摘 要:技術(shù)的發(fā)展和個人通信量需求的增長，使得電磁頻譜資源日益緊缺，成為當(dāng)今無線通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸。分析了在信道存在加性白噪聲和多址干擾的條件下，頻帶細化對提高頻譜利用率的作用。指出傳統(tǒng)頻分復(fù)用方式和擴頻通信方式下頻譜利用率不高的根本原因，提出了一種提高頻譜利用率的多子頻帶/多子信道關(guān)聯(lián)跳頻通信技術(shù)。使用該技術(shù)可極大地提高通信頻譜利用率，同時可提高通信的保密性。

關(guān)鍵詞:頻譜利用率; 頻帶細化; 多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻; 多載波

中圖分類號:TN911.23 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號: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 信道容量與帶寬的關(guān)系

根據(jù)香農(nóng)信道容量公式[1]，如果其他條件保持不變，信道容量每提高一倍，所占用的帶寬也要增加一倍以上。

C=Wlog(1+S/N)

(1)

為了提高信息傳輸速率，當(dāng)前的高速傳輸技術(shù)普遍采用寬帶傳輸。但是在無線電通信中通過增加信道所占用的帶寬來提高信息傳輸速率的方式將越來越困難。香農(nóng)信道容量公式給出了信號功率S一定的情況下，在加性高斯白噪聲信道中傳輸信息的時候通過增加帶寬所能達到的最高信息速率為:

limw→∞ C=limw→∞ Wlog21+Sn0W=Sn0log2e=1.44Sn0

式中:S為信號功率;n0為噪聲的單邊功率譜密度。

2 頻帶細化與頻譜利用率的關(guān)系

頻譜利用率(單位:b/s#8226;Hz)的指標(biāo):

η=C/W

(2)

式中:C是信道容量;W是信道所占用的帶寬;η是頻譜利用率。

假設(shè)干擾為與信號獨立的加性高斯白噪聲，信號功率為S;噪聲功率為N，N=Wn0，n0為單邊帶噪聲譜密度，信道占用的帶寬為W;信道的容量為C。

根據(jù)式(1)和式(2)及N=Wn0可得:

η=log21+SWn0

(3)

由式(3)可以看出，要增大η，只有減小W，因為S和n0都是常數(shù)。而且通過降低每一個信道所占用的帶寬，頻譜利用率幾乎可以無限提高。

假設(shè)對一個占用帶寬為W的頻率“資源”采用下面兩種方式傳輸:

(1) 用一個信道傳輸，占用帶寬為W，信道容量為C1，發(fā)射功率為S。

(2) 用兩個信道傳輸，每一個各自占用W/2的帶寬，最高傳輸速率為C21，C22。由于采用的技術(shù)一樣，占用的帶寬一樣，所以C21=C22，發(fā)射功率都是ksS(ks>0為發(fā)射功率調(diào)整系數(shù))。根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，只要2ks≥1，就有:

C21+C22C1=log21+2ksSWn0log21+SWn0≥1

(4)

從式(4)可以看出，通過把一個占用帶寬為W的頻帶“資源”細化成兩個子帶，把一個寬帶信道變成兩個窄帶信道，系統(tǒng)可以獲得更大的通信容量，而且不用增加占用的帶寬和增加多址干擾，就能提高頻譜的利用率。把式(4)進一步推廣到n個子信道，如果SWn01，且nksSWn01，

則:

∑ni=1C2iC1=log21+nksSWn0log21+SWn0≈log2nksSWn0log2SWn0

(5)

式(5)指出:用戶的信道容量與發(fā)射天線的數(shù)目n成線性增長關(guān)系。不過單個用戶的發(fā)射功率也變?yōu)閱涡诺赖膋sn倍。增大發(fā)射功率調(diào)整系數(shù)ks，可以提高單個用戶的通信速率(提高頻譜利用率)。

3 頻帶細化與移動通信系統(tǒng)的容量

系統(tǒng)容量與發(fā)射(接收天線)的數(shù)目成線性增長關(guān)系\\。香農(nóng)在他的經(jīng)典論文中也明確指出多載波傳輸是解決復(fù)雜傳輸問題的優(yōu)化方法\\。使用20個子信道的Collins Radio Co.Kineplex系統(tǒng)取得了在至少十年內(nèi)比單一載波快十倍的效果[3]。

計算機仿真結(jié)果表明，采用頻帶細化后，能量在整個頻帶上分布更均勻，從而提高了頻率利用率。

多子頻帶/子信道技術(shù)與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的不同之處在于:傳統(tǒng)的頻分復(fù)用是在[f0-W/2，f0+W/2]把若干個(用戶)信源的信息合并起來在一個寬帶信道傳送，是一種寬帶傳輸，而多個子頻帶/子信道的方法中每一個子信道都是窄帶傳輸。實現(xiàn)多個子頻帶/子信道的方法是把一個(用戶)信源的信息分割成若干部分，每一部分分別在不同的天線以不同頻率載波的窄帶在子信道上發(fā)射。頻譜利用率的提高是以增加發(fā)射天線的數(shù)目為代價，在總發(fā)射功率和總帶寬不變的情況下增加系統(tǒng)的容量。當(dāng)然，通過頻帶細分來提高頻譜利用率，在工程上還受到濾波器過渡帶、碼片波形的帶寬和成本等因素的制約，不可能無限地提高。

4 多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)

上面的討論指出了把頻帶細分，可以提高利用率和增加系統(tǒng)容量。在窄帶信道的容量低于信源產(chǎn)生信息的速率時，對該信源分配n(n>1)個帶寬為w窄帶信道，以滿足通信速度的要求。同時，這n個窄帶都受同一個偽隨機碼(不同的用戶使用不同的偽隨機碼)的控制來關(guān)聯(lián)跳頻，跳頻的帶寬范圍為mw。如果n=m，則要求每個窄帶信道之間是相鄰的，這就要求濾波器的過渡帶非常陡峭。如果n

圖1 多子帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻頻譜示意圖

圖1(a)中n=m，每個窄帶子信道之間是相鄰的，中間沒有冗余的帶寬，這就要求濾波器的過渡帶非常陡峭。圖1(b)中n

多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻的方式可以有很多，其中最簡單的方式之一是保持子信道之間的相對位置不變，如圖2所示。

圖2 相對位置不變的關(guān)聯(lián)跳頻

圖2(a)，圖2(b)表示經(jīng)過一個跳頻時鐘周期后，各個子頻帶/子信道都跳到新的頻帶上，但是相對位置保持不變(從環(huán)狀意義上看)。需要說明的是，圖2(b)冗余的頻帶間隔不一定要求相等。

這樣，從單個用戶的角度來看，他利用了頻率多用性和時間多樣性;從用戶全體來看，系統(tǒng)利用了用戶處在不同地理位置的特點，也就是系統(tǒng)同時利用了空間多樣性，同時，用戶之間利用了碼分多址復(fù)用。這樣整個系統(tǒng)便充分利用了頻率多用性、時間多樣性、空間多樣性和碼分多址復(fù)用。

圖3說明了工程上采用多個窄帶信道來滿足高速傳輸要求的原理。

圖3 多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)實現(xiàn)高速信息

傳輸示意圖(發(fā)送端)

在圖3中，Clock2的頻率是Clock1的L倍。Clock3的頻率是Clock2的1/n倍，把數(shù)據(jù)速率給降下來，以滿足窄帶的信道的容量限制。每當(dāng)以Clock1輸入k位數(shù)據(jù)的時候，每個子信道以Clock3發(fā)送出kL/n位數(shù)據(jù)。接收端通過相反的過程把數(shù)據(jù)重新組裝起來，如圖4所示。

圖4 多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)實現(xiàn)高速信息

傳輸示意圖(接收端)

考慮到在某些場合(如移動通信終端)采用多天線有困難，所以在圖3和圖4中，可以把圖中的多天線理解成一個同時發(fā)送(接收)多個不同載波頻率的已調(diào)信號的寬帶天線，從而克服多天線不容易實現(xiàn)的缺點。

多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)是多載波CDMA技術(shù)的發(fā)展，它具有以下優(yōu)點:

(1) 比直擴(DS-CDMA)更容易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)服務(wù)。因為在圖3和圖4中，Clock3只是Clock2的1/n。要以1 Mb/s，20 dB處理增益?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)，在DS-CDMA中碼片速率很容易高達100 MCPS，這需要四倍快的處理器或者至少100 MHz模擬匹配濾波器(analogue matched filter)。通過降低每個子信道的數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘頻率，降低了對處理器或者模擬匹配濾波器的速度要求。

(2) 可以方便地與DS-CDMA結(jié)合，只要把一個信息位經(jīng)過復(fù)制若干次放在發(fā)送序列中的適當(dāng)位置就可以實現(xiàn)與DS-CDMA的結(jié)合。參照圖3中的編碼或者擴頻模塊。

(3) 可以方便地在頻譜利用率和發(fā)射功率之間做轉(zhuǎn)換。如果需要較高的頻譜利用率，則可以選擇更多路的載波，當(dāng)然也需要更大的發(fā)射功率。

(4) 多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)適合于室內(nèi)無線電環(huán)境:較小的延時擴展(delay spread小于1 μs)和多普勒擴展(Doppler spread)。因為多徑可分解性(multipath resolvability)正比于碼片速率。DS-CDMA為了維持分離多徑接收器(rake receivers)正常工作，即使沒有高速數(shù)據(jù)服務(wù)要求，碼片速率也要遠遠高于1 MCPS。這時候多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)是很好的選擇。

(5) 利用頻率多樣性和時間多樣性抗衰落。當(dāng)存在很深的頻率選擇性衰落的時候，OFDM丟失相應(yīng)子載波上的數(shù)據(jù)。由于多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)可以把一個信息為擴展到若干個子載波上，它可以從衰落較小的子信道上得到正確信息，也可以根據(jù)子信道(子載波)的衰落不同選擇均衡器，這樣就可以比采用分離多徑接收器(rake receivers)的DS-CDMA做得更好。在時變衰落信道上，多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)可以利用跳頻克服時變衰落，它可以從瞬間衰落較小的子信道上獲得正確數(shù)據(jù)。

(6) 可以在反向鏈路中采用準(zhǔn)同步操作。

(7) 由于分離多徑接收器的數(shù)目限制，DS-CDMA有能量損失而多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)幾乎可以收集分散于子載波的所有能量。在DS-CDMA中，調(diào)制解調(diào)器中分離多徑接收器的分支(finger)數(shù)目是有限的，所以散布在頻域中的能量很難全部被收集。有的時候，大部分能量包含在少數(shù)幾個最強的路徑中。在另外的一些時候，許多路徑共同分擔(dān)相似的功率，這時候分離多徑接收器失去了它的性能。多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)作為MC-CDMA的一種，也象別的MC-CDMA技術(shù)那樣有效地收集散布的能量。

(8) 具有比單載波CDMA更好的保密性。

多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)也繼承了MC-CDMA的缺點:

(1) 比較高的峰值-平均值包絡(luò)功率比例(Peak-to-Mean Envelope Power Ratio，PMEPR)。

這是MC-CDMA的缺點，多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)也有這種缺點。但是多子頻帶/子信道關(guān)聯(lián)跳頻技術(shù)克服了一般MC-CDMA頻帶復(fù)用率低的缺點。

(2) 需要多天線，增加成本。

5 結(jié) 語

(1) 通過把一個寬帶信道變成許多窄帶子信道，這些窄帶子信道的信道容量之和將比原有的單個寬帶的信道的容量要大，窄帶子信道的信道容量之和與窄帶子信道的數(shù)目成正比。

(2) 在移動通信系統(tǒng)中采用多子頻帶關(guān)聯(lián)跳頻擴頻技術(shù)，每個用戶的通信數(shù)據(jù)速率與整個系統(tǒng)可以同時通信的用戶數(shù)目可以相互轉(zhuǎn)換。

(3) 從單個用戶的角度來看，多子頻帶關(guān)聯(lián)跳頻擴頻技術(shù)利用了頻率多用性和時間多樣性;從用戶全體來看，多子頻帶關(guān)聯(lián)跳頻擴頻通信系統(tǒng)利用了他們處在不同地理位置的特點，也就是系統(tǒng)同時利用了空間多樣性。同時，多址訪問的用戶之間利用了碼分復(fù)用。這樣整個系統(tǒng)充分利用了頻率多用性、時間多樣性、空間多樣性和碼分復(fù)用。

(4) 多子頻帶關(guān)聯(lián)跳頻擴頻技術(shù)具有很強的抗干擾能力和良好的保密性，能夠在頻譜利用率、發(fā)射功率、信道容量等方面的性能之間方便地轉(zhuǎn)換。

參考文獻

[1]SHANNON C E. A mathematical theory of communication[J]. The Bell System Technical Journal， 1948，27: 379–423， 623–656.

[2]A J 維特比.CDMA擴頻通信原理 [M].李世鶴，鮑剛，彭榮，譯.北京:人民郵電出版社，1997.

[3]CHERUBINI Giovanni， ELEFTHERIOU Evangelos， OKER Sedat. Filter bank modulation techniques for very high-speed digital subscriber lines.[J]. IEEE Communications Magazine， 2000， 38: 98-104.

[4]FOSCHINI G J. Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas.[J]. Bell Labs Technical Journal， 1996，21(7): 41-59.

[5]GABOR D. Theory of communication [J]. Journal of Ins-titute for Electrical Engineering， 1946， 93(3):429-457.

[6]Verdu Sergio. Wireless bandwidth in the making[J]. IEEE Communications Magazine， 2000， 38(12): 53-58.