MIMO技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 鍇

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

MIMO技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 鍇

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點，提出MIMO技術(shù)在單衛(wèi)星和多衛(wèi)星場景下的應(yīng)用。首先分析了MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)在采用再生轉(zhuǎn)發(fā)和透明轉(zhuǎn)發(fā)情況下的系統(tǒng)容量，隨后對單衛(wèi)星及多衛(wèi)星系統(tǒng)分別提出了采用正交分組碼及其分布式改進形式的MIMO系統(tǒng)方案，最后對影響MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的因素進行討論。相比點對點衛(wèi)星通信系統(tǒng)，MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠大大提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。設(shè)計將正交分組碼及其分布式改進形式在單衛(wèi)星及多衛(wèi)星系統(tǒng)中進行應(yīng)用，MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能將獲得進一步的提升。

MIMO；衛(wèi)星通信；正交分組碼

在當前的信息化社會中，由于衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍大、受地理條件限制小、頻帶寬、容量大、機動靈活等特點，因而成為全球通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的有效信息傳輸手段。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，民用與軍事衛(wèi)星通信應(yīng)用愈加廣泛，高速高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸需求也更加迫切，這就對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸帶寬提出了更高的要求。

1 MIMO技術(shù)

我們可以簡單地將MIMO通信系統(tǒng)定義為，在發(fā)射端和接收端分別采用多個天線的通信系統(tǒng)。利用MIMO技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量、鏈路性能以及覆蓋面積，給網(wǎng)絡(luò)運營商帶來巨大的收益。MIMO技術(shù)的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進行信號處理。該技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑影響因素轉(zhuǎn)變成對用戶通信性能有利的增強因素。

2 MIMO信道理論

2.1信道模型

在一個點對點的MIMO系統(tǒng)中，假設(shè)配置N根發(fā)射天線和M根接收天線，用離散時間描述復(fù)基帶線性系統(tǒng)模型，平坦瑞利衰落條件系統(tǒng)模型表達式為

其中發(fā)射信號表示為s=[s1，s2，…，sN]T；接收信號表示為y=[y1，y2，…，yM]T；H∈CM×N為信道矩陣，其第i行第j列上的元素hij表示從第j根發(fā)送天線到第i根接收天線之間的信道增益，包含服從對數(shù)正態(tài)分布的大尺度衰落以及服從瑞利分布的小尺度衰落2部分的影響；n∈CM×1為接收端的復(fù)加性高斯白噪聲，服從均值為0，方差為σ2的正態(tài)分布Nc(0，σ2)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，將由地面發(fā)送端到衛(wèi)星接收端的上行信道記為Hu，由衛(wèi)星發(fā)送端到地面接收端的下行信道記為Hd。在文中以下的分析中，大寫粗體字母表示矩陣，小寫粗斜體字母表示向量，小寫字母表示元素，C表示復(fù)數(shù)集合。

2.2信道容量

2.2.1再生處理轉(zhuǎn)發(fā)

當衛(wèi)星采用再生處理轉(zhuǎn)發(fā)時，系統(tǒng)的上行和下行可以視為2個不同的點對點通信鏈路，具有不同的信道容量。整個系統(tǒng)的容量由其中較小的信道容量所決定，上下行的容量優(yōu)化可以獨立分別考慮。由對MIMO系統(tǒng)容量的推導(dǎo)得到再生轉(zhuǎn)發(fā)MIMO衛(wèi)星系統(tǒng)的信道容量為

H為上行或下行信道矩陣，(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置，RH表示信道矩陣的秩(RH≤min(N，M))，I是單位矩陣，γ為系統(tǒng)上行或下行平均信噪比。當各天線之間信道互不相關(guān)時，信道矩陣為正交矩陣，將信道矩陣進行SVD分解后得到的對角線上各行的奇異值為λi，i∈{1，…，min(M，N)}，經(jīng)推導(dǎo)可得信道容量為

對比單天線點對點系統(tǒng)的香農(nóng)容量公式，可見MIMO系統(tǒng)在最優(yōu)情況下能夠使系統(tǒng)容量隨天線數(shù)目線性增長。

2.2.2透明轉(zhuǎn)發(fā)

假設(shè)上行地面站配置N根發(fā)射天線，衛(wèi)星上配置M根接收天線以及M根發(fā)射天線，接收地面站配置P根接收天線，根據(jù)推導(dǎo)，當上下行信道矩陣分別為Hu∈CM×N和Hd∈CP×M時，為描述方便，假設(shè)M≤N，M≤P，則MIMO信道容量可以計算為

3 MIMO技術(shù)應(yīng)用

3.1單衛(wèi)星場景

在一顆衛(wèi)星上配置多個天線或者利用單天線的不同極化，單衛(wèi)星可與多個地面站組成MIMO通信系統(tǒng)，如圖1所示。圖中dT，u和dT，d分別為上行地面站之間的距離和下行地面站之間的距離，dS，u和dS，d分別為衛(wèi)星接收天線之間的距離和發(fā)送天線之間的距離。在單衛(wèi)星場景下，由于天線之間的距離較近，若要獲得較大的系統(tǒng)容量，發(fā)送或接收的多個地面站之間的距離則應(yīng)相距較遠，因此需要通過地面網(wǎng)絡(luò)連接進行MIMO數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收處理。

圖1　單衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)

3.2多衛(wèi)星場景

在單顆衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)中，要得到較好的MIMO信道，接收天線的距離需相隔較遠，并且在衛(wèi)星上配置多天線需解決硬件復(fù)雜度問題。因此當接收多天線放置距離較近，如船載、機載應(yīng)用時，可以采用已有衛(wèi)星系統(tǒng)，通過多顆衛(wèi)星組成MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

4 影響系統(tǒng)性能的因素

通過對MIMO信道容量的分析可知，信道矩陣的正交性能直接影響系統(tǒng)的容量，對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，影響MIMO信道的因素可以從地面端和衛(wèi)星端兩方面進行討論。

在地面端首先考慮天線距離的影響，衛(wèi)星天線間距與地面天線間距成反比關(guān)系，而兩者的量級也是米與千米的差別。地面端天線距離的設(shè)置誤差將會導(dǎo)致設(shè)計容量的下降，地面天線間距越小，所要求的誤差也越小，因此在這方面單衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)體現(xiàn)了優(yōu)勢。在多衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)中增加地面端的天線數(shù)目，在保證信道容量性能的容限下，地面端天線間距可適當?shù)脑黾?。另外，地面陣列天線的方向角越大，要求地面天線間距的精確度就越高。

衛(wèi)星的滾動、偏航、俯仰決定了衛(wèi)星的姿態(tài)變化，隨即可能造成MIMO信道的變化，有可能造成系統(tǒng)容量的下降。由仿真結(jié)果分析得到的結(jié)論，衛(wèi)星的姿態(tài)變化對單衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)性能影響不大，對多衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)則可能造成較大影響。

5 結(jié)束語

在地面端采用多天線，在衛(wèi)星端采用單衛(wèi)星多天線或者多衛(wèi)星單天線的形式，可以組成MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過對衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用再生轉(zhuǎn)發(fā)或透明轉(zhuǎn)發(fā)情況下MIMO信道的容量分析可得，MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比點對點衛(wèi)星通信系統(tǒng)提升了容量性能，提高了頻譜利用率。通過設(shè)計的正交分組碼及其分布式改進形式在單衛(wèi)星及多衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用，MIMO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能將獲得進一步的提高。

[1] 吳學(xué)智 何如龍.外軍新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].通信技術(shù)，2012，（9）.

Application of MIMO Technology in Satellite Communication System

Li Kai

According to the characteristics of satellite communication system， the application of MIMO technology in the single satellite and multi satellite scenarios is proposed. Based on the analysis of the multiple input multiple output (MIMO) satellite communication system in the regeneration of forwarding and transparent forwarding system capacity in the case， then the single satellite and satellite system are proposed by orthogonal block code and its improved distributed MIMO system， at last， the factors to affect the MIMO satellite communications systems are discussed. MIMO satellite communication system can greatly improve the system capacity and spectrum effi ciency compared with the point to point satellite communication system. Design orthogonal sub block codes and distributed improved form is applied to the single satellite and satellite system， MIMO satellite communication system performance will be further improved.

MIMO；satellite communication；orthogonal space-time block codes

TN927.2

A

1003-6490（2016）01-0118-02

2016-02-18

李鍇（1980—），男，北京人，工程師，研究方向為衛(wèi)星通信。