变换域通信系统dcs的应用

变换域通信系统dcs的应用

随着军事通信在现代战争中的作用日益增强，通信干扰的作用和地位日益受到重视。为解决军用飞机编队内部在极强的电磁干扰下仍具有可靠的通信和保密能力,基于躲避干扰的理念,美国空军提出了变换域通信系统TD-CS(TransformDomainCommunicationSystem)。变换域通信系统虽然具备较强的抗干扰能力,但传统TDCS收发端的单天线设计使其很难提高信道的容量,大大降低了传输的有效性。在无线频谱资源相对匮乏的今天,多输入多输出MIMO(Multiple-inputMultipleoutput)无线通信系统已经体现出其优越性,它能在不增加发射功率和带宽的条件下,通过空间复用使信道容量得到大幅提升1mimotcs模型1.1tdcs的优势传统的抗干扰通信系统(如直扩、跳频)只是在系统的接收端被动地处理干扰。与之不同,TDCS能使收发双方同时避免使用被污染的频谱(包括敌方实施干扰以及己方正使用的频谱)进行信号的传输。这样就相当于在复杂的电磁环境中找到了一个干净的频段进行通信,从而实现了抗干扰1.2计出信道信号csi假设系统发射端有M根发射天线,接收端有N根接收天线并能很好地估计出信道状态信息CSI(ChannelStateInformation)假设发射信号x为M×1矩阵,信道H为N×M矩阵,信道中存在高斯白噪声n和干扰j,则接收信号y为N×1矩阵:1.3基于基函数的干扰调制收发信机对电磁环境进行采样,估计出干扰在变换域中的位置。根据这个估计产生基函数(BasisFunction),基函数与干扰的变换域波形相互正交。利用基函数对发射信号进行循环移位键控CSK(CycleShiftKeying)调制,再对调制信号进行串并变换并通过MIMO信道发射到接收机。接收端先对接收信号进行迫零检测,目的是消除码间干扰,然后利用接收端基函数解调数据。MIMO-TDCS原理如图3所示。2独立瑞利衰落的情形对于确定性MIMO-TDCS信道,假设发射机不能获得CSI,则发射功率不在天线间进行分配优化,此时的信道容量为式中,ρ为每根接收天线的平均信噪比,I然而对于衰落信道,信道矩阵H是随机的,且V-BLAST结构被证明只可能在快衰落信道下达到香农容量假设信道是独立瑞利衰落的,则信道矩阵H(h考虑以下几种特殊情形(1)单发射天线对于单发射天线系统,即M=1。信道矩阵是一个大小为1×N的行向量,用h表示。此时信道容量为:对于独立瑞利衰落情形,上式为:随着接收天线数的增加,信道容量趋于log(2)单接收天线对于单接收天线系统,信道矩阵h用一个大小为M×1的列向量表示。此时信道容量为:对于独立瑞利衰落情形,上式为:随着发射天线数的增加,信道容量趋于常数log(3)等数目的收发天线考虑等数目的收发天线,即M=N=n,对于独立的瑞利衰落,信道容量为:随着n的增加,上式近似为(4)窄带干扰下的信道容量本文主要分析等数目收发天线条件下窄带干扰对信道容量的影响,其他情况类似。对于单音干扰和多音干扰,式(9)中的ρ变为SINR,即信号-干扰噪声比,此时的信道容量为:对于部分频带干扰,假设被干扰的频带所占比例为x%,则信道容量为3模拟结果与分析在Matlab仿真平台中,假设收发双方处于相同的电磁环境并完全同步。3.1mimo-tdcs的各态没有同时点各态经历容量的仿真图4为单发射天线下,信噪比ρ分别为5dB、10dB、20dB和30dB时,MIMO-TDCS的各态历经容量仿真图。从图中可以看出,随着接收天线数的增加,信道容量趋于log3.2mimo-tdcs的各态没有同时点各态经历容量的仿真图5为单接收天线下,信噪比ρ分别为5dB、10dB、20dB和30dB时,MIMO-TDCS的各态历经容量仿真图。从图中可以看出,随着发射天线数的增加,信道容量趋于常数log3.3tdcs信道容量仿真图6为M=N=n条件下,信噪比ρ分别为5dB、10dB、20dB和30dB时,MIMO-TDCS与传统单天线的TDCS信道容量仿真比较图。从图中可以看出,信道容量与M=N=n成线性关系,相对传统的TDCS,这是一个巨大的增长,而且不会随着n的增大而造成总发射功率和带宽的增加。3.4多输入多输出变换域信道容量仿真图7为M=N=4、ρ=6条件下,窄带干扰对MIMO-TDCS和传统MIMO系统信道容量的影响。其中干信比的变化范围为1~10dB,理论容量值(即无干扰下的MI-MO信道容量)为8.8b/s/Hz。从图中可以看出,传统MIMO系统的信道容量随着干信比的增大而迅速减小。由于MIMO-TDCS使用了变换域处理技术,其抗干扰能力使得信道容量不会随着干信比的增大而下降很多。在单音干扰下,MIMO-TDCS信道容量只比理论值降低了0.5b/s/Hz左右;在多音干扰下,降低了不到1b/s/Hz;在30%部分频带干扰下,由于带宽减小造成信道容量降低了3b/s/Hz,但仍然远远高于传统MIMO系统。为了解决传统TDCS传输效率低的问题,本文通过引入MIMO技术,从理论上提出了一种多输入多输出变换域通信系统,并对其信道容量作了分析验证。仿真结果表明,对于单发射天线系统,如果总发射功率保持恒定,信道容量随接收天线数呈