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摘要 飛機間利用Link-16 進行戰(zhàn)術(shù)與指揮控制信息交互時,若只采用單天線通信,在一些場景中由于信號受機體遮擋會導致通信質(zhì)量嚴重下降,甚至通信中斷,無法實現(xiàn)全空域通信.針對這一問題,提出在機背和機腹各安裝一幅天線,利用雙天線進行信號收發(fā),并結(jié)合Link-16 時隙結(jié)構(gòu),采用空時分組碼技術(shù),在不降低系統(tǒng)頻譜效率的同時實現(xiàn)全空域通信.仿真結(jié)果表明,在單天線通信受機體遮擋影響的場景下,采用空時分組碼的雙天線Link-16 增強系統(tǒng)可有效實現(xiàn)全空域通信. 關(guān)鍵詞 全空域通信,Link-16 數(shù)據(jù)鏈,雙天線,空時分組碼 數(shù)據(jù)鏈作為信息化戰(zhàn)爭的基石,將戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)要素連成一個有機整體[1].Link-16 數(shù)據(jù)鏈是將遍布陸海空的戰(zhàn)場感知系統(tǒng),、指揮自動化系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)和信息攻擊系統(tǒng)等作戰(zhàn)要素聯(lián)為一個有機整體的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是實現(xiàn)戰(zhàn)場信息共享,、縮短指揮決策時間,、快速實施打擊的保障[2].當飛機間利用Link-16 進行信息交互時,在一些場景下,傳統(tǒng)的單天線通信模式存在信號受機翼和機身遮擋影響導致通信質(zhì)量下降,嚴重時無法正常通信的問題. 針對機體對通信信號的遮蔽問題,文獻[3]仿真研究了飛機的機腹和機背天線方向圖受飛機結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)空地數(shù)據(jù)鏈路存在飛機通信“盲區(qū)”;文獻[4]分析了不同飛行方向和機身遮擋的影響,指出飛行方向與信號方向越接近,相關(guān)性越強,信道容量越小,采用空時編碼對機身遮擋可起到抑制作用;文獻[5?6] 對機體遮擋現(xiàn)象進行了建模和分析,文獻[6]所提模型能夠準確刻畫固定遮擋造成的電磁波傳播損耗,可為飛機上通信天線的安裝位置設(shè)計提供參照.為應(yīng)對機體遮擋信號導致通信質(zhì)量下降的問題,文獻[7]提出利用雙天線進行信號接收,通過能量檢測,選擇信號能量大的天線進行接收;文獻[8?9]提出通過對比同步序列相關(guān)峰的大小,選擇雙天線中未被遮擋的天線進行通信,實驗證明雙天線接收能有效解決機體遮擋時造成數(shù)據(jù)通信斷續(xù)的問題.由于發(fā)射信號也可能被機體遮擋,僅采用雙天線接收并不能實現(xiàn)全空域通信.在高斯信道下,文獻[10]針對天線被機身遮擋的問題,提出采用多天線和空時分組碼(Space-Time Block Code,STBC)技術(shù)來實現(xiàn)飛機與地面之間可靠通信的方案,仿真證明該技術(shù)可以有效解決機身對天線的遮擋問題.文獻[11] 在文獻[10]的基礎(chǔ)上,進一步考慮了衰落信道的影響,證明多天線和STBC 還可有效對抗多徑衰落的影響.文獻[12]提出了STBC 在空時聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)中的應(yīng)用.對采用Link-16 數(shù)據(jù)鏈的空空通信,尚未見公開的文獻研究并提出解決機身遮擋收發(fā)信號的技術(shù)方法. 本文對空空通信中機身對通信信號的遮擋情況進行了分析,給出了4 種典型的場景.在此基礎(chǔ)上,提出在機背和機腹各安裝一幅天線的雙天線通信方法,以克服機身對通信信號的遮擋.為了避免采用頻分或時分發(fā)射信號導致的頻譜效率損失,采用兩發(fā)兩收的STBC.同時,根據(jù)Link-16 的數(shù)據(jù)封裝格式,在每個脈沖的空閑部分加入導引符號用于信道估計.仿真結(jié)果表明:所提出的兩發(fā)兩收STBC Link-16 增強傳輸方案,可以有效克服空空通信中機身對信號的遮擋,實現(xiàn)全空域通信. 1 系統(tǒng)模型 1.1 場景分析 空空通信中,飛機間相對位置的變化將導致信號受到不同程度的機體遮擋,影響通信質(zhì)量.為了實現(xiàn)全空域通信,考慮在機身和機腹各安裝一幅天線,此時,機間通信可以分為4 種典型場景. 場景1.如圖1(a)所示,飛機1 位于飛機2 的正下方時,只有飛機1 的機背天線與飛機2 的機腹天線可以正常通信,其余天線間由于機體完全遮擋不能正常通信. 場景2.如圖1(b)所示,當飛機1 與飛機2 有一定距離和高度差時,飛機1 的機背天線能與飛機2 的機腹天線正常通信;飛機1 與飛機2 的機背天線,飛機1 與飛機2 的機腹天線間可以進行通信,但由于受到機身的部分遮擋,信號質(zhì)量將受到一定程度的影響;飛機1 的機腹天線與飛機2 的機背天線由于受到機身的完全遮擋不能通信. 場景3.如圖1(c)所示,當飛機1 與飛機2 距離較遠時,機體對天線的遮擋進一步減小.此時,飛機1的機背天線能與飛機2 的機腹天線正常通信;飛機1與飛機2 的機背天線,飛機1 與飛機2 的機腹天線間可以進行通信,由于受到機身的小部分遮擋,信號質(zhì)量會有所下降;飛機1 的機腹天線與飛機2 的機背天線同樣可以進行通信,但由于受到機身遮擋更嚴重,信號質(zhì)量較差. 場景4.如圖1(d)所示,當2 架飛機距離很遠,或高度差較小時,機體對天線基本沒有遮擋,飛機1與飛機2 的機背天線,飛機1 與飛機2 的機腹天線間可正常通信;飛機1 的機背天線與飛機2 的機腹天線,飛機1 的機腹天線與飛機2 的機背天線可進行通信,但由于受到機身的小部分遮擋,信號質(zhì)量有一定下降. 根據(jù)上述4 種場景,可以建立一個如圖2所示的傳輸模型,上述所有通信場景都可視為該模型的特殊情況.該2 發(fā)2 收系統(tǒng)可以建模如下: 式中,y=［y1,y2］T 是接收信號矢量,H 是2×2 的信道系數(shù)矩陣,其元素hij 表示第j 根發(fā)射天線與第i根接收天線之間的信道衰落系數(shù). s 是2×1 的發(fā)射信號矢量,且表示單位矩陣. n 是均值為0,協(xié)方差矩陣為N0I 的復(fù)高斯隨機噪聲向量. 圖1 通信場景示意圖 1.2 時隙結(jié)構(gòu) 為了在Link-16 中集成上述2 發(fā)2 收傳輸方案,并避免雙天線傳送相同數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)接收信號剛好相位反轉(zhuǎn),信號抵消的情況,可以采用多種方式.例如:兩根發(fā)射天線分時或分頻發(fā)射數(shù)據(jù),兩根接收天線同時接收.但這一方案會降低系統(tǒng)的頻譜效率.為了不降低頻譜效率,對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行碼率為1的STBC,并在每個Link-16 脈沖的空閑部分加入導引序列用于信道估計.為此,需要對Link-16 時隙結(jié)構(gòu)進行適當改進. 改進后的Link-16 標準雙脈沖封裝格式如圖3所示.在Link-16 標準脈沖時隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在不發(fā)送任何信息的2×6.6 us 中插入導引序列,用于接收端的信道估計.采用的導引符號長度NP=32,導引符號矩陣采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)矩陣,其第(m,i)個元素為 圖2 2 發(fā)2 收雙天線傳輸模型 若機間相對運動速度為4 M,工作頻率為1.2 GHz,則最大多普勒頻移為5 440 Hz,信道相干時間約為77.8 us.相干時間遠大于一個脈沖的持續(xù)時間13 us,因此,可以假設(shè)在一個脈沖時間內(nèi)為信道保持恒定,為準靜態(tài)衰落信道.另一方面,假設(shè)飛機機身直徑為3 m,則兩天線最大傳輸時延約為10 ns,遠小于一個Link-16 碼片持續(xù)時間200 ns,因此,可以不用考慮雙天線間的多徑時延問題,將信道視為平坦衰落信道. 1.3 接收信號模型 采用2 發(fā)2 收的Alamouti STBC[13],編碼矩陣為: 其中,s1、s2 是輸入比特映射的兩個符號.在某時刻符號s1,、s2 分別在天線1,、2 上發(fā)送,在下個時刻兩個天線上發(fā)送的符號分別為和.則雙天線單個脈沖編碼后的數(shù)據(jù)如圖4所示. 圖3 加入空時導引序列的標準雙脈沖時隙結(jié)構(gòu) 圖4 雙天線STBC 編碼方式 用Y1,Y2 表示在兩個連續(xù)碼片符號時間接收的同一個STBC 碼字的信號,有 其中,信道矩陣H 為: 2 接收算法設(shè)計 2.1 信道估計 為了根據(jù)式(11)恢復(fù)發(fā)射信號,需要估計出信道矩陣H.利用導引符號進行信道估計[14].在訓練階段,有 其中,yP 是2×NP 的接收信號矩陣,sP 是2×NP 的導引符號矩陣,nP 是2×NP 的復(fù)噪聲矩陣,且nP 具有獨立同分布的項.對于最大似然(Maximum Likelihood,ML)信道估計,已知最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)意義下的最優(yōu)導引符號矩陣是行正交矩陣,即: 式中,Ep 是每個導引符號的能量.本文采用的FFT矩陣滿足行正交矩陣的要求.此時,估計得到的信道矩陣可以表示為 其中,信道估計誤差矩陣 是信道估計誤差的矩陣. 2.2 信號檢測 綜合考慮性能和復(fù)雜度的折中,采用迫零均衡算法[15].根據(jù)式(11)理想信道估計下,得到均衡后的數(shù)據(jù)為: 此時,接收機處的信噪比S NR= ha·(Es/N0).當采用估計的信道矩陣式(14)進行均衡時,經(jīng)過推導有 3 仿真結(jié)果 仿真采用Link-16 標準雙脈沖格式,空空通信采用Rician 信道模型[16].不同場景的信道設(shè)置如下:場景1 為飛機1 位于飛機2 正上方時的通信場景,仿真中假設(shè)只有一條信道能正常通信(萊斯因子為15 dB),其余信道的信道系數(shù)皆為0;場景2 為飛機1和飛機2 有一定距離和高度差時的通信場景,仿真中假設(shè)有一條信道能正常通信(萊斯因子為15 dB),有兩條信道質(zhì)量較差(萊斯因子為1 dB),最后一條信道的信道系數(shù)為0;場景3 為飛機1 和飛機2 距離較遠時的通信場景,仿真中假設(shè)有一條信道能正常通信(萊斯因子為15 dB),有兩條信道質(zhì)量一般(萊斯因子為3 dB),最后一條信道質(zhì)量較差(萊斯因子為1 dB);場景4 為2 架飛機距離很遠或位于相同高度時的通信場景,仿真中假設(shè)有兩條信道質(zhì)量很好(萊斯因子為15 dB),其余兩條信道質(zhì)量較好(萊斯因子為10 dB).具體參數(shù)如表1所示. 仿真對比了各種場景下雙天線的性能與單天線(仿真假設(shè)天線架設(shè)于飛機背部)的性能.為了驗證信道估計和均衡的可行性,同時給出了理想信道估計時雙天線的性能.仿真結(jié)果如圖5所示. 圖5 不同場景下的誤碼率性能 從仿真結(jié)果可以看出:所有場景下,雙天線的性能都與理想信道估計的性能接近,驗證了導引符號設(shè)計和信道估計的有效性.圖5(a)給出了場景1 下的性能,由于機體遮擋影響,只有一條信道可以通信,信道條件很差,單天線不能正常通信,但雙天線可以進行通信.圖5(b)給出了場景2 下的性能,由于機體遮擋的影響較為嚴重,信道條件較差,因此,雙天線較單天線性能有較大的提升.可以看出,仿真條件下,在信噪比為16 dB 時,雙天線誤碼率達到10?4,優(yōu)于單天線3 個數(shù)量級.圖5(c)給出了場景3 下的性能,由于機體遮擋相對于前兩種場景影響更小,信道條件更好,因此,雙天線較單天線性能提升相對較小.可以看出,仿真條件下,在信噪比為15 dB 時,雙天線誤碼率達到10?4,優(yōu)于單天線2 個數(shù)量級.圖5(d)給出了場景4 下的性能,由于機體遮擋對通信基本沒有什么影響,信道條件很好,因此,雙天線與單天線性能相近. 4 結(jié)論 針對單天線Link-16 數(shù)據(jù)鏈空空通信受機體遮擋影響導致通信質(zhì)量下降的問題,提出了基于兩發(fā)兩收STBC 的解決方案.分析了4 種典型的通信場景,在Link-16 數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)上,設(shè)計了集成Alamouti STBC 的脈沖結(jié)構(gòu)和信號處理方法,并對每種場景下的通信性能進行了仿真.從仿真結(jié)果可以看出,在機體遮擋嚴重、信道條件惡劣的情況下,本文采用的STBC 方案相對于傳統(tǒng)的單天線有明顯的性能增益,可實現(xiàn)機載全空域通信. 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