多子频带/子信道关联跳频扩频通信技术

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摘 要:技术的发展和个人通信量需求的增长,使得电磁频谱资源日益紧缺,成为当今无线通信技术发展的瓶颈。分析了在信道存在加性白噪声和多址干扰的条件下,频带细化对提高频谱利用率的作用。指出传统频分复用方式和扩频通信方式下频谱利用率不高的根本原因,提出了一种提高频谱利用率的多子频带/多子信道关联跳频通信技术。使用该技术可极大地提高通信频谱利用率,同时可提高通信的保密性。

关键词:频谱利用率; 频带细化; 多子频带/子信道关联跳频; 多载波

中图分类号:TN911.23 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)11-0079-03

Spread Spectrum Communication Technology of Multi-sub-bandwidth/sub-channel

Correlative Frequency Hopping

CHEN Jin-song1, CHEN Jian-zhou2

(1. Computer Center of Shenzhen Hospital, Beijing University, Shenzhen 518048, China;

2. Technology Center, Shenzhen Press Group, Shenzhen 518009, China

)

Abstract: The development of technology and the communication demand leads to the lack of frequency bandwidth in wireless communication, which is a bottleneck of wireless communication technology. The effect of bandwidth division on the improvement of the frequency spectrum utilization is analyzed under the condition of the multi-access interference and Gaussian white noise. The basic reason why the frequency spectrum utilizatio is not high in the modes of the traditional frequency-division multiplexing (FDM) and spread spectrum communication (SSC) is pointed. A multi-sub-bandwidth/sub-channel correlative frequency hopping communication technology which can improve the frequency spectrum utilization and communication confidentialty is proposed.

Keywords: frequency spectrum utilization; bandwidth division; multi-sub-bandwidth/sub-channelcorrelative frequency hopping; multi-carrier

1 信道容量与带宽的关系

根据香农信道容量公式[1],如果其他条件保持不变,信道容量每提高一倍,所占用的带宽也要增加一倍以上。

C=Wlog(1+S/N)

(1)

为了提高信息传输速率,当前的高速传输技术普遍采用宽带传输。但是在无线电通信中通过增加信道所占用的带宽来提高信息传输速率的方式将越来越困难。香农信道容量公式给出了信号功率S一定的情况下,在加性高斯白噪声信道中传输信息的时候通过增加带宽所能达到的最高信息速率为:

limw∞ C=limw∞ Wlog21+Sn0W=Sn0log2e=1.44Sn0

式中:S为信号功率;n0为噪声的单边功率谱密度。

2 频带细化与频谱利用率的关系

频谱利用率(单位:b/s•Hz)的指标:

η=C/W

(2)

式中:C是信道容量;W是信道所占用的带宽;η是频谱利用率。

假设干扰为与信号独立的加性高斯白噪声,信号功率为S;噪声功率为N,N=Wn0,n0为单边带噪声谱密度,信道占用的带宽为W;信道的容量为C。

根据式(1)和式(2)及N=Wn0可得:

η=log21+SWn0

(3)

由式(3)可以看出,要增大η,只有减小W,因为S和n0都是常数。而且通过降低每一个信道所占用的带宽,频谱利用率几乎可以无限提高。

假设对一个占用带宽为W的频率“资源”采用下面两种方式传输:

(1) 用一个信道传输,占用带宽为W,信道容量为C1,发射功率为S。

(2) 用两个信道传输,每一个各自占用W/2的带宽,最高传输速率为C21,C22。由于采用的技术一样,占用的带宽一样,所以C21=C22,发射功率都是ksS(ks>0为发射功率调整系数)。根据香农信道容量公式,只要2ks≥1,就有:

C21+C22C1=log21+2ksSWn0log21+SWn0≥1

(4)

从式(4)可以看出,通过把一个占用带宽为W的频带“资源”细化成两个子带,把一个宽带信道变成两个窄带信道,系统可以获得更大的通信容量,而且不用增加占用的带宽和增加多址干扰,就能提高频谱的利用率。把式(4)进一步推广到n个子信道,如果SWn01,且nksSWn01,

则:

∑ni=1C2iC1=log21+nksSWn0log21+SWn0≈log2nksSWn0log2SWn0

(5)

式(5)指出:用户的信道容量与发射天线的数目n成线性增长关系。不过单个用户的发射功率也变为单信道的ksn倍。增大发射功率调整系数ks,可以提高单个用户的通信速率(提高频谱利用率)。

3 频带细化与移动通信系统的容量

系统容量与发射(接收天线)的数目成线性增长关系\。香农在他的经典论文中也明确指出多载波传输是解决复杂传输问题的优化方法\。使用20个子信道的Collins Radio Co.Kineplex系统取得了在至少十年内比单一载波快十倍的效果[3]。

计算机仿真结果表明,采用频带细化后,能量在整个频带上分布更均匀,从而提高了频率利用率。

多子频带/子信道技术与传统的频分复用的不同之处在于:传统的频分复用是在[f0-W/2,f0+W/2]把若干个(用户)信源的信息合并起来在一个宽带信道传送,是一种宽带传输,而多个子频带/子信道的方法中每一个子信道都是窄带传输。实现多个子频带/子信道的方法是把一个(用户)信源的信息分割成若干部分,每一部分分别在不同的天线以不同频率载波的窄带在子信道上发射。频谱利用率的提高是以增加发射天线的数目为代价,在总发射功率和总带宽不变的情况下增加系统的容量。当然,通过频带细分来提高频谱利用率,在工程上还受到滤波器过渡带、码片波形的带宽和成本等因素的制约,不可能无限地提高。

4 多子频带/子信道关联跳频技术

上面的讨论指出了把频带细分,可以提高利用率和增加系统容量。在窄带信道的容量低于信源产生信息的速率时,对该信源分配n(n>1)个带宽为w窄带信道,以满足通信速度的要求。同时,这n个窄带都受同一个伪随机码(不同的用户使用不同的伪随机码)的控制来关联跳频,跳频的带宽范围为mw。如果n=m,则要求每个窄带信道之间是相邻的,这就要求滤波器的过渡带非常陡峭。如果n

图1 多子带/子信道关联跳频频谱示意图

图1(a)中n=m,每个窄带子信道之间是相邻的,中间没有冗余的带宽,这就要求滤波器的过渡带非常陡峭。图1(b)中n

多子频带/子信道关联跳频的方式可以有很多,其中最简单的方式之一是保持子信道之间的相对位置不变,如图2所示。

图2 相对位置不变的关联跳频

图2(a),图2(b)表示经过一个跳频时钟周期后,各个子频带/子信道都跳到新的频带上,但是相对位置保持不变(从环状意义上看)。需要说明的是,图2(b)冗余的频带间隔不一定要求相等。

这样,从单个用户的角度来看,他利用了频率多用性和时间多样性;从用户全体来看,系统利用了用户处在不同地理位置的特点,也就是系统同时利用了空间多样性,同时,用户之间利用了码分多址复用。这样整个系统便充分利用了频率多用性、时间多样性、空间多样性和码分多址复用。

图3说明了工程上采用多个窄带信道来满足高速传输要求的原理。

图3 多子频带/子信道关联跳频技术实现高速信息

传输示意图(发送端)

在图3中,Clock2的频率是Clock1的L倍。Clock3的频率是Clock2的1/n倍,把数据速率给降下来,以满足窄带的信道的容量限制。每当以Clock1输入k位数据的时候,每个子信道以Clock3发送出kL/n位数据。接收端通过相反的过程把数据重新组装起来,如图4所示。

图4 多子频带/子信道关联跳频技术实现高速信息

传输示意图(接收端)

考虑到在某些场合(如移动通信终端)采用多天线有困难,所以在图3和图4中,可以把图中的多天线理解成一个同时发送(接收)多个不同载波频率的已调信号的宽带天线,从而克服多天线不容易实现的缺点。

多子频带/子信道关联跳频技术是多载波CDMA技术的发展,它具有以下优点:

(1) 比直扩(DS-CDMA)更容易实现高速数据服务。因为在图3和图4中,Clock3只是Clock2的1/n。要以1 Mb/s,20 dB处理增益传送数据,在DS-CDMA中码片速率很容易高达100 MCPS,这需要四倍快的处理器或者至少100 MHz模拟匹配滤波器(analogue matched filter)。通过降低每个子信道的数据发送时钟频率,降低了对处理器或者模拟匹配滤波器的速度要求。

(2) 可以方便地与DS-CDMA结合,只要把一个信息位经过复制若干次放在发送序列中的适当位置就可以实现与DS-CDMA的结合。参照图3中的编码或者扩频模块。

(3) 可以方便地在频谱利用率和发射功率之间做转换。如果需要较高的频谱利用率,则可以选择更多路的载波,当然也需要更大的发射功率。

(4) 多子频带/子信道关联跳频技术适合于室内无线电环境:较小的延时扩展(delay spread小于1 μs)和多普勒扩展(Doppler spread)。因为多径可分解性(multipath resolvability)正比于码片速率。DS-CDMA为了维持分离多径接收器(rake receivers)正常工作,即使没有高速数据服务要求,码片速率也要远远高于1 MCPS。这时候多子频带/子信道关联跳频技术是很好的选择。

(5) 利用频率多样性和时间多样性抗衰落。当存在很深的频率选择性衰落的时候,OFDM丢失相应子载波上的数据。由于多子频带/子信道关联跳频技术可以把一个信息为扩展到若干个子载波上,它可以从衰落较小的子信道上得到正确信息,也可以根据子信道(子载波)的衰落不同选择均衡器,这样就可以比采用分离多径接收器(rake receivers)的DS-CDMA做得更好。在时变衰落信道上,多子频带/子信道关联跳频技术可以利用跳频克服时变衰落,它可以从瞬间衰落较小的子信道上获得正确数据。

(6) 可以在反向链路中采用准同步操作。

(7) 由于分离多径接收器的数目限制,DS-CDMA有能量损失而多子频带/子信道关联跳频技术几乎可以收集分散于子载波的所有能量。在DS-CDMA中,调制解调器中分离多径接收器的分支(finger)数目是有限的,所以散布在频域中的能量很难全部被收集。有的时候,大部分能量包含在少数几个最强的路径中。在另外的一些时候,许多路径共同分担相似的功率,这时候分离多径接收器失去了它的性能。多子频带/子信道关联跳频技术作为MC-CDMA的一种,也象别的MC-CDMA技术那样有效地收集散布的能量。

(8) 具有比单载波CDMA更好的保密性。

多子频带/子信道关联跳频技术也继承了MC-CDMA的缺点:

(1) 比较高的峰值-平均值包络功率比例(Peak-to-Mean Envelope Power Ratio,PMEPR)。

这是MC-CDMA的缺点,多子频带/子信道关联跳频技术也有这种缺点。但是多子频带/子信道关联跳频技术克服了一般MC-CDMA频带复用率低的缺点。

(2) 需要多天线,增加成本。

5 结 语

(1) 通过把一个宽带信道变成许多窄带子信道,这些窄带子信道的信道容量之和将比原有的单个宽带的信道的容量要大,窄带子信道的信道容量之和与窄带子信道的数目成正比。

(2) 在移动通信系统中采用多子频带关联跳频扩频技术,每个用户的通信数据速率与整个系统可以同时通信的用户数目可以相互转换。

(3) 从单个用户的角度来看,多子频带关联跳频扩频技术利用了频率多用性和时间多样性;从用户全体来看,多子频带关联跳频扩频通信系统利用了他们处在不同地理位置的特点,也就是系统同时利用了空间多样性。同时,多址访问的用户之间利用了码分复用。这样整个系统充分利用了频率多用性、时间多样性、空间多样性和码分复用。

(4) 多子频带关联跳频扩频技术具有很强的抗干扰能力和良好的保密性,能够在频谱利用率、发射功率、信道容量等方面的性能之间方便地转换。

参考文献

[1]SHANNON C E. A mathematical theory of communication[J]. The Bell System Technical Journal, 1948,27: 379C423, 623C656.

[2]A J 维特比.CDMA扩频通信原理 [M].李世鹤,鲍刚,彭荣,译.北京:人民邮电出版社,1997.

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