超宽带空形编码方案在军事和民用通信中的应用研究

作者：宋晓鸥;向新;曹闹昌;唐红

超宽带（UWB）技术是近年来发展很快的一种新型无线通信技术，其采用极窄脉冲串来携载信息，因此，UWB信号具有相对较低的中心频率和极宽的频谱宽度。典型UWB信号的相对带宽至少为20％，绝对带宽超过500 MHz。其超宽的带宽使接收信号具有十分良好的时间分辨能力，具有很好的衰落抑制能力，易于Rake接收机的使用，以实现多径分集。而相对较低的中心频率使UWB信号具有穿透某些物质的能力。这些特点使UWB系统成为短距离、高速率室内无线通信的很好选择，同时，由于其较低的发射功率和超宽的带宽，使其具有十分良好的低截获／检测性能，非常适用于战场无线通信。美军已经研制出具有极低的截获和检测概率的UWB战场通信系统，而且UWB采用的脉冲通信体制已经在美军高速航空数字通信中实现了应用，因此很有必要进行此方面前瞻性研究。

现在，在多输入多输出（MIMO）信道上实现无线传输的技术已得到了很大的发展，它采用多个发射以及接收天线为无线通信提供更大的系统容量。在给定系统复杂度的情况下，MIMO系统进一步采用空时编码技术，通过合理地选择编码，可以实现时域上的分集；而发射端和接收端采用多天线，则提供了空间分集。这大大增加了频谱效率，并且用较低的复杂性（所有发射端的编码和接收端的处理都可以用线性处理实现）获得了分集增益和编码增益。这样在不影响性能的情况下分集的负担就转移到了发射端。

本文的研究将致力于两项技术进行有机的结合，并在此基础上引入波形域分集的概念，提出超宽带空形编码方案，这将拓展常规空时编码的概念。在军事和民用通信应用中均具有广泛的应用前景，特别是在军事通信中应用前景非常广泛。

1 模拟空时码编码方案

为了提高超宽带通信系统的性能，文献提出了基于空时分组码的模拟空时码（因为涉及到符号内的脉冲波形编码所以叫做模拟空时码），针对于两个发射天线的情况，给出了两种编码方案。下面就具有两个发射天线和一个接收天线的系统，以单用户PAM调制介绍模拟空时码。假定多径信道是块衰落的（blocking fading），即在一个符号时间内保持不变，之后则可随机变化；通过选择合适的帧持续时间Tf，避免出现帧间干扰和符号间干扰；传送一个符号所用的脉冲数（即时间帧数）是偶数；多根天线传送的信号的总能量与单发单收时一根天线传送的能量相同。两发一收的多天线超宽带系统框图如图1所示。

本方案在一个符号周期内两根发射天线发送同一符号s。第一根天线发送的信号为：

式中：ε为两根天线发射的总能量，系数2是为了保持与单天线发射相同的功率。

2 空形编码方案

通信中除了空间、时间、频率等资源外，还有传输可用的波形，可以考虑在空间域和波形域添加合适的冗余实现新形式的编码：空间-波形编码（空形编码）。本节拟在前一节空时编码研究的基础上，采用波形形状编码思路，实现空形编码，并讨论其在超宽带通信中的应用。下面就具有两个发射天线和一个接收天线的系统，以单用户PAM调制介绍空形编码，假定条件与模拟空时码假设条件相同。

2.1 系统模型

本方案基于模拟空时码编码方案提出了利用不同天线发射不同脉冲波形间正交性的空形编码方案，在同一时刻不同天线发射相同符号。该方案的系统框图如图2所示。

如图2所示，第一根天线使用的调制脉冲为ω0（t），第二根天线使用的调制脉冲为硼ω1（t），这两个脉冲在时域上是标准正交的，即：

由此可知，空形编码方案分集增益为L，而编码增益为βL／2。空形编码方案I的分集增益是单发单收UWB系统的两倍，但编码增益却损失了3 dB。从理论分析上看空形编码方案和模拟空时码编码方案的性能是一样的，下面对其进行实验证明。

2.2 性能仿真

在相同条件下对模拟空时码编码方案（AnalogueSTC）和空形编码方案（SSC）进行仿真。采用超宽带CMI信道模型，信道参数选择为簇平均到达率Λ=0.023 3；脉冲平均到达速率λ=2.5；簇的功率衰减因子Γ=7.1；簇内脉冲的功率衰减因子γ=4.3；簇的信道系数标准偏差σε=3.394 1；簇内脉冲的信道系数标准偏差σζ=3.394 1；信道幅度增益的标准偏差σg=3。Rake接收机采用P-Rake，其抽头数L=16。假设两正交脉冲ω0，ω1。为Hermite一阶和两阶脉冲，脉冲宽度Tw=0.5 ns，Tf=300 ns，Nf=10，脉冲波形如图3所示。模拟空时码编码方案所用脉冲为高斯单脉冲，性能仿真如图4所示。

3 结语

如图4 所示，模拟空时码编码和空形编码在相同条件下性能相同，空形编码方案不同的天线上分别采用不同的脉冲，利用不同脉冲波形间的正交性来实现发射分集，而模拟空时码不同天线上采用同一种脉冲，天线间的发射分集是通过符号内帧间脉冲编码实现的，因此实验证明，当同一时刻从两根天线上发送相同符号时，基于空形编码方案的空间一波形域发射分集可以取代基于模拟空时码的空间-时间域发射分集。空形编码方案比模拟空时码编码方案具有更简单的收发机结构，并且空形编码方案在每帧内不同天线发射的符号都是正交的，所以当信道在帧与帧之间随机变换时同样可以获得空间分集增益，即空形编码方案适合快衰落信道，而模拟空时码编码方案只适合块衰落信道（一个符号周期内帧与帧间的信道是不变的，不同符号周期间信道是随机变换的）。

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