一种宽带地空通信系统组网方案

一种宽带地空通信系统组网方案费满锋１，２，易克初１（１．西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，陕西西安７１００７１；２．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄０５００８１）摘要：针对低仰角宽带地空通信中信道多径时延较大和快速时变的特点，提出了一种多址方式新颖的星型网组网方案．其内向链路采用基于Ｇｏｌａｙ互补序列的异步码分多址方式，其外向链路采用基于Ｗａｌｓｈ序列的Ｍ元扩频码分复用技术，内向链路抗多址干扰能力很强，两种链路的接收端都因结合了滤波器组频域均衡技术（ＦＢＦＤＥ）因而具有很强的抗多径衰落能力，并具有频带效率高，结构简单等优点．这种多址接入方式和组网方案很适合于低仰角下宽带地空通信信道环境中的应用，其主要性能得到仿真验证，具有很好的应用前景．关键词：滤波器组；频域均衡；宽带地空通信；正交码分复用；码分多址中图分类号：ＴＮ９１１７２文献标识码：Ａ文章编号：０３７２２１１２（２０１０）０１００８７０５ＡＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＳｃｈｅｍｅｏｆＷｉｄｅｂａｎｄＧｒｏｕｎｄＡｉｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＦＥＩＭａｎｆｅｎｇ１，２，ＹＩＫｅｃｈｕ１（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｅｒｖｉｃｅｓＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓａａｎｘｉ７１００７１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ５４ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，ＨｅＢｅｉ０５００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｒｇｅｍｕｌｔｉｐａｔｈｄｅｌａｙａｎｄｆａｓｔｃｈａｎｎｅｌｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｗｉｄｅｂａｎｄｇｒｏｕｎｄａｉｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｌｏｗｅｌｅｖａｔｉｏｎ，ａｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｓｃｈｅｍｅｏｆｓｔａｒｓｈａｐｅｔｏｐｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎａｎｏｖｅｌｍｕｌｔｉａｃｃｅｓｓｍｏｄｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＩｔｓｉｎｂｏｕｎｄｌｉｎｋｉｓａｎａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣＤＭＡｍｏｄｅｂａｓｅｄｏｎＧｏｌａｙｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，ｗｈｉｌｅｉｔｓｏｕｔｂｏｕｎｄｌｉｎｋｕｓｅｓｃｏｄｅｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＷａｌｓｈｓｅｑｕｅｎｃｅｓＭａｒｙｓｐｅｃｔｒｕｍｓｐｒｅａｄｉｎｇ．Ｔｈｅｉｎｂｏｕｎｄｌｉｎｋｈａｓｖｅｒｙｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎｔｉｍｕｌｔｉａｃｃｅｓｓｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｂｏｔｈｌｉｎｋｓｈａｖｅｖｅｒｙｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎｔｉｍｕｌｔｉｐａｔｈｆａｄｉｎｇｓｉｎｃｅｔｈｅｙｅｍｐｌｏｙｆｉｌｔｅｒｂａｎｋｓｆｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ（ＦＢＦＤＥ）ｉｎｔｈｅｉｒｒｅｃｅｉｖｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌｓ，ｍｏｒｅｏｖｅｒｔｈｅｙｈａｖｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｉｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｕｌｔｉａｃｃｅｓｓｍｏｄｅａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｓｃｈｅｍｅｉｓｑｕｉｔｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｗｉｄｅｂａｎｄｇｒｏｕｎｄａｉｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌｏｗｅｌｅｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍａｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｔｉｓｐｒｏｍｉｓｉｎｇｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｌｔｅｒｂａｎｋｓ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｗｉｄｅｂａｎｄｇｒｏｕｎｄａｉｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｏｄｅｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；ＣＤＭＡ（ｃｏｄｅｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅａｃｃｅｓｓ）１宽带地空链路简介低仰角下宽带地空通信中如何克服多径衰落影响是一个公认的有挑战性的课题．如果将飞行器作为宽带通信节点载荷，具有空中中继和指挥功能，将多个地面站的上行数据进行交换转发，这种情况下上行链路和下行链路均需要大容量的高速数据传输．地面采用全向天线的情况下，较远的通信距离造成反射多径时延很大，最大多径时延可能长达３０多微秒；飞行器运动速度较高，通常可达４４０ｍ／ｓ［１］，此时多普勒频移相对值可达１４７×１０－６；由于各个多径分量的多普勒频移存在较大差异，造成信道特性快速时变．为了能够大幅度提高系统的传输容量和适应更高的飞行速度，工程中通常采用定向天线来改善信道的衰落特性，但是即使天线波束宽度只有１５°，通信距离２００ｋｍ时，低仰角情况下带来的最大反射多径时延也可达４μｓ，信道多普勒扩展达到几百赫兹，地空信道仍然具有比较明显快速时变特性．为了实现地空宽带通信系统中地面站与多个飞行器通信终端的完全链接，地空数据链可以构建星型拓扑结构的地空通信网，其中心站可以是地面站，也可以是飞行器，这两类星型网的性能有较大差异，但它们多址接入方式的选择原则有一些类似性．地空通信系统的多址接入方式可以采用空分多址、频分多址、码分多址、时分多址，以及它们的组合，实现一种高速数据通信星型网．从星型网的概念来说，其传收稿日期：２００８０８１６；修回日期：２００８１２２０基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．６０５７２１４８）第１期２０１０年１月电子学报ＡＣＴＡＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．３８Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１０输链路通常是以中心站为基准来定义的，由中心站向各个用户站发送信息的链路称为外向链路（ＯｕｔｂｏｕｎｄＬｉｎｋ），反过来则称内向链路（ＩｎｂｏｕｎｄＬｉｎｋ）．考虑要在存在较严重多径衰落条件下实现一个通信容量较大的宽带通信网，采用码分多址方式组网应该是优先的选择．传统的ＣＤＭＡ系统是一种自干扰系统，不同用户之间扩频码正交性不良将导致多用户间的干扰，加之无线信道多径衰落的影响，都将造成系统容量的降低，常常需要采用多用户联合检测技术才能解决．本文提出一种适于宽带地空通信外向和内向链路特点的多址接入组网方案，其基本思想是：作为星形网的外向链路，是一种广播性的多路复用传输链路．因为它的发射源只有一个，很容易实现同步传输，为了得到较高的频带效率，以Ｗａｌｓｈ码为基础构成Ｍ元多码扩频系统，并在接收端采用滤波器组频域均衡（ＦＢＦＤＥ）技术消除多径影响，恢复Ｗａｌｓｈ码的正交性．外向链路中可以根据不同用户传输带宽的要求，动态激活和分配不同数目的扩频通道给不同的用户，由于采用同步传输，Ｗａｌｓｈ序列的正交性保证了每个飞行器收到的信号不存在多用户干扰［２］．内向链路则采用正交码分复用技术ＣＤＭＡ（ＯＣＤＭＣＤＭＡ）和ＦＢＦＤＥ技术相结合的多址接入方案，该方案从根本上解决了传统扩频码正交性不良带来的多用户干扰和信道衰落带来的多径干扰，可满足内向链路由于不同飞行器与地面中心站距离不同的情况下大容量异步多址传输的需求．如果上述系统采用正交频分复用（ＯＦＤＭ）系统频域均衡或单载波频域均衡（ＳＣＦＤＥ）系统进行抗多径信息传输，频率选择性衰落和信道快速时变，对通信系统分析观测时长提出了相互矛盾的要求，前者希望窗长尽可能长，以便循环前缀能长于最大多径时延；后者希望窗长尽量短，以便能适应信道的快速时变．ＯＦＤＭ系统或ＳＣＦＤＥ系统都很难满足这种相互矛盾的要求，而采用滤波组频域均衡技术（ＦＢＦＤＥ）进行抗多径传输［２］，可以有效缓解上述矛盾．这大概是ＦＢＦＤＥ正逐渐得到人们重视的主要原因．此外，如果将ＳＣＦＤＥ技术应用到ＯＣＤＭＣＤＭＡ系统的内向链路中，还存在由于各路引入的循环前缀不完全同步，接收时去掉循环前缀将破坏正交互补码正交性的问题，这将产生多址干扰，导致ＯＣＤＭＣＤＭＡ系统容量的降低，因此ＳＣＦＤＥ技术不适用于ＯＣＤＭＣＤＭＡ系统．２ＯＣＤＭＣＤＭＡ系统正交互补码具有理想的自相关和互相关性能，用正交互补码作为扩频码的ＣＤＭＡ系统可以有效减小多径衰落和多址干扰（ＭＡＩ）的影响，从而使系统性能只受到噪声的限制，性能比ＤＳＣＤＭＡ系统有很大提高．本文参照文献［３］Ｃｈｅｎ提出的原理，提出了一种异步ＯＣＤＭＣＤＭＡ系统方案，该方案采用正交格雷互补序列实现码分复用，形成多个相互正交的多值码片序列，作为各个用户进行扩频的特征码，实现一种异步ＣＤＭＡ系统，如图１所示．本文主要的不同点是：不用多元的正交互补码，而用格雷互补序列构成正交互补码，因而不需要采用多载波调制方式进行传输，具体实现方法如图１所示．发送端输入速率为Ｒｂｉｔ／ｓ的信息流，经串并转换后其信息速率降为Ｒ／Ｎ．将Ｎ个比特流中同一时刻的Ｎ比特看作一个符号，那么这Ｎ个比特流也可以看作是一个符号序列．将Ｎ个比特流分别进行Ｌ倍扩频，即将其每一个比特分别用一对Ｌ长的正交互补序列调制，变为一对码片序列，注意这里各个比特流扩频时所用的扩频码互不相同，文献［３］中采用由同一对Ｌ长的正交互补码分别经过不同码片数的循环移位得到的．最后将这Ｎ个复数码片序列的同一时刻的码片值相加，得到一个多值码片序列，再经波形成形后送到正交幅度调制器（ＱＡＭ）实现载波调制，然后经信道传输．由于Ｃｈｅｎ采用的正交互补码的自相关和互相关特性均为零，由格雷互补序列特性可知，其自相关特性为零，为了构建单载波传输系统，找到互相关也为零的格雷互补序列是构建本系统的关键．前面提到，正交互补码的理想相关性是基于各子码衰落一致的条件．Ｃｈｅｎ提出在接收端采用时域自适应递归滤波器来减小多径衰落的影响，当多径时延较大时，滤波器的抽头会非常多，导致设备过于复杂．为了克服这个缺点，本文提出采用ＦＢＦＤＥ与ＯＣＤＭＣＤＭＡ相结合的内向链路传输方案；该方法是在正交码分复用解扩之前，首先经过ＦＢＦＤＥ实现信道均衡，消除多径影响，恢复正交互补码的正交性．该方法避免了时域自适应递归滤波器在多径时延很大情况下复杂性高的问题．对于外向同步传输链路，所有用户可以共用一个导频信号，对于内向异步传输链路由于每个用户信号８８电子学报２０１０年的到达时刻不同，所以每个用户需要携带各自的导频信号来完成接收机的时间同步和信道估计．本文采用Ｃｈｅｎ提出的信号格式，如图２所示，不同之处是导频采用格雷互补序列．３格雷互补序列产生格雷互补序列由一对正交码组成［４］，分别称为Ｃ码和Ｓ码，设序列的码长度为Ｌ，则其自相关函数表示为：Ｒｃｃ（ｉ）＝∑Ｌ－ｉｎ＝１ｃｎｃｎ＋ｉ，Ｒｓｓ（ｉ）＝∑Ｌ－ｉｎ＝１ｓｎｓｎ＋ｉ（１）它们存在如下正交性关系：Ｒｃｃ（ｉ）＋Ｒｓｓ（ｉ）＝２Ｌ，ｉ＝００，ｉ≠{０（２）格雷互补序列只包含两个序列，在文献［５］中定义了文献［３］中采用的通用化的多个序列构成的互补对，格雷互补序列只是正交互补码的一种特殊情况．为了便于实现单载波传输，本文采用格雷互补对．在文献［６］中，将互补序列对的概念拓展到矩阵形式．格雷对矩阵定义为：矩阵对中的一个矩阵的任意一行的序列与另一个矩阵中相对应的行，能够构造成一个格雷序列对，称为格雷对矩阵．过去没有简便的软硬件实现方法，一般都是基于预先选择初始互补序列，再采用递归方式产生所需的序列．文献［７］提出了一种采用硬件方便地产生的格雷互补序列的简便方法．首先产生格雷矩阵对方阵：ＨＮ＝ＨＮ／２ＨＮ／２ＨＮ／２－珟ＨＮ／[]２（３）这里ＨＮ表示Ｎ×Ｎ（Ｎ＝２ｎ，ｎ＞０）的格雷对矩阵，珟ＨＮ是ＨＮ的交换矩阵，那么容易证明ＨＮ具有下述特性：ＨＮＨＴＮ＝ＨＴＮＨＮ＝ＮＩＮ（４）其中ＨＴＮ是ＨＮ的转置，ＩＮ是Ｎ阶的单位矩阵．从式（４）中可以看出，ＨＮ的所有行或列的序列都是彼此正交的，通常把这种正交格雷对矩阵称之为格雷对哈达码矩阵．同理，珟