胡金鎖，周?chē)?guó)印，張迎，邵啟紅，馮曉容

(1.32180部隊(duì)，北京 100072；2.武漢中元通信股份有限公司研究開(kāi)發(fā)中心，湖北 武漢 430205)

0 引言

具有人工智能輔助決策能力和云計(jì)算支撐能力的裝備(如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)、5G計(jì)算及指控終端)使戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)更加智能化、高效化。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和軟硬件設(shè)備的異構(gòu)性導(dǎo)致通信資源的協(xié)同變得異常復(fù)雜[1-5]。通信資源協(xié)同的范疇較為寬泛，從實(shí)現(xiàn)層級(jí)來(lái)分，包括能源層協(xié)同[6-7]、應(yīng)用層協(xié)同[8-9]、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)同[10-14]、鏈路層及物理傳輸層協(xié)同[15-19]。相對(duì)民用通信系統(tǒng)而言，戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)缺乏固定基礎(chǔ)設(shè)施且機(jī)動(dòng)性要求高，是諸多高層級(jí)協(xié)同理念難以直接應(yīng)用的技術(shù)原因。

基于鏈路層及物理層的協(xié)同傳輸(CT)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同支撐性技術(shù)，具有不依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用形式的特點(diǎn)[20-21]。CT技術(shù)的分類(lèi)包括：1)依協(xié)同設(shè)備使用方式可分為專(zhuān)用、非專(zhuān)用、輔助性設(shè)備，如衛(wèi)星屬于典型的專(zhuān)用中繼協(xié)同設(shè)備；2)依協(xié)同跳數(shù)及拓?fù)潢P(guān)系可分為兩跳、多跳、分布式、鏈?zhǔn)降?，如自組網(wǎng)屬于分布式多跳協(xié)同、微波接力機(jī)屬于多跳鏈?zhǔn)絽f(xié)同[22]；3)依信息變化可分為透明中繼、可再生中繼協(xié)同；4)依協(xié)議處理層級(jí)分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)同；5)依信號(hào)處理模型分為估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)、壓縮轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)、消除轉(zhuǎn)發(fā)、聚集轉(zhuǎn)發(fā)等類(lèi)別。表1 為CT技術(shù)分類(lèi)。

表1 CT技術(shù)分類(lèi)

保持戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)鏈路的通連性是研究CT技術(shù)的首要目的，具體包括：1)在鏈路變差情況下，通過(guò)有效措施使信噪比高于容忍極限，以保持通連；2)在鏈路中斷或障礙遮擋情況下，通過(guò)配置單個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，完成越障通信。

1 問(wèn)題提出

如圖1所示，考慮戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)中的一條動(dòng)態(tài)通信鏈路(從運(yùn)動(dòng)源端S到運(yùn)動(dòng)目的端D)，因電磁波傳播環(huán)境變化導(dǎo)致的鏈路變差或鏈路中斷難以避免。為保證傳輸任務(wù)執(zhí)行，考慮如下應(yīng)對(duì)措施：1)采用多天線協(xié)同，即多輸入多輸出(MIMO)協(xié)同以提高鏈路穩(wěn)定性和可靠性，需要明確收發(fā)天線數(shù)量及配置策略、復(fù)用和分集選擇、多通道接收數(shù)據(jù)的合并依據(jù)；2)采用中繼協(xié)同以提高鏈路的抗遮擋能力，需要明確中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量和形態(tài)(如是否需要升空)、多中繼空間位置與鏈路信號(hào)噪聲功率比(SNR)的關(guān)系。

2 系統(tǒng)模型

鏈路中斷概率預(yù)估和影響因素分析是CT技術(shù)應(yīng)用的前置條件，作戰(zhàn)想定是傳輸容量的設(shè)計(jì)依據(jù)和判定標(biāo)準(zhǔn)。單天線收發(fā)鏈路的信道容量C與信道帶寬B、接收信號(hào)功率P及噪聲功率N的關(guān)系由香農(nóng)公式給出如下：

C=Blog2(1+P/N)

(1)

當(dāng)信道環(huán)境發(fā)生變化(如傳播距離變遠(yuǎn)、多徑、遮擋、干擾等)時(shí)，接收端信噪比γ=P/N可視為隨機(jī)分布變量。當(dāng)γ值低于應(yīng)用需求所確定的門(mén)限值γth時(shí)，鏈路承載容量過(guò)載，表現(xiàn)出鏈路中斷狀態(tài)。用φ(γ)表示信噪比γ的概率密度函數(shù)，則中斷概率Po可表示如下：

(2)

若鏈路中斷概率評(píng)估值較高或?qū)嶋H中斷頻發(fā)，則需要應(yīng)用CT技術(shù)保障其通連性，如通過(guò)多天線MIMO協(xié)同或新增中繼節(jié)點(diǎn)予以實(shí)現(xiàn)。

2.1 MIMO協(xié)同模型

立足于通信設(shè)備的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，單設(shè)備中配備多個(gè)通道(獨(dú)立或非獨(dú)立)是多天線MIMO協(xié)同的基礎(chǔ)[15-16]。通過(guò)借鑒先進(jìn)通信標(biāo)準(zhǔn)[17-20]，MIMO協(xié)同的技術(shù)探索已出現(xiàn)在戰(zhàn)術(shù)自組網(wǎng)(Ad-Hoc)、寬帶戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同傳輸組網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)通信抗干擾、雷達(dá)定位、無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)協(xié)同、軍事醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域。MIMO協(xié)同可獲得的收益包括：1)容量增益，用于提高傳輸容量；2)分集增益，用于對(duì)抗信道衰落；3)陣列增益，用于提高接收信噪比；4)波束增益，用于抗干擾或者空間多址。MIMO協(xié)同的典型用法包括：通過(guò)分集提升鏈路可靠性，即降低傳輸誤碼率；通過(guò)復(fù)用提升鏈路容量，即提出傳輸負(fù)載能力。

考慮MIMO分集協(xié)同與鏈路可靠性的關(guān)系，即分集對(duì)誤符號(hào)率(或誤碼率)的提升。在衰落信道中，如果存在L條接收分支，則需要把這些分支所接收的信號(hào)進(jìn)行組合，以獲得極大化的信號(hào)功率。從數(shù)學(xué)上看，分集接收的實(shí)質(zhì)是將信道響應(yīng)不相關(guān)的信號(hào)副本進(jìn)行線性或非線性組合。常用的合并方法有3種：選擇合并、等增益合并以及最大比合并。用rh(t)表示第h(h=1，2，…，L)條分支接收的信號(hào)副本，αh表示加權(quán)系數(shù)并滿(mǎn)足功率歸一化條件(即信號(hào)功率不變)，r(t)表示組合后的信號(hào)，

(3)

為便于分析比較，假定分支條數(shù)為L(zhǎng)，各分支經(jīng)衰落信道(Rayleigh信道或Rician信道)，則每條分支的平均信噪比可表示為

(4)

式中：Ωl表示功率衰減均值；Es為符號(hào)平均功率；N0為噪聲功率密度；ks為每符號(hào)比特?cái)?shù)；Eb為每比特平均能量。矩母生成函數(shù)(MGF)是在已知信噪比情況下求符號(hào)錯(cuò)誤率(SER)的有效數(shù)學(xué)工具，在Rayleigh衰落情況下，每分支的MGF可用s變換表示為

(5)

(6)

式中：K為直達(dá)路徑和散射路徑的能量比值(即Rician因子)。利用MGF與SER之間的關(guān)系，則可得到在典型調(diào)制方式(M-PSK)下，在采用MRC方式進(jìn)行合并時(shí)的SER解析表達(dá)式[23]如下：

(7)

式中：M為接收天線數(shù)；θ為積分變量。依據(jù)不同調(diào)制階數(shù)，可根據(jù)SER求出比特錯(cuò)誤率(BER)，得到MIMO協(xié)同前后鏈路誤碼率解析表示式(當(dāng)L=1時(shí)表示協(xié)同前)。

考慮多天線協(xié)同導(dǎo)致的傳輸容量的變化。用N表示發(fā)射天線數(shù)，用n(n=1，2，…，N)表示發(fā)射天線序號(hào)，則第m副天線接收信號(hào)為N個(gè)分支(或副本/支路)信號(hào)和，每支信號(hào)為信道沖激響應(yīng)hm,n(t)與信號(hào)sn(t)的卷積，即表示為

(8)

式中：ηm(t)為第m通道噪聲。在窄帶平坦衰落信道，即發(fā)射信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)的多徑信道的相干帶寬，此時(shí)信道沖激響應(yīng)可看作一個(gè)沖激函數(shù)(δ函數(shù))，即

hm,n(t)=hm,n(t)δ(t)=hm,n(0)

(9)

第m副天線接收到的信號(hào)可用直接相乘代替卷積過(guò)程，即有

(10)

將(10)式進(jìn)行如下處理：1)以時(shí)間t=kTs(Ts為抽樣時(shí)間間隔)進(jìn)行抽樣，得到離散信號(hào)模型；2)用符號(hào)間隔內(nèi)的信號(hào)能量Es與噪聲能量ηt進(jìn)行歸一化處理，則離散時(shí)間MIMO系統(tǒng)模型為

(11)

式中：Y(k)為M維接收符號(hào)向量；H表示M×N階信道響應(yīng)矩陣；s(k)表示N維發(fā)射符號(hào)向量；η(k)表示M維加性高斯白噪聲向量。

在各天線互相獨(dú)立的條件下，N發(fā)M收的MIMO系統(tǒng)其信道容量[24]可表示為

(12)

式中：IM為M階單位矩陣。不難發(fā)現(xiàn)，MIMO協(xié)同采用復(fù)用方式時(shí)，容量提高的理論極限值為M。

2.2 多跳中繼協(xié)同模型

考慮對(duì)透明中繼進(jìn)行建模，以評(píng)估多跳協(xié)同后的SNR。如圖2所示，源終端S發(fā)射信號(hào)中包含有用信號(hào)s0(t)和噪聲n0(t)，經(jīng)H跳到目的終端D并被接收。在第h(h=1,2,…,H)跳過(guò)程中，gh表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)幅度增益，dh表示該跳傳輸距離，αh表示幅相衰減因子，nh表示接收到的加性噪聲，Hop表示跳數(shù)。

該鏈路屬于典型的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)第h跳后的信號(hào)可表示為

sh(t)=ghαhsh-1(t)+nh(t)

(13)

sh(t)=κhs0(t)+hnT

(14)

(15)

矩陣n(t)維度為1×(h+1)，具體為

(16)

用γh表示第h跳后的信號(hào)信噪比，即可得

(17)

(18)

特別地，當(dāng)H=2時(shí)，鏈路為基本的雙跳中繼鏈路，此時(shí)信號(hào)為

s2(t)=g2α2g1α1·s0(t)+

(19)

滿(mǎn)足假定條件下的信噪比如下：

(20)

不難發(fā)現(xiàn)，協(xié)同透明中繼后信噪比會(huì)隨著級(jí)數(shù)增多而降低。對(duì)再生中繼而言，節(jié)點(diǎn)在信號(hào)再生(譯碼再編碼)過(guò)程中抑制了噪聲的影響，多跳協(xié)同后的信噪比優(yōu)于透明中繼，且與中繼節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)系統(tǒng)性能有關(guān)。

高層建筑的抗震效果與施工過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)、每道工序也是息息相關(guān)的，因此我們?cè)谑┕がF(xiàn)場(chǎng)應(yīng)高度重視施工中各個(gè)工序的管理工作，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范科學(xué)合理地安排每一個(gè)施工環(huán)節(jié)，確保建筑的工程質(zhì)量滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)的要求。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)行模型驗(yàn)證和效果評(píng)估，在Windows 10操作系統(tǒng)環(huán)境下，基于MATLAB仿真軟件進(jìn)行4組仿真實(shí)驗(yàn)，仿真信道環(huán)境包括高斯信道、多徑衰落信道(瑞利信道模型、萊斯信道模型)，仿真配置依據(jù)具體協(xié)同模型。

3.1 MIMO協(xié)同

MIMO協(xié)同實(shí)驗(yàn)主要考慮為如何對(duì)數(shù)量有限的收發(fā)天線進(jìn)行配置、不同空時(shí)編碼方式、不同的鏈路合并形式對(duì)鏈路傳輸BER的影響。仿真參數(shù)為：1)調(diào)制方式采用BPSK調(diào)制；2)信道編碼方案為無(wú)差分編碼、無(wú)信道編碼；3)分集合并方式采用MRC方案；4)功率分配采用等功率方案，即單天線發(fā)射功率1 W，雙天線發(fā)射每個(gè)天線0.5 W；5)天線配置包括單發(fā)雙收、雙發(fā)單收及用于對(duì)比的單發(fā)單收。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)1 雙天線下發(fā)射分集與接收分集BER對(duì)比

用Tx和Rx表示發(fā)射和接收，現(xiàn)分析雙發(fā)單收(2Tx，1Rx)和單發(fā)雙收(1Tx，2Rx)的BER性能。對(duì)于雙發(fā)單收(2Tx，1Rx)配置，為避免同時(shí)同頻導(dǎo)致的自干擾，采用Alamouti空時(shí)編碼分集方案。對(duì)于單發(fā)雙收(1Tx，2Rx)配置，采用MRC方案，并與常規(guī)的單發(fā)單收(SISO)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

不難發(fā)現(xiàn)：1)與SISO方案相比，兩種方案均有性能增益，且信噪比越高收益越明顯；2)MRC(1Tx，2Rx)接收分集相比采用Alamouti(2Tx，1Rx)的發(fā)射分集具有3 dB的增益，這是因?yàn)閷煞N情況總發(fā)射功率設(shè)置相同導(dǎo)致的。如果調(diào)整發(fā)射功率，使這兩種情況下的接收功率相同，則二者具有相同性能。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)2 天線數(shù)量為4的分集方案仿真對(duì)比

考慮在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)架構(gòu)中，需要評(píng)估不同的收發(fā)天線/通道配置所獲得誤碼率性能，例如在4個(gè)天線可供配置的情況，需要考慮1發(fā)4收(1Tx,4Rx)分集方案、2發(fā)2收(2Tx,2Rx)分集方案以及4發(fā)1收(4Tx,1Rx)分集方案共3種情況的效果。仿真參數(shù)調(diào)制方式為QPSK，傳輸速率設(shè)置為相同的1位/(s·Hz-1)，信道模型為多徑衰落信道(平坦衰落)，采用平坦衰落信道下SISO架構(gòu)的BER理論值作為對(duì)比參考。在發(fā)射分集方案中，采用正交空時(shí)分組編碼(OSTBC)進(jìn)行1/2碼率進(jìn)行預(yù)編碼；在2發(fā)2收(2Tx,2Rx)方案中，采用Alamouti方案；在1發(fā)4收(1Tx,4Rx)分集方案中，采用MRC方案，并假設(shè)能正確估計(jì)出各路信號(hào)的合并系數(shù)。仿真的Eb/N0范圍設(shè)置為0～20 dB，仿真的BER取現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果表明：1)采用MIMO架構(gòu)相比SISO架構(gòu)具有非常明顯的BER性能提升，如BER為10-2時(shí)MRC方案相對(duì)SISO可將Eb/N0的要求降低15 dB；2)基于OSTBC編碼的發(fā)射分集方案比MRC準(zhǔn)則接收分集的BER特性要差，表明在天線數(shù)量約束情況下，應(yīng)選用接收分集以期待獲得更好的效果，其原因在于發(fā)射分集無(wú)法避免自身連續(xù)干擾；3)Alamouti方案具有良好的折中性能，在獲得比SISO更好性能的同時(shí)還能保證收發(fā)天線/通道配置的無(wú)差異性，是無(wú)差異節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)的理想架構(gòu)方案。

考慮瑞利衰落信道MIMO協(xié)同的BER性能，基于前述理論分析，圖5繪出了BPSK調(diào)制方式在AWGN信道及衰落信道分集的對(duì)比。仿真實(shí)驗(yàn)表明：1)在衰落信道環(huán)境中采用協(xié)同方式能顯著改善系統(tǒng)的端到端傳輸BER性能；2)理論上分支足夠多時(shí)，多分支協(xié)同在衰落信道中的性能可以逼近AWGN信道，但基于性?xún)r(jià)比考慮，采用2～4分集即可在性能和成本方面進(jìn)行較好的折中處理。

3.2 多跳協(xié)同

多跳協(xié)同實(shí)驗(yàn)主要考慮多跳對(duì)BER的改善及跳數(shù)與SNR的關(guān)系。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)1 無(wú)協(xié)同(單跳)與有中繼協(xié)同(雙跳)的BER性能對(duì)比

兩種場(chǎng)景下D-BPSK的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1)在高SNR區(qū)域，兩種場(chǎng)景下的誤碼率曲線斜率相同，表明兩種方案具有相同的分集度；2)雙跳鏈路的性能差別主要是由功率增益導(dǎo)致，如果不考慮兩跳中繼鏈路相比于傳統(tǒng)的單跳鏈路的功率增益，則直傳鏈路的性能會(huì)優(yōu)于多跳場(chǎng)景。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)2 協(xié)同鏈路的跳數(shù)與SNR之間的關(guān)系

依據(jù)前述理論分析，圖7給出了協(xié)同鏈路的跳數(shù)與SNR之間的關(guān)系。仿真條件為：1)每節(jié)點(diǎn)采用等間距，即d相同；2)每節(jié)點(diǎn)之間假設(shè)電磁環(huán)境相同，即衰減因子α相同；3)源節(jié)點(diǎn)信噪比進(jìn)行歸一化處理為0 dB；4)考慮衰減補(bǔ)償值gα(g為幅度增益，α為幅度衰減)3種典型情況，即大于1、小于1、等于1。

圖7仿真結(jié)果表明：1)節(jié)點(diǎn)幅度增益g應(yīng)需要補(bǔ)償幅度衰減α的影響，即滿(mǎn)足gα>1；2)當(dāng)補(bǔ)償增益g不夠時(shí)，SNR損失與跳數(shù)呈近似線性關(guān)系；3)多跳的SNR損失主要是由前級(jí)導(dǎo)致的，當(dāng)gα>2時(shí)，SNR與跳數(shù)關(guān)聯(lián)較弱，即SNR損失很小。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)MIMO協(xié)同的源端和終端均需多通道數(shù)字接收架構(gòu)。專(zhuān)用于中繼的協(xié)同節(jié)點(diǎn)工作方式包括直接轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、線性放大轉(zhuǎn)發(fā)(LF)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)等，需要基于模擬硬件和數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)。LF在AF基礎(chǔ)上增加預(yù)失真電路以保證轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的線性度，DF通過(guò)譯碼過(guò)程抑制了信號(hào)噪聲，增加了處理步驟和處理時(shí)延。

4.1 收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

典型的模擬硬件結(jié)構(gòu)中繼收發(fā)機(jī)包括收發(fā)天線、雙工器、接收帶通濾波器(R-BPF)、低噪聲放大器(LNA)、頻率綜合器、頻率變換器、線性處理器、帶通濾波器(BPF)、功率放大器(PA)、發(fā)送帶通濾波器(T-BPF)、電源等，如圖8所示。模擬結(jié)構(gòu)可用于AF、線性放大轉(zhuǎn)發(fā)(LF)中繼，由于信號(hào)不能存儲(chǔ)，不能適用于時(shí)分轉(zhuǎn)發(fā)(TDR)系統(tǒng)，應(yīng)用設(shè)計(jì)主要考慮可編程頻率偏移設(shè)計(jì)、可變功率設(shè)計(jì)、高隔離雙工濾波器設(shè)計(jì)等。

典型數(shù)字硬件結(jié)構(gòu)中繼收發(fā)機(jī)在模擬硬件結(jié)構(gòu)中繼收發(fā)機(jī)基礎(chǔ)上增加了信號(hào)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)、正交調(diào)制解調(diào)等模塊，如圖9所示。數(shù)字結(jié)構(gòu)可用于透明中繼和可再生中繼，因具有存儲(chǔ)功能，可用于TDR系統(tǒng)，應(yīng)用設(shè)計(jì)主要考慮同步、內(nèi)存、高速數(shù)據(jù)總線、基帶協(xié)議棧、濾波器復(fù)用等。

4.2 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度

對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜度(或成本)的評(píng)估是系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中需要考慮的實(shí)際問(wèn)題。由于純模擬結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)任何可再生中繼協(xié)議，其一般用于窄帶系統(tǒng)，對(duì)時(shí)鐘頻率和放大器的要求均不是非常嚴(yán)格。兩種結(jié)構(gòu)對(duì)雙工器均有很高的要求，尤其是頻分中繼方式，需要較高的收發(fā)隔離度防止系統(tǒng)內(nèi)部干擾；LNA的復(fù)雜程度取決于信號(hào)帶寬，帶寬越大則保證信號(hào)線性度的難度越大；表2為兩種結(jié)構(gòu)主要模塊(濾波器、時(shí)鐘頻率、功率放大器、信號(hào)處理、信號(hào)存儲(chǔ))的復(fù)雜度對(duì)比。

表2 硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對(duì)比

5 結(jié)論

本文在對(duì)現(xiàn)有通信協(xié)同方式進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比的基礎(chǔ)上明確了基于物理層和鏈路層的CT對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信的重要意義，確立了保持鏈路的通聯(lián)性的戰(zhàn)術(shù)CT準(zhǔn)則。給出了典型的CT應(yīng)用場(chǎng)景，建立了數(shù)學(xué)模型及數(shù)學(xué)分析、進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。提出了CT的模擬和數(shù)字硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)硬件復(fù)雜度進(jìn)行了對(duì)比。文中應(yīng)用場(chǎng)景模型、理論及仿真驗(yàn)證、硬件架構(gòu)及特點(diǎn)分析對(duì)于CT系統(tǒng)規(guī)劃、項(xiàng)目設(shè)計(jì)及裝備研制具有參考意義。