變換域通信系統(tǒng)dcs的應(yīng)用

變換域通信系統(tǒng)dcs的應(yīng)用

隨著軍事通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用日益增強(qiáng)，通信干擾的作用和地位日益受到重視。為解決軍用飛機(jī)編隊(duì)內(nèi)部在極強(qiáng)的電磁干擾下仍具有可靠的通信和保密能力,基于躲避干擾的理念,美國(guó)空軍提出了變換域通信系統(tǒng)TD-CS(TransformDomainCommunicationSystem)。變換域通信系統(tǒng)雖然具備較強(qiáng)的抗干擾能力,但傳統(tǒng)TDCS收發(fā)端的單天線設(shè)計(jì)使其很難提高信道的容量,大大降低了傳輸?shù)挠行?。在無(wú)線頻譜資源相對(duì)匱乏的今天,多輸入多輸出MIMO(Multiple-inputMultipleoutput)無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性,它能在不增加發(fā)射功率和帶寬的條件下,通過(guò)空間復(fù)用使信道容量得到大幅提升1mimotcs模型1.1tdcs的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)的抗干擾通信系統(tǒng)(如直擴(kuò)、跳頻)只是在系統(tǒng)的接收端被動(dòng)地處理干擾。與之不同,TDCS能使收發(fā)雙方同時(shí)避免使用被污染的頻譜(包括敵方實(shí)施干擾以及己方正使用的頻譜)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。這樣就相當(dāng)于在復(fù)雜的電磁環(huán)境中找到了一個(gè)干凈的頻段進(jìn)行通信,從而實(shí)現(xiàn)了抗干擾1.2計(jì)出信道信號(hào)csi假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端有M根發(fā)射天線,接收端有N根接收天線并能很好地估計(jì)出信道狀態(tài)信息CSI(ChannelStateInformation)假設(shè)發(fā)射信號(hào)x為M×1矩陣,信道H為N×M矩陣,信道中存在高斯白噪聲n和干擾j,則接收信號(hào)y為N×1矩陣:1.3基于基函數(shù)的干擾調(diào)制收發(fā)信機(jī)對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行采樣,估計(jì)出干擾在變換域中的位置。根據(jù)這個(gè)估計(jì)產(chǎn)生基函數(shù)(BasisFunction),基函數(shù)與干擾的變換域波形相互正交。利用基函數(shù)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行循環(huán)移位鍵控CSK(CycleShiftKeying)調(diào)制,再對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行串并變換并通過(guò)MIMO信道發(fā)射到接收機(jī)。接收端先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行迫零檢測(cè),目的是消除碼間干擾,然后利用接收端基函數(shù)解調(diào)數(shù)據(jù)。MIMO-TDCS原理如圖3所示。2獨(dú)立瑞利衰落的情形對(duì)于確定性MIMO-TDCS信道,假設(shè)發(fā)射機(jī)不能獲得CSI,則發(fā)射功率不在天線間進(jìn)行分配優(yōu)化,此時(shí)的信道容量為式中,ρ為每根接收天線的平均信噪比,I然而對(duì)于衰落信道,信道矩陣H是隨機(jī)的,且V-BLAST結(jié)構(gòu)被證明只可能在快衰落信道下達(dá)到香農(nóng)容量假設(shè)信道是獨(dú)立瑞利衰落的,則信道矩陣H(h考慮以下幾種特殊情形(1)單發(fā)射天線對(duì)于單發(fā)射天線系統(tǒng),即M=1。信道矩陣是一個(gè)大小為1×N的行向量,用h表示。此時(shí)信道容量為:對(duì)于獨(dú)立瑞利衰落情形,上式為:隨著接收天線數(shù)的增加,信道容量趨于log(2)單接收天線對(duì)于單接收天線系統(tǒng),信道矩陣h用一個(gè)大小為M×1的列向量表示。此時(shí)信道容量為:對(duì)于獨(dú)立瑞利衰落情形,上式為:隨著發(fā)射天線數(shù)的增加,信道容量趨于常數(shù)log(3)等數(shù)目的收發(fā)天線考慮等數(shù)目的收發(fā)天線,即M=N=n,對(duì)于獨(dú)立的瑞利衰落,信道容量為:隨著n的增加,上式近似為(4)窄帶干擾下的信道容量本文主要分析等數(shù)目收發(fā)天線條件下窄帶干擾對(duì)信道容量的影響,其他情況類似。對(duì)于單音干擾和多音干擾,式(9)中的ρ變?yōu)镾INR,即信號(hào)-干擾噪聲比,此時(shí)的信道容量為:對(duì)于部分頻帶干擾,假設(shè)被干擾的頻帶所占比例為x%,則信道容量為3模擬結(jié)果與分析在Matlab仿真平臺(tái)中,假設(shè)收發(fā)雙方處于相同的電磁環(huán)境并完全同步。3.1mimo-tdcs的各態(tài)沒有同時(shí)點(diǎn)各態(tài)經(jīng)歷容量的仿真圖4為單發(fā)射天線下,信噪比ρ分別為5dB、10dB、20dB和30dB時(shí),MIMO-TDCS的各態(tài)歷經(jīng)容量仿真圖。從圖中可以看出,隨著接收天線數(shù)的增加,信道容量趨于log3.2mimo-tdcs的各態(tài)沒有同時(shí)點(diǎn)各態(tài)經(jīng)歷容量的仿真圖5為單接收天線下,信噪比ρ分別為5dB、10dB、20dB和30dB時(shí),MIMO-TDCS的各態(tài)歷經(jīng)容量仿真圖。從圖中可以看出,隨著發(fā)射天線數(shù)的增加,信道容量趨于常數(shù)log3.3tdcs信道容量仿真圖6為M=N=n條件下,信噪比ρ分別為5dB、10dB、20dB和30dB時(shí),MIMO-TDCS與傳統(tǒng)單天線的TDCS信道容量仿真比較圖。從圖中可以看出,信道容量與M=N=n成線性關(guān)系,相對(duì)傳統(tǒng)的TDCS,這是一個(gè)巨大的增長(zhǎng),而且不會(huì)隨著n的增大而造成總發(fā)射功率和帶寬的增加。3.4多輸入多輸出變換域信道容量仿真圖7為M=N=4、ρ=6條件下,窄帶干擾對(duì)MIMO-TDCS和傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)信道容量的影響。其中干信比的變化范圍為1~10dB,理論容量值(即無(wú)干擾下的MI-MO信道容量)為8.8b/s/Hz。從圖中可以看出,傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著干信比的增大而迅速減小。由于MIMO-TDCS使用了變換域處理技術(shù),其抗干擾能力使得信道容量不會(huì)隨著干信比的增大而下降很多。在單音干擾下,MIMO-TDCS信道容量只比理論值降低了0.5b/s/Hz左右;在多音干擾下,降低了不到1b/s/Hz;在30%部分頻帶干擾下,由于帶寬減小造成信道容量降低了3b/s/Hz,但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)。為了解決傳統(tǒng)TDCS傳輸效率低的問題,本文通過(guò)引入MIMO技術(shù),從理論上提出了一種多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng),并對(duì)其信道容量作了分析驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,對(duì)于單發(fā)射天線系統(tǒng),如果總發(fā)射功率保持恒定,信道容量隨接收天線數(shù)呈