PCSS?SC下基于并行導頻序列的一種主動式RAKE接收技術(shù)

摘 "要： 為解決并行組合擴頻散射傳輸系統(tǒng)信道中存在的嚴重多徑衰落效應(yīng)，提出一種基于并行導頻序列的主動式RAKE接收技術(shù)。該技術(shù)利用擴頻序列PN的自相關(guān)特性，添加額外并行擴頻序列作為收發(fā)已知的導頻信號，設(shè)計適用在并行組合擴頻散射通信的系統(tǒng)模型，并提出該模型下的多徑搜索和時延估計方法，利用散射信道相干時間減少導頻序列占比。通過仿真對比分析，在SNR=-8 dB時，信號識別概率能達到90%以上，低信噪比范圍內(nèi)，相比無抗多徑技術(shù)可以提升60%左右的正確識別概率；區(qū)分充分多徑和不充分多徑進行系統(tǒng)誤碼率性能仿真分析，在SNRgt;-2 dB的區(qū)間內(nèi)，相比無抗多徑技術(shù)誤碼率大小均降低了三個數(shù)量級以上。結(jié)果說明文中技術(shù)能有效地對抗系統(tǒng)存在的多徑衰落，保持較好的工作性能，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

關(guān)鍵詞： 并行組合擴頻； 散射通信； RAKE接收； 并行導頻序列； 多徑搜索； 時延估計

中圖分類號： TN926?34 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）21?0028?06

Active RAKE receiving technology based on parallel pilot sequences in PCSS?SC

CHEN Hao， HAN Hongzhu， CHENG Jiangbo， ZHANG Wangquan

（Unit 93448 of PLA， Tianjin 300270， China）

Abstract： An active RAKE receiving technology based on parallel pilot sequences is proposed to eliminate the severe multipath fading effect existing in the channel of the parallel combined spread spectrum scattering transmission system. In this technology， the autocorrelation characteristic of the spread spectrum sequence PN is utilized to add additional parallel spread spectrum sequences as the known pilot signals for transmission and reception. A system model applicable to the parallel combined spread spectrum scattering communication is designed， and a multipath search and delay estimation method for this model is proposed. The proportion of pilot sequences is reduced by the coherence time of the scattering channel. Simulation and comparative analysis are carried out. When SNR=-8 dB， its signal recognition probability can reach above 90%， and in the range of low signal?to?noise ratio （SNR）， its correct recognition probability can be improved by about 60% in comparison with that of the non?anti?multipath technology. The BER （bit error rate） performance of the system is analyzed by differentiating the full multipath and the insufficient multipath. In the interval of SNRgt;-2 dB， its BER is reduced by more than three orders of magnitude in comparison with that of the non?resistant multipath technology. The results show that the proposed technology can resist the multipath fading of the system effectively， maintain good working performance， and ensure stable data transmission.

Keywords： PCSS; SC; RAKE receiving; parallel pilot sequence; multipath search; delay estimation

0 "引 "言

散射通信（Scatter Communication， SC）是一種穩(wěn)定可靠的超視距無線通信手段，其利用對流層散射的特性使得其與軍事通信要求十分契合。因為單跳跨距遠傳輸容量大，比較容易跨越沙漠、山區(qū)、沼澤湖泊等地形復雜且人煙稀少的區(qū)域[1]，具有非常明顯的優(yōu)點和應(yīng)用價值，使得散射通信在軍事通信上占據(jù)了重要地位[2?5]。目前，散射傳輸設(shè)備常用于戰(zhàn)術(shù)級軍事無線通信。以地空導彈兵部隊為典型，其防空反導性質(zhì)、作戰(zhàn)形式、指揮單位、雷達支援單位和火力打擊單位常常需要分散部署；同時地導部隊對抗毀能力和機動性有著很高的要求。因此，散射通信可以很好地滿足地導部隊超視距分散部署和緊急機動的作戰(zhàn)要求，且無需占用衛(wèi)星通信等寶貴通信手段和頻段資源，作為一種性能優(yōu)異的戰(zhàn)術(shù)級自主通信手段，對構(gòu)建我國防空反導作戰(zhàn)系統(tǒng)具有重要的意義。

并行組合擴頻技術(shù)（Parallel Combined Spread Spectrum， PCSS）是由M?ary擴頻系統(tǒng)發(fā)展成為較高信息傳輸?shù)牟⑿型ㄐ欧绞絒6]，改進數(shù)據(jù)?序列的映射算法，采用串并轉(zhuǎn)換處理并引進極性信息，使得一次可傳輸?shù)男畔⒘看蟠笤黾覽7?8]，極大地提高了通信系統(tǒng)的信息傳輸速率和頻帶利用率。在繼承了傳統(tǒng)擴頻技術(shù)的低截獲、抗干擾能力強等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，極大地提高了傳輸速率和頻帶利用率，在散射通信系統(tǒng)中可以很好地滿足現(xiàn)需性能，有著極大的應(yīng)用前景。

并行組合擴頻散射通信的信道存在嚴重的多徑效應(yīng)：一是在高速率環(huán)境下，存在[τxmaxgt;TC]（[τxmax]為最大多徑時延，[TC]為擴頻序列碼片寬度），此時多個路徑信號會對數(shù)據(jù)的解擴造成負面效應(yīng)；二是散射對流層不均勻性的傳輸特點會產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落。RAKE接收技術(shù)適用于多徑信道條件下接收帶寬遠大于多徑相干帶寬的寬帶信號，適合在擴頻系統(tǒng)使用；同時，RAKE接收機的提出和設(shè)計也是基于頻率選擇性衰落信道下的抽頭延遲模型，適用于散射信道?！癛AKE”一詞本身可譯為“耙子”，就是對接收端[x]個路徑信號分別接收再合并[9]，之后將各路信號按照一定規(guī)則合并起來，充分利用多徑能量，實現(xiàn)“變害為利”[10?12]。RAKE接收技術(shù)雖然具有良好的抗多徑效果，且?guī)缀鯖]有資源消耗，但目前RAKE接收機多應(yīng)用在直接擴頻系統(tǒng)，若應(yīng)用在PCSS?SC系統(tǒng)，必須針對靈活性和合并方法問題做出針對性優(yōu)化，以適用于多徑衰落嚴重的散射傳輸信道。

靈活性方面：傳統(tǒng)RAKE接收機在分離不同路徑進行相關(guān)運算時，相鄰路徑之間是由相同的固定時延[TRAKE]的相關(guān)器組成，在信道穩(wěn)定的通信系統(tǒng)中效果較好，但散射信道呈現(xiàn)損耗衰落均變化不定的特點，同時散射多徑效應(yīng)除充分多徑情況外，還會存在一種不充分多徑的情況[13]，即收發(fā)兩點部署位置較近，鏈路距離變短時，此時系統(tǒng)多徑時延展寬明顯變窄，接收端接收到的不同路徑分量數(shù)目將會減少。因此，現(xiàn)有的RAKE接收方案不具備接收合并的靈活性，也不具備處理和判別該相關(guān)器內(nèi)的信號是否可用的能力，只能被動地分離確定的多徑分量。一旦某時刻下多徑時延展寬或者時延間隔變化，一是多徑路徑變化使大量的相關(guān)器不參與RAKE接收過程，會造成利用率下降；二是使識別和分離效果變差，影響RAKE的接收效果。

合并方法方面：一般常用的RAKE接收技術(shù)合并方法有三種[14]，具體分析如表1所示。

1 "基于并行導頻序列的主動式RAKE接收技術(shù)

針對已有RAKE接收機存在的待優(yōu)化問題，提出適配于PCSS?SC系統(tǒng)的基于并行導頻序列的主動式RAKE接收技術(shù)。結(jié)合并行組合擴頻散射傳輸技術(shù)中擴頻序列PN的自相關(guān)特性，在發(fā)送端添加額外擴頻序列作為收發(fā)已知的導頻信號，通過自相關(guān)運算提取到明顯的相關(guān)響應(yīng)，以此搜索到多徑分量，同時利用不同響應(yīng)的時域間隔，得出時延差值，實現(xiàn)準確的多徑搜索和時延估計。

1.1 "系統(tǒng)發(fā)送端模型結(jié)構(gòu)

常用方法是在發(fā)送信號之間串行插入給定導頻序列作為每個發(fā)送信號的“幀頭”，這種方式下，導頻塊和數(shù)據(jù)塊交替放置，導頻序列占據(jù)獨立的帶寬資源[15?16]，增加信道開銷，影響數(shù)據(jù)傳輸速率。為避免這一矛盾問題，同時結(jié)合并行組合擴頻技術(shù)的并行優(yōu)勢，提出一種基于并行導頻序列的多徑搜索和時延估計方法，通過添加不參與映射的并行擴頻序列的方法，實現(xiàn)多徑分量的搜索，同時依據(jù)信道相干時間設(shè)定插入周期從而降低開銷。串行發(fā)送下導頻信號位置如圖1所示。

圖2是本文技術(shù)的發(fā)送端結(jié)構(gòu)示意圖，其原理是在完成數(shù)據(jù)?序列映射環(huán)節(jié)的同時，并行增加導頻序列存儲器部分，額外存儲兩條新的擴頻序列，記為[PNα]和[PNβ]。為便于并行組合擴頻系統(tǒng)傳輸，這兩條導頻序列不參與數(shù)據(jù)映射過程，但與[PNi]序列集格式相同并具有極性，同樣與[PNi]序列集之間具有突出的自相關(guān)特性和近乎為零的互相關(guān)特性。在發(fā)送數(shù)據(jù)完成映射后，選取的[r]個擴頻序列與序列[PNα]和[PNβ]進行組合發(fā)送。

在PCSS?SC系統(tǒng)的發(fā)射端，并擴后時域疊加得到和序列信號[d（t）]為：

[d（t）=j=1rqiPNj（t）] （1）

進行調(diào)制發(fā)送之前，在[d（t）]中并行發(fā)送新增的并行導頻序列[PNα]和[PNβ]，此時有：

[dP（t）=qiPNα+qiPNβ] （2）

式中[qi]表示極性，取值為+1或-1。因此和序列信號改寫為：

[da（t）=dP（t）+d（t）=qiPNα+qiPNβ+j=1rqiPNj（t）] （3）

經(jīng)載波調(diào)制后，得到發(fā)送信號為：

[sa（t）=（qiPNα+qiPNβ）cos（ωct+φ）+j=1rqiPNj（t）cos（ωct+φ）] （4）

1.2 "基于并行導頻序列的多徑搜索和時延估計方法

不考慮干擾的條件下，經(jīng)散射傳輸后接收端會接收到許多路徑的接收信號，在RAKE接收前，首先乘以本地載波和低通濾波得到基帶信號，利用[PNα]和[PNβ]序列的自相關(guān)特點進行相關(guān)運算，此時含有數(shù)據(jù)信息的信號和噪聲均被視為“噪聲干擾”處理，只有并行導頻序列產(chǎn)生明顯的相關(guān)峰值，進而識別出該路徑分量。依據(jù)自相關(guān)峰先后時間確定不同路徑分量的多徑時延間隔[τx]，進一步得出該分量信道增益系數(shù)[βx]，具體算法如下。

接收端信號[ra（t）]由并行導頻序列、含有數(shù)據(jù)信息信號和高斯白噪聲三部分組成：

[ra（t）=（qiPNα+qiPNβ）cos（ωct+φ）+j=1rqiPNj（t）cos（ωct+φ）+n（t）] （5）

在多徑識別過程中，后兩者可以統(tǒng)一視為“噪聲干擾”，記為[na（t）]；接收端的并行導頻序列記為[rP（t）]。接收信號可以簡化為：

[ra（t）=rP（t）+na（t）] （6）

設(shè)[τ]為傳播時延，接收端將接收信號分別與已知的[PNα]和[PNβ]序列進行相關(guān)運算：

[Rα（t）=qiττ+T[PNα（t-τ）+n（t）]PNα（t-τ）dt " ] （7）

[Rβ（t）=qiττ+T[PNβ（t-τ）+n（t）]PNβ（t-τ）dt " "] （8）

若某一路徑信號經(jīng)相關(guān)運算后，至少出現(xiàn)一個明顯的相關(guān)特性，即可識別出該分量并計算出多徑時延間隔[τx]。若可以識別的多徑路徑數(shù)為[X]，則[rP（t）]可表示為[17]：

[rP（t）=x=1Xβx（t）cp（t）δ（t-τx）] （9）

式中：[βx]為信道增益系數(shù)；[cp（t）]表示并行導頻序列[PNα]或[PNβ]的chip數(shù)據(jù)。

信道為頻率選擇性慢衰落，故在多徑時延展寬時間內(nèi)信道特性變化視為不變，因此[βx]改寫為[βx]。由式（4）～式（9）可得[βx]的確定方法為：

[βx=1Xt=τxX+τxrP[t-τx]cp（t）] （10）

式中，在接收到第一條路徑時延值的基礎(chǔ)上，以[τx]作為多徑時延展寬內(nèi)的抽頭延遲間隔。對所有信道增益系數(shù)主動進行比較和篩選，選擇最強的4徑路徑分量，參與RAKE接收的SC/EGC混合合并。最終，得出如圖3所示的多徑搜索和能量篩選模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 "依據(jù)相干時間設(shè)定插入間隔

若連續(xù)添加并行導頻序列，會存在增加多徑時延、分量能量排序篩選帶來的實時計算量和信道開銷占比的問題。而散射信道內(nèi)存在相干時間[td]這一參數(shù)，它是信道沖擊響應(yīng)維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值，在相干時間范圍內(nèi)，信號的多徑衰落的分量數(shù)、時延間隔和能量大小等特征幾乎不變，依據(jù)相干時間間隔插入一次并行導頻序列即可保證RAKE接收前的多徑分離及同步準確，同時有效減少信道開銷。散射信道的相干時間變化受風速及類分子熱運動湍流運動的影響，其表達式為[18]：

[td=2ln2m+22ln2Θ10Ψh12+2ln2Θ20Ψh222πfΘ0v] （11）

式中：[Ψh1]、[Ψh2]為發(fā)送和接收天線水平波束寬度；[Θ0]為最小散射角；[Θ10]、[Θ20]為發(fā)送和接收天線波束與通信兩端水平線的夾角；[m]為散射系數(shù)，通常取5；[v]為風速；[f]為工作頻率。設(shè)某型散射設(shè)備工作頻率為4.7 GHz，對不同風速狀態(tài)下的相干時間變化進行仿真，如圖4所示?？紤]以抗風極限風速25 m/s為依據(jù)，可得其相干時間[18]約為1 ms。

因此，設(shè)置添加并行導頻序列的間隔時間為1 ms，能夠在保證時延確定和能量篩選的同時實現(xiàn)降低運算量和信道開銷占比的目的，其序列設(shè)計示意圖如圖5所示。

2 "信號識別概率仿真分析

在同樣條件下分別將周期長度為64、128、256的并行導頻序列進行分量識別概率仿真，同時以單條周期128的擴頻序列串行插入數(shù)據(jù)信號作為橫向?qū)Ρ?，結(jié)果如圖6所示。

由圖6結(jié)果可得出如下結(jié)論。

1） 周期越長的導頻序列具有越好的識別概率，但導頻序列周期長度須與參加數(shù)據(jù)映射的[PNi]序列集保持一致。原因是并行導頻序列與[r]條PN序列組合后，若周期長度不同，多余的碼片或缺少的碼片會對攜帶數(shù)據(jù)的發(fā)送信號形成干擾甚至造成接收端解擴誤判。

2） 在同樣周期長度條件下，相較于串行導頻序列方式，本文提出的方法有著更好的分量識別概率。這是由于并行擴頻方式的體制優(yōu)勢能夠在不降低數(shù)據(jù)傳輸速率的前提下增加導頻擴頻序列數(shù)量，進一步提升多徑分量的識別能力。但這種優(yōu)勢是以增加接收端的識別相關(guān)器數(shù)量為代價的，由于并行組合擴頻技術(shù)已存在較多數(shù)量的解擴相關(guān)器，因此為保證較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和較低的硬件復雜度，額外增加的數(shù)量不宜過大。

PCSS?SC系統(tǒng)中，在AWGN信道條件下設(shè)選取映射的擴頻序列數(shù)[r]分別為2和3，取為高速傳輸和穩(wěn)定傳輸兩種模式，分別在多徑效應(yīng)下和采用課題技術(shù)條件下進行信號識別仿真，分析信號識別概率變化。圖7的仿真結(jié)果表明，由于并行導頻序列可以在解擴前利用突出的自相關(guān)性進行穩(wěn)定捕獲和識別，使得接收信號識別概率有了顯著提升。低信噪比范圍內(nèi)，相比無任何抗多徑技術(shù)正確識別概率可以提升60%左右，同時在SNR=-8 dB時，兩種模式的識別概率均能達到90%以上。

綜上結(jié)果說明，該技術(shù)在適用并行組合擴頻散射傳輸方式的同時，添加并行導頻序列作為穩(wěn)定的識別依據(jù)，能夠?qū)⒉煌窂较碌亩鄰椒至窟M行識別和分離，便于后續(xù)主動式RAKE接收，能夠有效應(yīng)對散射信道存在的多徑削弱，保持系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

接收下的信號識別概率對比

3 "系統(tǒng)誤碼率性能仿真分析

考慮部署鏈路較短時信道不充分多徑的特殊情況，參考中國電子科技集團公司第五十四研究所的外線實驗情況，在充分多徑和不充分多徑條件下全面驗證基于并行導頻序列的主動式RAKE接收技術(shù)的抗多徑作用。

3.1 "充分多徑時誤碼率性能比較

當信道處在充分多徑的情況時，建立7徑散射多徑信號模型。模型抽頭延遲間隔[T'=0.083 s]，依據(jù)表2設(shè)置多徑效應(yīng)參數(shù)，其中，[Zi]表示第[i]路分量信號，[Esignal]表示主路徑信號能量。

以本文的RAKE接收模型與無RAKE接收作為對比，對并行組合擴頻散射通信系統(tǒng)的誤碼率性能進行仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8的仿真結(jié)果表明，接收端多個多徑分量會使信號產(chǎn)生嚴重的失真，同時產(chǎn)生嚴重的碼間干擾。在信噪比（SNR）小于-2 dB的區(qū)間內(nèi)，誤碼率（BER）始終高于[10-1]；即使隨著信噪比不斷提升，誤碼率性能改善也相當緩慢，說明多徑效應(yīng)對并行組合擴頻散射通信系統(tǒng)有著較為明顯的負面影響。

采用基于并行導頻序列的主動式RAKE接收技術(shù)后，系統(tǒng)接收端可以有效識別信道傳播中產(chǎn)生的多徑分量，完成信號分離和合并，系統(tǒng)的誤碼率性能有著明顯優(yōu)化，在SNRgt;-2 dB的區(qū)間內(nèi)誤碼率大小降低了三個數(shù)量級以上（低于[10-4]），實際工作時可以保證有效數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 "不充分多徑時誤碼率性能比較

將多徑信號從7徑減少為3徑，模擬“不充分”多徑情況下的系統(tǒng)信道，由于其多徑數(shù)目小于SC/EGC混合合并方式所需的4條，因此直接將所有多徑分量進行等增益接收合并，依據(jù)表3進行信道多徑參數(shù)設(shè)置。

仿真結(jié)果如圖9所示，系統(tǒng)的誤碼率性能相比充分多徑時稍有好轉(zhuǎn)，且隨著信噪比條件不斷好轉(zhuǎn)，誤碼率性能改善變化程度也相對更為明顯。這是由于不充分多徑時，多徑路徑變少，時域上的失真相對減弱，但總體誤碼率性能仍屬于較差水平，散射數(shù)據(jù)傳輸仍然會受到嚴重干擾。添加本文的RAKE接收技術(shù)后，誤碼率性能有明顯改善，在SNRgt;-2 dB的信噪比區(qū)間內(nèi)，誤碼率大小與之相比可以降低三個數(shù)量級（低于[10-3]）左右，并且隨著信道信噪比增大，誤碼率將迅速降低。

4 "結(jié) "語

本文提出一種主動式RAKE接收技術(shù)，具有以下優(yōu)勢：

1） 與不充分多徑情況進行橫向?qū)Ρ确治?，充分多徑的誤碼率性能有略微優(yōu)勢，其原因是RAKE接收技術(shù)本質(zhì)上屬于一種“隱分集”接收，當多徑信號的數(shù)量偏多時，可以更好地利用頻率選擇性衰落中的隱分集降低多徑效應(yīng)影響，使誤碼率下降更為迅速。

2） 基于并行導頻序列的主動式RAKE接收技術(shù)在使用并行組合擴頻散射通信方式的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)對多徑分量信號良好的統(tǒng)計判決，并按照一定規(guī)則合并起來，有效地對抗系統(tǒng)中存在的多徑衰落，系統(tǒng)在受到散射多徑影響后，仍可以保持較好的工作性能。

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作者簡介：陳 "浩（1994—），男，山西懷仁人，碩士研究生，助理工程師，研究方向為散射與擴頻通信。

韓紅柱（1981—），男，河北棗強人，碩士研究生，研究方向為通信與控制系統(tǒng)。

程疆博（1991—），男，甘肅慶陽人，研究方向為通信與控制系統(tǒng)。

張望泉（1994—），男，陜西禮泉人，研究方向為無線中繼通信。