào)的衰落特性是指當(dāng)接收信號(hào)電平不穩(wěn)定時(shí)，信號(hào)幅度開(kāi)始發(fā)生隨機(jī)不規(guī)則的變化，有起有伏，有快有慢?？焖ヂ涮匦允侵附邮招盘?hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)的隨機(jī)變化，這種衰落主要是由于大氣湍流等引起的，通過(guò)時(shí)間差形成相互干涉疊加;慢衰落特性是指接收信號(hào)中值電平在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的變化，它是由氣象條件變化引起的，一般體現(xiàn)在日、月、年上，它的起伏變化過(guò)程很慢。

1.4 多徑傳播

快衰落就是由于多徑傳播而產(chǎn)生的，它的特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]：（1）經(jīng)過(guò)不同路徑傳輸?shù)男盘?hào)具有時(shí)變性，使確定的載波信號(hào)Acosw0t變成了衰落信號(hào)。（2）多徑信號(hào)相互疊加后引起碼間干擾，使原始信號(hào)失真。（3）多徑傳播使接收端接收到的信號(hào)是經(jīng)過(guò)多個(gè)二次輻射源發(fā)射的多徑信號(hào)。

2 分集接收技術(shù)

通過(guò)前面的介紹，我們知道在對(duì)流層散射通信中，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生傳輸損耗和衰落特性問(wèn)題，這些對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響較大，不可忽視。盡管可以通過(guò)提高發(fā)射機(jī)功率等措施來(lái)克服，但實(shí)際上，這些方法都會(huì)使設(shè)備的體積增大，所以并不建議使用這些措施。而分集接收技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，它可以較好克服系統(tǒng)的衰落特性。

2.1 分集技術(shù)

通過(guò)分集技術(shù)，接收端獲得若干不相關(guān)信號(hào)，有效合并改善接收到的信號(hào)，從而彌補(bǔ)信道造成的衰落特性。目前主要應(yīng)用的分集技術(shù)有以下三種[3]：（1）時(shí)間分集。將一段信息在間隔一定時(shí)間后重復(fù)發(fā)送，這樣信息就會(huì)經(jīng)歷不同的衰落，然后在接收端合并，會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)。（2）頻率分集。與時(shí)間分集類(lèi)似，它是發(fā)送端在不同的相關(guān)帶寬內(nèi)發(fā)射同一信息，接收端接收到同一信息但不同頻率的信號(hào)。（3）空間分集。在空間不同的位置上設(shè)置多副天線，配置相同數(shù)量的接收機(jī)，利用多副接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 幾種分集方式的比較[4]

將上述三種分集方式進(jìn)行比較，雖然都能取得分集增益，但也相應(yīng)付出了一些代價(jià)。時(shí)間分集以降低傳輸速率為代價(jià)，假設(shè)時(shí)間分集頻帶寬度為B，重復(fù)N次，原始信息的速率為V0 bit/s，當(dāng)重復(fù)發(fā)送N次信息后，實(shí)際信道的傳輸速率即為NV0 bit/s，所以高速通信會(huì)導(dǎo)致頻譜資源激增，使信號(hào)難以被接收，因此時(shí)間分集適合中低速率通信。頻率分集降低了頻譜利用率，盡管利用擴(kuò)頻技術(shù)能增加可用帶寬，但在頻譜資源稀缺的情況下，這種做法不太可行?？臻g分集是以增加設(shè)備的成本和復(fù)雜性為代價(jià)，但其頻帶資源占用少，頻譜資源利用率和分集增益高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且隨著科技發(fā)展，成本都是可以不斷降低的，其他因素改善則較為困難。因此，從總體來(lái)看，空間分集在這幾種技術(shù)中是最好的，既具備其他分集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)又避免它們的缺點(diǎn)。

2.3 空間分集的性能

影響散射信道分集性能的因素有信道特性、收發(fā)端天線數(shù)等，本文用平均誤碼率和中斷率來(lái)衡量性能的好壞[1]。

（1）平均誤碼率。在數(shù)字通信中，條件誤碼率是信噪比的函數(shù)，則誤碼率可以根據(jù)條件誤碼率在衰落信道上的統(tǒng)計(jì)特性，然后統(tǒng)計(jì)平均后得到：

式中，pm（γ）為接收信號(hào)信噪比的概率密度函數(shù)，f（γ）為條件誤碼率。由于散射傳播的損耗和衰落都很大，降低了接收信號(hào)的信噪比，增大了系統(tǒng)的平均誤碼率，不利于系統(tǒng)容量的提升。當(dāng)分集重?cái)?shù)增加時(shí)，分集增益也不斷增大，此時(shí)系統(tǒng)的平均誤碼率會(huì)不斷下降，以此來(lái)提高散射通信的可靠性。

（2）中斷率。要想實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的速率通信，系統(tǒng)的信噪比必須比最小可接受的信噪比γmin要大，否則通信就會(huì)中斷。中斷率R可以表示系統(tǒng)信噪比低于γmin時(shí)的時(shí)間百分比，即：

R越小，通信中斷的時(shí)間就越小，系統(tǒng)抗衰落的能力越強(qiáng)。當(dāng)分集重?cái)?shù)大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)的中斷率就可忽略不計(jì)。

3 基于多天線系統(tǒng)的空間分集技術(shù)

3.1 多天線系統(tǒng)的引入

傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射天線和接收天線數(shù)通常為一個(gè)，即單入單出系統(tǒng)。1948年香農(nóng)公式的提出，指出了在高斯白噪聲信道條件下，實(shí)現(xiàn)可靠通信的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，公式如下：

式中，C代表信道容量，B表示信道傳輸帶寬， 為信噪比。從上式可以看出，信道容量會(huì)隨帶寬的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。因此，無(wú)論是多發(fā)單收或是單發(fā)多收都比單發(fā)單收系統(tǒng)容量有顯著的改善，同時(shí)提高了系統(tǒng)的信噪比。為突破限制，在系統(tǒng)收發(fā)端放置多天線的同時(shí)，人們提出了MIMO的概念。

分集多天線系統(tǒng)，即MIMO系統(tǒng)，它可以利用天線間相互獨(dú)立的信道冗余來(lái)減少多徑衰落影響，并且可以充分利用空間自由度，在信道帶寬和發(fā)射功率不變的條件下，改善通信質(zhì)量，比傳統(tǒng)的單入單出系統(tǒng)可以更好的利用頻譜資源和提高系統(tǒng)的傳輸速率。

在多天線系統(tǒng)中，近年來(lái)智能天線的發(fā)展在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)。智能天線可利用信號(hào)的空間特征區(qū)分出信號(hào)是有用信號(hào)還是多徑干擾信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整天線的方向圖，讓主波束對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)的波達(dá)方向，便于微弱信號(hào)接收，實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)的高效性。若信號(hào)處于不同的環(huán)境中，也能使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

3.2 MIMO系統(tǒng)中的空間分集

天線是通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分，好的天線對(duì)提高系統(tǒng)性能和通信質(zhì)量都能起到較大的幫助?？臻g分集又稱(chēng)為天線分集，它是利用多天線來(lái)獲得分集，同時(shí)可使MIMO系統(tǒng)的傳輸性能得到改善。因此，空間分集會(huì)直接影響MIMO系統(tǒng)的性能。利用空間分集在發(fā)送端發(fā)射多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，在不同的接收位置接收信號(hào)，然后有效合并起到抗衰落作用。下面介紹空間分集中的兩種方式。

（1）接收分集。采用發(fā)射端一副天線，接收端多副天線，如圖1所示。

為確保各路分集信號(hào)的獨(dú)立性，當(dāng)天線間的距離不斷增大時(shí)，信號(hào)衰落的相關(guān)性也隨之減小。即使一副接收天線的輸出信號(hào)很微弱，由于有多副接收天線，輸出的信號(hào)不一定很弱，最后通過(guò)合并，選出信噪比最佳的一路作為輸出，降低了信道衰落所產(chǎn)生的影響，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）發(fā)射分集[5]。通過(guò)在移動(dòng)臺(tái)上建立“多發(fā)一收”或“一發(fā)多收”的不對(duì)稱(chēng)分集鏈路均可實(shí)現(xiàn)散射通信。發(fā)射分集結(jié)構(gòu)與接收分集相反，分集增益與接收分集較為相似，并且實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)移動(dòng)臺(tái)上通過(guò)同一個(gè)信號(hào)獲取發(fā)射增益的方式。發(fā)射分集技術(shù)不僅對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的工作效率，而且減少了移動(dòng)臺(tái)的成本，節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)。

3.3 MIMO空時(shí)編碼技術(shù)

空時(shí)編碼技術(shù)是一種利用多根發(fā)射天線對(duì)信號(hào)在時(shí)域和空域上聯(lián)合編碼的方式，在增強(qiáng)抗衰落能力的同時(shí)提供分集和編碼增益[6]。它是在空間上采用空間分集，時(shí)間上把不同時(shí)刻的信號(hào)使用同一根天線發(fā)射，然后在接收端分集接收，從而克服系統(tǒng)衰落，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。接收分集和發(fā)射分集逐漸演變成了MIMO技術(shù)，MIMO技術(shù)將多天線間的無(wú)線信道等效化為多個(gè)相互獨(dú)立的子空間信道，增加了信道容量。

傳統(tǒng)的空時(shí)編碼技術(shù)在帶來(lái)顯著分集增益的同時(shí)，由于使用多天線發(fā)射，增加了碼間干擾和用戶間的干擾，若將其與MIMO技術(shù)相結(jié)合，利用多發(fā)多收天線系統(tǒng)進(jìn)行編碼，就可以降低碼間干擾，抑制用戶間干擾，成倍提升系統(tǒng)的工作效率。假設(shè)一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)有N根發(fā)射天線，M根接收天線，如圖2所示。

將發(fā)射信息送入空時(shí)編碼器編碼，然后將編碼后的信息傳送到N根發(fā)射天線上，接收端M根天線接收到信號(hào)后，把信號(hào)送入空時(shí)解調(diào)器解調(diào)成基帶信號(hào)，最后用空時(shí)譯碼器把信號(hào)恢復(fù)為原始信號(hào)輸出。

3.4 一種高增益陣列天線的設(shè)計(jì)

利用上述技術(shù)能有效提高通信系統(tǒng)的性能，為將散射信號(hào)的損失盡可能降到最小，實(shí)現(xiàn)高增益，我們可以設(shè)計(jì)一種高增益天線。首先選擇陣列天線的形式，采用等幅、同相、等距的激勵(lì)方式。其次為使天線達(dá)到最佳效果，采用一片足夠大的平板發(fā)射器，調(diào)整天線與反射器間的距離，消除天線的背向輻射，實(shí)現(xiàn)天線的高增益。簡(jiǎn)單示意圖如圖3所示。

對(duì)于內(nèi)部饋電方式的選擇，串聯(lián)饋電雖然占用面積小，但其增益會(huì)受到一定限制，因此一般選擇并聯(lián)饋電或串并聯(lián)相結(jié)合饋電的方式。然后采用同軸交叉振子作為天線的主要輻射部分，將若干個(gè)d=0.5λ的同軸電纜首尾交叉相連實(shí)現(xiàn)倒相。為縮短天線的尺寸，采用填充介質(zhì)的垂直同軸電纜線。天線振子的材料可以選擇銅絲，該材料較容易獲取。

實(shí)際應(yīng)用中，為不改變對(duì)流層散射通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)，將高增益天線加裝到設(shè)備上，這樣不僅降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還提高了系統(tǒng)的通信范圍和質(zhì)量。

4 對(duì)流層散射通信發(fā)展前景

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，散射通信要想占據(jù)一席之地必須有其獨(dú)特的地方。為發(fā)展我國(guó)的散射通信事業(yè)，通過(guò)不斷對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，利用各種散射通信關(guān)鍵技術(shù)盡可能把成本和風(fēng)險(xiǎn)降到最低，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通用化、小型化發(fā)展。盡管衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，對(duì)流層散射通信的作用有所下降，但其在軍用領(lǐng)域上的作用仍很顯著。超短波對(duì)流層散射通信可作為自動(dòng)化防空體系的傳輸手段，更適用于艦機(jī)遠(yuǎn)洋執(zhí)行任務(wù)時(shí)通信。對(duì)流層散射通信還可應(yīng)用于機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)，在實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程中，為不影響戰(zhàn)術(shù)溝通質(zhì)量，盡量提高信息的傳輸速率，減少溝通時(shí)間，確保系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)做出正確的反應(yīng)。隨著各種技術(shù)的深入研究，對(duì)流層散射通信設(shè)備的性能越來(lái)越好，散射通信前景十分廣闊。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)流層散射通信傳播距離遠(yuǎn)、速度快、容量大，在軍事領(lǐng)域上發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，這也對(duì)對(duì)流層散射的研究提出了更高的要求。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，各種電磁干擾信號(hào)無(wú)處不在，散射通信勢(shì)必能充分展示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

論文分析了影響對(duì)流層散射通信效果的一些因素以及提出了克服散射信道傳播特性的方法，重點(diǎn)介紹了分集技術(shù)中的空間分集，為更好地取得分集增益，提升散射系統(tǒng)的傳輸性能，可以將空間分集演變后的MIMO技術(shù)與時(shí)空編碼技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗衰落特性，提高系統(tǒng)的傳輸速率。

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