胡東偉，王力男，王永超

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081）

一種基于并行導(dǎo)頻的短突發(fā)傳輸方法

胡東偉1，2，王力男1，2，王永超1，2

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081）

低信噪比下無線傳輸?shù)耐捷^困難，需要用于做同步估計的數(shù)據(jù)量較大；而短突發(fā)傳輸?shù)男盘柍掷m(xù)時間較短，數(shù)據(jù)量較少。針對極低信噪比條件下的短突發(fā)傳輸，提出了采用并行導(dǎo)頻的方法。其導(dǎo)頻不占用任何時間開銷，大大縮短了突發(fā)傳輸時間。分別針對加性高斯白噪聲信道和多徑衰落信道，給出了導(dǎo)頻的作用和對應(yīng)的導(dǎo)頻圖樣，通過仿真驗證了所提導(dǎo)頻方案的可行性和性能。

突發(fā)傳輸；極低碼率；極低信噪比

0 引言

短突發(fā)通信因其信號存續(xù)時間短，具有天然的隱蔽性、抗干擾性和抗截獲性，因而在軍事通信上獲得了廣泛的應(yīng)用。例如美軍第三代短波通信標準就采用了突發(fā)通信模式［1］。Link16數(shù)據(jù)鏈的每個時隙，也是一個短突發(fā)［2］。跳頻通信的每一跳持續(xù)時間內(nèi)，也可認為是一個短突發(fā)。流星余跡通信更是必須采用突發(fā)通信模式［3］。此外，近年來出現(xiàn)的應(yīng)急救生通信模式，也普遍采用短突發(fā)通信方式。國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了大量采用短突發(fā)通信方式的工程標準。

目前的短突發(fā)通信，一般采用一個幀頭后面跟一個數(shù)據(jù)段的結(jié)構(gòu)。幀頭用于做時間、頻率和相位同步。對于軍事應(yīng)用來說，很多情況下采用代碼通信方式，進行最低限度通信即可［4］。這樣，需要傳輸?shù)男畔⒘可?，編碼速率低，信噪比低。因而同步估計、頻偏估計困難，需要的幀頭較長。同時，倘若信息傳輸速率也較低，則突發(fā)幀的持續(xù)時間較長，而幀頭長就進一步拉長了突發(fā)持續(xù)時間，增加了突發(fā)被截獲、被干擾的概率。因此，研究極低信噪比下的極短突發(fā)通信方式，在軍事上具有重要的應(yīng)用價值。

1 低信噪比下的短突發(fā)通信方式極其困境

低信噪比下的短突發(fā)傳輸是指需要傳輸?shù)男畔⒘可?，采用極低碼率編碼（例如1／5碼率Turbo碼），同時信息傳輸速率低的短突發(fā)通信方式。信息速率低和編碼碼率低都是為了降低信噪比要求，實現(xiàn)更強的抗干擾能力。極低速率和極低碼率相結(jié)合，可以實現(xiàn)極低信噪比下的傳輸。傳統(tǒng)上的短突發(fā)通信采用的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一般短突發(fā)通信的幀格式

圖中，每個突發(fā)包括兩部分：幀頭部分和數(shù)據(jù)段部分。幀頭部分完成突發(fā)的同步、頻偏估計和相位估計。數(shù)據(jù)段部分承載有用信息。

該幀結(jié)構(gòu)對于極低信噪比下的短突發(fā)傳輸，存在三方面的困難：

①因為信號的信噪比低，因而幀頭捕獲困難，需要的幀頭較長；

②因為信噪比低，頻偏估計困難，同樣需要較長的幀頭；同時，假若數(shù)據(jù)段信息傳輸速率低，則數(shù)據(jù)段持續(xù)時間較長，對頻偏估計的精度要求就很高；

③倘若信息傳輸速率低，數(shù)據(jù)段持續(xù)時間長，倘若幀頭也較長，則整個突發(fā)持續(xù)時間更長，極大地增加了被干擾、被截獲概率。

因此，對于極低信噪比下的短突發(fā)傳輸，必須適當(dāng)設(shè)計其突發(fā)長度和信噪比要求，以取得解調(diào)門限和突發(fā)持續(xù)時間的折中。

2 基于并行導(dǎo)頻的極低碼率極短突發(fā)通信

針對以上困難，提出一種基于并行導(dǎo)頻的短突發(fā)通信方式，并分別針對高斯信道和多徑信道設(shè)計其導(dǎo)頻信號格式。

2.1 采用的極低碼率編碼

極低碼率的編碼是本方案需要使用到的內(nèi)容，但不是本文所需要研究的內(nèi)容。本文中涉及到的極低碼率編碼，擬采用1／5的Turbo碼為示例。1／5碼率的Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)如圖2所示［5，6］，其分量編碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示。交織器擬采用參考文獻［7］中的隨機交織器。

圖2 1／5碼率的Turbo碼

圖4示出了短碼塊長度下的編碼性能?？梢钥吹?，在Eb／N0＝2 dB時，誤碼率已經(jīng)在Eb／N0＝2 dB時誤碼率已經(jīng)在10－4。此時，譯碼前碼片級的信噪比只有－5 dB。信噪比很低。

圖3 1／5碼率Turbo碼的分量編碼器

圖4 信息塊長度為112時的1／5碼率Turbo碼性能

2.2 高斯信道下的并行導(dǎo)頻短突發(fā)傳輸模式

衛(wèi)星信道就可建模為加性高斯信道。對于高斯信道，導(dǎo)頻的作用為時間同步、頻率同步和相位同步。因此，可采用如圖5的并行導(dǎo)頻突發(fā)傳輸模式。圖中，并行導(dǎo)頻和編碼調(diào)制數(shù)據(jù)疊加在一起，同步進行傳輸。調(diào)制可采用簡單的BPSK／QPSK調(diào)制，或擴頻后進行BPSK／QPSK調(diào)制。利用并行導(dǎo)頻與編碼調(diào)制數(shù)據(jù)之間的時間、相位關(guān)系，可根據(jù)導(dǎo)頻解算編碼調(diào)制數(shù)據(jù)。

圖5 高斯信道下的并行導(dǎo)頻突發(fā)傳輸模式

為利于做時間和頻率同步，并行導(dǎo)頻可借鑒連續(xù)波雷達理論，采用三角掃頻信號格式［8］。三角掃頻信號的頻率掃描波形如下圖6所示。其時域信號格式x(t)由x1(t)、x2(t)兩部分構(gòu)成。其中x1(t)、x2(t)和x(t)分別如下所示：

圖6 三角掃頻信號的頻域掃描波形

使用該導(dǎo)頻進行時間、頻率同步的方法請參看相關(guān)雷達理論書籍［8］。由于信噪比在－5 dB時，編碼調(diào)制數(shù)據(jù)仍能正確譯碼，因此，適當(dāng)配備導(dǎo)頻信號能量，并行導(dǎo)頻信號可以直接疊加在編碼調(diào)制數(shù)據(jù)之上。

2.3 多徑信道下的并行導(dǎo)頻短突發(fā)傳輸模式

對于短波信道、流星余跡信道，符號間干擾較嚴重，需建模為多徑信道［9］。此時，導(dǎo)頻的作用除了時間、頻率和相位同步外，還需要做信道估計。為便于均衡，可采用OFDM調(diào)制［10－13］。為適應(yīng)低信噪比要求，在進行OFDM調(diào)制之前，可先對編碼調(diào)制信號進行擴頻調(diào)制。這樣，多徑信道下的短突發(fā)傳輸編碼調(diào)制過程如圖7所示。此時可設(shè)計如圖8所示的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。

圖7 多徑信道下的編碼調(diào)制過程

圖8 多徑信道下的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)

圖8中為3個信號相疊加。同步信號用于做時間和頻率同步，可直接采用高斯信道下的并行導(dǎo)頻信號。信道估計導(dǎo)頻信號專門用來做多徑信道的估計。編碼調(diào)制數(shù)據(jù)即圖7中產(chǎn)生的編碼調(diào)制符號。

由于OFDM調(diào)制符號工作在擴頻之后，往往為負信噪比，因此不能直接采用與編碼調(diào)制數(shù)據(jù)相同的OFDM符號作為導(dǎo)頻［10］。因此，可設(shè)計如圖9所示的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。圖中，信道估計導(dǎo)頻信號為多個OFDM導(dǎo)頻符號的重復(fù)。每個OFDM導(dǎo)頻符號包括導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和循環(huán)前綴兩部分。這里的OFDM符號點數(shù)，可以大大小于編碼調(diào)制數(shù)據(jù)的OFDM點數(shù)。其點數(shù)只要大于多徑延遲長度即可。解調(diào)時，首先利用同步信號捕獲突發(fā)信號，并進行頻率補償。然后對重復(fù)的信道估計導(dǎo)頻信號進行累加，提高信噪比。累加后，信道估計導(dǎo)頻信號信噪比較高，可直接FFT做信道估計。然后，將估得的多徑信道參數(shù)進行FFT插值，即可利用插值后的信道參數(shù)對編碼調(diào)制數(shù)據(jù)符號進行均衡。

圖9 信道估計導(dǎo)頻信號結(jié)構(gòu)

同樣，當(dāng)對調(diào)制數(shù)據(jù)符號采用極低碼率的編碼，同時采用擴頻時，適當(dāng)配備同步信號和信道估計導(dǎo)頻信號能量，可以將二者直接疊加在編碼調(diào)制數(shù)據(jù)符號上。這樣，當(dāng)在一定的噪聲水平之上，同步信號和信道估計導(dǎo)頻信號雖然會對編碼調(diào)制信號造成干擾，但不影響解調(diào)的正確性。

3 可行性及性能仿真

本節(jié)采用仿真的方法驗證以上方案的可行性及性能。

3.1 高斯信道下的并行導(dǎo)頻短突發(fā)傳輸方案

按照2.2節(jié)的并行導(dǎo)頻方案，設(shè)T＝1／2 048 s，導(dǎo)頻長1.5 s。設(shè)編碼前信息塊為102 bits，編碼后為528 bits。按照6倍的擴頻，得到3 168碼片。碼片輸出周期也為1／2 048 s。對3 168碼片進行BPSK調(diào)制，并與導(dǎo)頻直接疊加。疊加時導(dǎo)頻能量為BPSK調(diào)制符號能量的1／2。圖10為按照這些參數(shù)的仿真性能。

圖10 AWGN信道下并行導(dǎo)頻短突發(fā)傳輸方案性能曲線

由圖可見，在比特信噪比為4.2 dB時，誤碼率已經(jīng)在10－4以下。此時，符號信噪比約為－10 dB。也即，采用本方案，在－10 dB的信噪比下，實現(xiàn)了高斯白噪聲信道下的短突發(fā)傳輸。

3.2 多徑信道下的并行導(dǎo)頻短突發(fā)傳輸方案

將3.1節(jié)中產(chǎn)生的3 168個碼片，進行OFDM調(diào)制。調(diào)制時OFDM點數(shù)為64，每個符號承載48個碼片，其余為虛擬子載波。循環(huán)前綴為16點。同步導(dǎo)頻信號與3.1節(jié)相同。信道估計導(dǎo)頻信號采用16點的FFT，循環(huán)前綴亦為16點。仿真采用4條路徑的瑞利衰落信道，功率延遲譜按照［0，－3，－6，－9］dB衰減。如圖11為仿真所得的性能曲線。由圖可見，在比特信噪比為6.2 dB時，誤碼率已經(jīng)在10－4以下。此時，符號信噪比約為－8 dB。也即，采用本方案，在－8 dB的信噪比下，實現(xiàn)了瑞利衰落多徑信道下的短突發(fā)傳輸。

圖11 多徑信道下并行導(dǎo)頻短突發(fā)傳輸方案性能曲線

4 結(jié)束語

研究了極低信噪比下的極短突發(fā)傳輸方案。針對極低信噪比下需要的導(dǎo)頻較長，較長的幀頭會拉長突發(fā)持續(xù)時間的問題，提出了并行導(dǎo)頻的方案。針對加性高斯白噪聲性道和多徑衰落信道，分別給出了導(dǎo)頻設(shè)計方案。分別在高斯白噪聲信道和瑞利多徑信道下，設(shè)計了2個實例，進行了仿真。根據(jù)本文的仿真，分別在－10 dB和－8 dB的信噪比下，實現(xiàn)了高斯白噪聲信道和瑞利多徑信道下的極短突發(fā)傳輸。

本文的研究，解決了極低信噪比下的極短突發(fā)傳輸問題。這將對某些抗干擾通信、應(yīng)急通信或最低限度通信系統(tǒng)的構(gòu)建具有一定的意義。在本文的基礎(chǔ)上，可進一步進行三方面的研究：①研究極低碼率的編碼，例如1／30碼率［14－16］，進一步提高最低限度通信系統(tǒng)的抗干擾性能，降低其信噪比要求；②研究導(dǎo)頻信號和數(shù)據(jù)調(diào)制信號的最佳能量配比，以達到最小的導(dǎo)頻信號能量開銷；③研究高動態(tài)環(huán)境下的短突發(fā)通信體制。

［1］趙晨輝.第三代短波通信系統(tǒng)突發(fā)波形接收關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010：8－11.

［2］嚴鵬濤.Link16數(shù)據(jù)鏈及抗干擾技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012：9－19.

［3］商英俊.流星余跡信道特征與組網(wǎng)技術(shù)仿真研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009：9－19.

［4］孫洪洋.最低限度通信研究［D］.重慶：重慶通信學(xué)院，2005：4－6.

［5］胡東偉.極低碼率Turbo碼及其應(yīng)用研究［J］.無線電工程，2014，44（12）：1－3.

［6］胡東偉，李江鵬，陳杰.基于符號的循環(huán)狀態(tài)Turbo碼及其解碼器［J］.信號處理，2009，25（8A）：361－365.

［7］3GPP TS 25.212 Multiplexing and Channel Coding（FDD）［S］，1999.

［8］徐 濤.毫米波汽車防撞雷達實用化研究［D］.上海：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2003：17－24，37－44.

［9］王金龍.短波數(shù)字通信研究與實踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2013：8－38.

［10］馮海榮.短波OFDM系統(tǒng)中信道估計技術(shù)研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2013：9－28.

［11］儲 曄.OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的信道估計技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2009：25－31.

［12］宋征衛(wèi).MIMO－OFDM同步與信道估計技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008：45－50.

［13］于 蕾.OFDM系統(tǒng)的信道估計技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009：39－45.

［14］岳 平，胡 飛.深空通信中極低碼率編碼技術(shù)研究［J］.通信技術(shù)，2012，45（11）：20－22.

［15］Yue Guosen，Ping Li，Wang Xiaodong.Generalized Low-Density Parity-Check Codes Based on Hadamard Con-straints［J］.IEEE Trans.On Information Theory，53（3）：1058－1079.

［16］翟政安，羅 倫，時信華，深空通信信道編譯碼技術(shù)研究［J］.飛行器測控學(xué)報，2005（24）：1－5.

A New Short Burst Transmission Technique based on Parallel Pilot Pattern

HU Dong-wei1，2，WANG Li-nan1，2，WANG Yong-chao1，2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In order to reduce the signal support length of burst transmission under low signal-to-noise environment，an approach of parallel pilot pattern is proposed in this paper.The channels are classified into two categories：Additive White Gaussian Noise channel and multipath fading channel.For the two categories of channels，pilot patterns and their functions are proposed respectively for short burst transmission.Simulations employed have verified the feasibility and performance of the proposed pilot patterns.

short burst transmission；low code rate；Signal to Noise Ratio.

TN919

A

1003－3114（2015）06－50－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.13

胡東偉，王力男，王永超.一種基于并行導(dǎo)頻的短突發(fā)傳輸方法［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：50－53.

2015－06－11

胡東偉（1980—），男，博士，高級工程師，主要研究方向：無線通信理論及集成電路設(shè)計。王力男（1968—），男，高級工程師，主研究方向：衛(wèi)星移動通信、衛(wèi)星抗干擾。