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1、第38卷第7期 系统工程与电子技术 V0138 No720 1 6年7月 Systems Engineering and E1ectronics July 20 1 6文章编号：1001506x(2016)07一1654一06 网址：”5y5一。l。o“基于循环映射算法的并行组合扩频通信李北明，王 俊，薛 伟，綦俊伟(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘 要：并行组合扩频通信比普通的直扩通信和软扩频通信具有更高的信息传输效率。在接收过程中，如果选出的r个最大扩频序列中有一个序列出错，就会造成大量误码。现有的数据一序列映射算法都没有判断和纠错序列出错的能力。提出了基于循
2、环映射的新数据一序列映射算法，通过对选取扩频序列增加强约束关系，使新数据一序列映射算法具有判断和纠正一个序列出错的能力，大大降低系统误码率。理论分析和仿真结果表明，在同等信噪比下，循环映射数据一序列映射算法能使误码率降低2个量级等级，大大提高并行组合扩频通信的可靠性。关键词：直扩系统；并行组合扩频；数据一序列映射；抗干扰中图分类号：TN 91442 文献标志码：A DoI：103969jissn1001506X20160727Parallel cOmbinatOry spread spectrum cOmmunicationsystem with cyclic mapping algOrith
3、mLI Beiming，WANG Jun，XUE Wei，QI Jun-wei(CDzzPge o，工竹10，1咒口io”口行d Com，咒“nic口tiD九E行gi以BPri九g，H口r6i竹E行gi挖PPri疗g Uiwrsiy，Hnr6i行j 5000J，壕i行口)Abstract：The parallel combinatory spread spectrum(PCSS)communication system is designed to havehigher date transmission capability than ordinary and soft spread spe
4、ctrum(SS)communication systems ThePCSS system must ensure all r selected pseudonoise(PN)sequences decision correct when receiving，otherwise a string of errors wi工l be received Existing datasequence mapping algorithms do not have the abiIity ofjudgment and error correctionFor this problem，the cyclic
5、mapping algorithm is proposed，and the proposed aIgorithm can effectively reduce the error probability of sequence decision through adding strong cyclic constraintrelation in selected r sequences Theoretical analysis and simulation results show that the error rate performanceof the cyclic mapping alg
6、orithm 2 orders of magnitude lower than the conventional mapping algorithm under thesame conditions，and the reliability of the PCSS system is improved dramaticallyKeywords：spread spectrum(SS)；parallel combinatory spread spectrum(PCSS)；datasequence mapping；antiiamming0 引 言并行组合扩频通信(parallel combinator
7、y spread spectrum，PCSS)1。2 3是在软扩频通信的基础之上提出的一种改进扩频通信方式，根据数据一序列映射算法从M个备选扩频序列中选取r个叠加进行并行组合传输。由于采用多个序列并行组合的传输方式，每个序列周期可载荷lo(2Ck)bit的信息。相比普通的SS和软扩频通信，PCSS具有更高的信息传输能力和频带利用率，发展前景广阔3。但在接收过程中，必须要正确判决出r个最大扩频序列才可以有效解扩传输的信息，否则就会出现大量错误信息，对数据一序列映射算法的可靠性和有效性提出了很高的要求。文献4引入循环相关解扩技术，性能有一定提高，但必须在非常高的信噪比下才有效，且计算复杂度高；文献
8、5提出一种扩频序列的优选方法，稍微改善误码性能，但对于序列出错没有判断；文献68提出了位置编码并行组合扩频方式，提高了系统的传输能力，但抗干扰性能没有得到改善。在数据序列映射算法方面，目前研究主要集中在保障映射唯一性的问题上，如文献910提出的r组合及其改进的映射算法。针对并行组合扩频通信系统必须要正确判决出r个最大扩频序列才可以正确解扩出信息的问题，提出了基于循环映射的新数据一序列映射算法，该算法以并行组合扩频系统自身的特点为基础，在扩频序列选取上增加循环约束关系，根据循环性检测算法判断和纠正错误序列，降低系统误收稿日期：2015一09一09；修回日期：20151123；网络优先出版日期：2
9、0151224。网络优先出版地址：http：wwwcn kinetkcmsdetail112422TN201512240942002html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(HEucFl50807)国际科技合作计划(2014 DFRl0240)资助课题万方数据第7期 李北明等：基于循环映射算法的并行组合扩频通信 1655。f嘲 v0 0 。 V图1 基于循环映射算法的并扩系统发端原理框图F喀1 Transmitter model of PCSS system withdatasequence cyclic mapping algo“thm晦母选取， 上 数据一 上 上弗二匝p 个 玉
10、序列 玉 去 玉 并最 循环 处 出PNq 大 逆 理转哗序 + 映射 且 玉换列图2基于循环映射算法的并扩系统接收端原理框图Fig2 Rec eiver model of PCSS system withdatasequence cyclic mapping algo“thm11循环映射算法原理并行组合扩频通信，从M个扩频序列PN，PN。，PN。中，根据数据信息和相应的映射算法，选取其中r个序列和序列相位状态，并行组合发送，备选序列矩阵为A。一PN。，PN。，PN。7，其中L为序列周期长。进行数据一序列映射即确定选取控制矢量B。一6。，6：，6M，简称控制矢量。当选取是序列时，瓯一1(这里暂
11、不考虑序列极性)如图3所示。卜_一序列祭材一选取阶图3控制矢量BMl结构Fig3 The structure of BMl可见，控制矢量B。的重量固定为r(重量代表矢量中1的个数)，这也是并行组合扩频通信的特点。同时，因在接收时采用的是软判决的方式，相关后取前r个最大的序列，所以当一个序列判决错误时，与原控制矢量巩。一61，62，6M对比为两位数据出错，如图4所示。cnw 2 I；：；j：三一匮j，Gw”。I薹三：万方数据1656 系统工程与电子技术 第38卷循环圈中。预处理的具体方法需根据所选循环圈而定。100100 111111001001l叭10l011011010010l】0110O0
12、0000这样，本文提出的循环映射算法既满足了映射的唯一性，也满足了可纠正一个误判序列的条件。12举例说明以(12，4)循环映射为例，在未加预处理的情况下，其输入数据空间为G。，循环生成矩阵为G!I。，所得矢量空间为最一：。图6(6，3)循环映射循环关系图Fig6 (6，3)cyclic mapping cyclic relation因为控制矢量的抗干扰性能即为所选循环圈的抗干扰性能，所以，以循环圈为单位，对其抗干扰性能进行分析，不过在此之前，先对译码器的工作原理进行分析。图7为译码器的工作原理11。”。接收控制矢量和矢量B，恳，聩，E，B如图7所示，每一矢量用半径为int(dmm一1)2的球包
13、着，其中，d为一类循环映射中所有矢量的最小汉明距离。该矢量位于球的中心。若B7在球B。内，则把B7译成B，。根据信道编码定理，矢量间最小距离dmm5时，则具有纠正两位随机错误的能力。取d一5，此时每个矢量的半径为2，B7与除B。外的其他矢量距离皆大于2。也就是说，当接收控制矢量B7与除B。外其他矢量的汉明距离皆大 ， 一于2时，接收控制矢量B7有两位随机错误也可正确接收。图7译码器原理Fig7 The operating p rinciple of decoder现假设一种循环映射中共有i个循环圈，用锄：表示第i类矢量的重量，其中第j类用于数据一序列映射。则接收端所得控制矢量B7。，与各类循环
14、圈中矢量有一固定的最小汉明距离J硼。一rI。以纠正两位随机错误，即纠正一个误判序列为标准，接收控制矢量B7。与各类循环圈中矢量有一固定的最小汉明距离l叫。一rI，则在I叫。一rI3(睁!j)时，其他循环圈中的矢量都将对B。，的正确判决不产生影响。只要第j类循环圈中矢量满足d。，。5即可。因此，为满足纠正一个误判序列的条件，选取的循环圈需具备以下特点：(1)1w。一r J3(ij)；(2)叫，一r的矢量之间最小距离d5c16x41 00 1O OO OO OO O1 O0 1B16xl 2一D164 G412O 1O O0 O1 O由矢量空间B。可以看出i一5，叫，一O，叫23，训s一6，训。一
15、9，训。一12。选取硼：一3作为序列选取的个数r。可见，当i2时，I训。一rI3，满足纠正一个错误判决序列的条件(1)；对于”：一3的矢量部分甄。：，可算得其dmm一6，满足条件(2)。因此B。可作为备选矢量空间。O1O1O1O101O1O1O1OO11OO11OO11OO11O0OO11110OO01111OOOO0OOO11l11111OOO1OO10O1OOOO10O1OO100OO1O1O1OlO101O101OO11OO11O011OO11OOOO1111OOOO111lOOOO0OOOl1111111O1O101O1O101O1O1OO11OO110011OO11OOOO1l11O
16、0OO1111OOOOOOOO11111111O1OlO10101O101010O11OO11O0l1OO11OOOOl111OOOO1111OOOO0OOO111l1111万方数据第7期 李北明等：基于循环映射算法的并行组合扩频通信B412一c441 O0 1O OO OO 0O OO l1 0O OO O1 OO 1O 11 OO OO 01 OO 1O O0 OO O0 O1 0O 1c4。为与B4。所对应的输入数据部分，可以看出，C4。共有4种数据组合，所以(12，4)循环映射，在不考虑序列极性情况下，可满足传输两位原始数据，输入数据通过预处理得到c4。，其具体方法为：(1)将输入的两
17、位原始数据d，转换成十进制数d7；(2)c一(c。Qf30)，c，(o，1)，令id7时c。一1，其余为o。这样，通过预处理所得数据皆在G。中，保证了循环映射所得的控制矢量皆属于B4。，同时因甄。中矢量的强约束关系，使控制矢量具有纠正一个误判序列的能力。采用(12，4)循环映射算法，选取r一3的情况，在考虑相位信息时可传输5位数据。2系统误码率r个发送扩频序列，根据相应的序列极性，组合成并扩信号序列，其表达式为坳()一厂(q。PN。(t) (2)式中，吼一1，表示扩频序列的极性，i。，i。，i，)1，2，M)；，()是多值序列到调制序列的映射函数口“。经载波调制后，发射信号为S(f)，表示为s
18、()一何加(f)cos(“+) (3)式中，P相当于一个序列的信号功率。设接收端接收信号R(f)为R()一S(一f7)+n(f)+_，() (4)式中，7为传播时延；挖()为信道噪声；-，()为信道干扰信号。将接收到的信号与本地正交信号相关得r，D。()一I R(f)PN。(f7)cos(7+97)山一J。ys+V。+V， (5)式中，U是信号分量，表示为rr，KI s(一7)PN。(一)cos(，7+)出一J，r1I+，PI，MD(一7)PN。(一7)cos(“+P)cos(7+歹)出(6)整合函数线性，载波频率、相位、扩频码相位都同步并且序列完全正交的情况下：v。一qmPT，m一 (7)l
19、o，mi，式中，丁为伪随机序列周期时间长度。V。为噪声分量，均值为o，方差为N。PT，双边带功率谱密度为N。2。uI 行()羽_PN，(一7)cos(7+驴7)出(8)u是干扰分量，表示为一I，J()西-PN。(一7)cos(叫7+妒7)出(9)将相关器输出送入最大值判决器进行判决，设m。i。，i。，i，m。硭i。，i：，i，则正确判决一个发送序列的概率为n 4P，一Pl y。Io，l V，。Il V。：1)=拱e。”，一er托(警)”“dz，式中，一孺下刀盯；erfc()是互补误差函数。各发送序列的判决独立等概率，常规并扩系统需r个发送序列皆判决正确，其正确接收概率P，为P，一(P，) (1
20、1)因此，常规并行组合扩频通信系统的误码率为P。一1一P，一，一爿”一rc(警)“时(12，现定义以下几种事件，A。：在接收时，r个发送的序列中有z个判决错误；B：一个未发送序列被误判为发送序列；C：一个未发送序列未被误判为发送序列。则在A。条件下，B、C发生的概率可分别表示为f ，j以引A卜志)P(c Ar)一l一而芝i每个未被发送序列的判决也是独立等概率的。定义事件，玩：接收时，未发送的Mr个序列中有Z个被误判为发送序列；E：接收矢量与原发射矢量汉明距离为2。可知，事件E即为事件A，、Bf同时发生的事件，E发生的概率可表示为P(Ez)一P(A。B，) (14)根据条件概率公式可变为P(E，
21、)一P(A，)P(B。l A，) (15)根据定义，A，有C：种情况，B。有C0一，种情况，则Ef有ecfM，种情况，选取其中一种情况，E，发生的概率为P(E)一P(Az。)P(B z，1 A z。)一P“1一P_)f砀芝i)f(1一而芒i)”“ (16)改进后的系统可纠正一个误判序列，当误判序列数z1时，将不能正确接收。注意到误判序列数z在M2r时最大为r，在rzr ，篓(r)坼f(1廿r)(志九1一志r。，rM2r由于相位信息出错的概率远比扩频解调出错概率低得多，可以忽略不计，可得到并行组合扩频通信系统的数据出错概率n“。常规扩频系统误比特率为一鲁P， (18)式中，志为系统可传输信息位数
22、。改进后系统误比特率为P：一鲁 (19)3仿真及性能分析使用Matlab进行仿真分析，系统仿真采用(12，4)循环映射算法，仿真参数设置为：正交扩频序列数目M一12；序列采用L=127的平衡gold序列；并行组合扩频所选取的扩频序列数目r一3或6；信道采用加性高斯白噪声信道，仿真假设系统同步。采用(12，4)循环映射算法在选取M一12，r一3时共有4种序列组合，每周期可传输3+2=5位数据信息，普通并扩系统可传输10位；r一6时共有6种序列组合，每周期可传输6+28位数据信息，普通并扩系统可传输15位。图8是传统PCSS和循环映射算法PCSS的误码率比较图。由仿真图可以看出，传统PCSs和循环
23、映射算法PCSs都在较大信噪比时具有较好的通信效果，每次并行组合发送的序列数量r越大，信息传输效率越高，但是误码率也随之大幅升高。在信噪比一7 dB时，采用循环映射算法替代常规映射算法可有效降低系统误码率，误码率降低超过2个量级以上，达到10，循环映射算法提高系统抗干扰性能明显。在低信噪比时一16 dB时，传统PCss和循环映射算法Pcss的都具有较高的误码率，通信质量严重下降。如果每次发送信息量确定，通过尽量降低并行组合发送的序列数量r，并且结合循环映射算法，就可以达到较高的通信质量。SNRdB十：普通PCss胙】2，=3；+：普通Pcss仁12，两；日一：循环映射算法Pcss仁12，F3；
24、+：循环映射算法pCss怍12，=6。图8 传统PCSS和循环映射算法PCSS的误码率比较Fig8 St co瑚parison betweennvtional and pmposed P(、SS system4 结 论本文提出了基于循环映射的并行组合扩频新数据一序列映射算法。通过在扩频序列选取上增加强循环约束关系，有效判断和纠正扩频序列是否正确，大大提高了扩频序列正确判决的概率，使误码率降低超过2个量级以上，明显改善系统抗干扰性能，显著提高并行组合扩频系统的传输性能，具有较强的理论和实用价值。参考文献：1Zhu J KParallel combinatory ss communicationR
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