極化特性在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

郭道省，張曉凱，張邦寧，齊　帥

(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0　引言

衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信的重要方式，具有覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活、通信頻帶寬、通信容量大、可靠性高、便于多址連接等優(yōu)點(diǎn)，所以在眾多領(lǐng)域具有廣泛的運(yùn)用[1]。

根據(jù)電磁學(xué)理論，電磁波除了幅度、相位和頻率特性之外，還具有極化這一基本特性。事實(shí)上，電磁波作為無線信號(hào)的傳播載體，極化特性也是信號(hào)處理中可利用的重要資源。極化[2-3]是電磁波的電場(chǎng)矢量在傳播截面上隨時(shí)間變化的軌跡。充分利用電磁波的這一物理特性，能夠打開衛(wèi)星通信中一個(gè)新維度。通過對(duì)電磁波極化特性進(jìn)一步分析、處理，可以豐富信號(hào)傳輸理論，提高傳輸可靠性，緩解當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻譜資源緊張、能耗高、干擾嚴(yán)重等問題[4]，可為未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量提升、能耗降低、干擾消除等熱點(diǎn)問題開辟新的途徑[5]。

本文對(duì)信號(hào)極化特性在衛(wèi)星通信傳輸中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前極化信息理論和最新研究成果，分析極化特性在衛(wèi)星通信中的發(fā)展趨勢(shì)。

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

極化信息處理在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用起源于解決衛(wèi)星天線與地球站天線對(duì)齊后匹配接收問題。衛(wèi)星通過極化匹配來最大化接收有用信號(hào)，否則接收效果會(huì)很差[6]。地球在不斷地做自轉(zhuǎn)，微弱的衛(wèi)星信號(hào)要被及時(shí)地捕捉，除了地球站對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星以外，還需要極化角的數(shù)值調(diào)整饋源輸出波導(dǎo)口的方向，從而使得有用信號(hào)不泄露。例如目前仍在活躍研究的雙頻段、雙頻率圓極化天線[7-8]等。

隨著衛(wèi)星功能的不斷擴(kuò)展和數(shù)量的不斷增加，電磁波的頻率資源越發(fā)緊張，衛(wèi)星的頻段從4/6 GHz不斷擴(kuò)展到目前的太赫茲衛(wèi)星，頻率不斷升高。雖然暫時(shí)解決衛(wèi)星數(shù)量的矛盾，但頻率越高，大氣等對(duì)電磁波的吸收越嚴(yán)重，對(duì)器件的制造工藝要求越高，導(dǎo)致衛(wèi)星的成本非常高。因此，利用類似于光纖通信中偏振復(fù)用技術(shù)的衛(wèi)星極化復(fù)用技術(shù)孕育而生，其通過相互正交的極化信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的復(fù)用。采用雙極化復(fù)用，當(dāng)極化鑒別度(Cross-polarization Discrimination, XPD)達(dá)到20～39 dB就可以將頻率資源利用率提升將近一倍[9]。正交極化復(fù)用技術(shù)關(guān)鍵在于極化復(fù)用實(shí)現(xiàn)的機(jī)理以及衛(wèi)星信道的去極化效應(yīng)等[10-11]?？梢娦l(wèi)星正交極化復(fù)用可以在一定程度上解決頻率資源緊張的問題。隨著技術(shù)發(fā)展，正交極化復(fù)用已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的需求，有學(xué)者提出多極化復(fù)用，并為了克服去極化效應(yīng)設(shè)計(jì)了最優(yōu)的補(bǔ)償策略[12]。

極化調(diào)制作為一種新的調(diào)制方式，其主要的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)不受放大器的非線性影響、不受相位噪聲的影響以及具有較高的頻譜效率，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究也不斷展開[13]。因?yàn)?，大多?shù)衛(wèi)星上都裝配有雙正交極化天線，因此無需硬件調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)極化調(diào)制。同時(shí)，在極化調(diào)制解調(diào)時(shí)，無需嚴(yán)格的載波同步，適用于高動(dòng)態(tài)以及高頻窄帶等難以建立載波同步的衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于其自身的廣播特性以及較大范圍的覆蓋，所以面臨著嚴(yán)重的傳輸安全威脅[14]。隨著計(jì)算機(jī)能力的提升，傳統(tǒng)高層加密技術(shù)無法完全保證信息的絕對(duì)安全傳輸。有學(xué)者設(shè)計(jì)一對(duì)快速跳變的雙極化狀態(tài)同時(shí)用于承載調(diào)制信息，形成一種自干擾[15]，得以安全傳輸。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對(duì)這一信息資源研究開發(fā)的深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與其重要性相稱。充分挖掘和利用潛在的極化域資源是未來衛(wèi)星通信中重要的研究方向。

2　極化特性與衛(wèi)星通信極化信道模型

電磁波完整的描述需要電場(chǎng)強(qiáng)度、電位移密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通量密度四個(gè)基本場(chǎng)矢量。例如，在單一頻率下已知電場(chǎng)強(qiáng)度，并采用其端點(diǎn)作為時(shí)間函數(shù)所形成的空間軌跡的形狀和旋向定義電磁波極化狀態(tài)，則其余場(chǎng)矢量可根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度求出。一般情況下，簡(jiǎn)諧平面波電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量端點(diǎn)在傳播的橫截面上隨時(shí)間變化的軌跡是橢圓，稱為極化橢圓。

2.1　當(dāng)前電磁波極化信息的表示

對(duì)于完全極化波通常有5種常用的極化描述：電磁波的Jones電場(chǎng)矢量E、復(fù)極化比ρ、極化橢圓幾何描述子(ε,τ)、極化相位描述子(δ,φ)，以及Stokes矢量J。5種參數(shù)都可以唯一地表示一種極化狀態(tài)。通常選定水平/垂直極化(H,V)作為一組基。在電磁波傳播過程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)換，所以用電場(chǎng)表示E=EhH+EvV，E=[Eh,Ev]T,則Jones矢量與極化相位描述子表示：

(1)

式中，γ稱為極化角，取值范圍為[0,π/2]，δ稱為極化輔角，取值范圍為[-π,π]。George Stokes引入4個(gè)參數(shù)組成的Stokes矢量，更加形象地描述極化狀態(tài)，如式(2)所示：

(2)

其中：g02=g12+g22+g32，φ=φV-φH，在功率密度一定時(shí)，選擇g1、g2和g3作為一組三維的正交基。為了在球坐標(biāo)下便于描述，采用方位角和仰角表示成為極化橢圓幾何描述子(ε,τ)。Jones矢量、Stokes矢量和幾何描述子，在歸一化功率下，可以映射在Poincare極化球上，如圖1所示。

圖1 在Poincare上相位描述子與幾何描述子

不同表示參數(shù)之間關(guān)系為：

(3)

式中，A為信號(hào)幅度，可做歸一化處理。

2.2　極化與天線

電磁波由天線輻射，所以天線的極化特性即為該天線輻射電磁波所具有的極化特性。不同結(jié)構(gòu)的天線具有不同的極化特性，若要對(duì)極化信息更加靈活運(yùn)用，需要產(chǎn)生快速捷變極化信號(hào)。隨著天線技術(shù)的發(fā)展，改變天線結(jié)構(gòu)或者變更饋線內(nèi)的電磁波模式就可以實(shí)現(xiàn)任意極化狀態(tài)[16]。

改變天線結(jié)構(gòu)的變極化裝置最早在雷達(dá)極化場(chǎng)景下應(yīng)用，有柵網(wǎng)極化變極化器[17]、反射型極化變極化器[18]、平行金屬片極化變極化器[19]等。目前，變更饋線內(nèi)電磁波模式的變極化天線應(yīng)用較為廣泛。在饋線內(nèi)完成變極化，主要有半導(dǎo)體變極化器[20]和鐵氧體變極化器[21]，其分別依賴半導(dǎo)體相移、鐵氧體移相器來實(shí)現(xiàn)變極化。半導(dǎo)體主要適用于S頻段以下，鐵氧體適用于S波段到Ku波段。這兩種變極化器能夠承受較大的峰值功率，可靠性高。矢量天線陣列[22](Vector Antenna Array，VAA)也是合成任意狀態(tài)的極化波的一個(gè)新方法，其使用p(p>1整數(shù))對(duì)點(diǎn)偶極子和磁偶極子通過功率控制即可產(chǎn)生。它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠較為精確地產(chǎn)生確定的極化信號(hào)，但是矢量天線陣列價(jià)格較為昂貴，一般裝載于軍用通信衛(wèi)星和軍用雷達(dá)中。

然而，基于硬件產(chǎn)生的極化信號(hào)的捷變速度較慢，容易受到機(jī)械損傷或者產(chǎn)生的復(fù)雜度較高，難以在以最新極化理論為背景的實(shí)際通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

2.3　虛擬極化技術(shù)

虛擬極化技術(shù) (Virtual Polarization, VP)與硬件變極化不同，其主要通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來產(chǎn)生任意的極化狀態(tài)，它最早由英國(guó)學(xué)者Poelman[23]提出。VP技術(shù)利用一對(duì)雙正交極化通道，對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行幅度和相位加權(quán)的數(shù)字信號(hào)處理，然后分別饋給極化正交天線或者一根雙極化天線，即可在空間中形成任意極化狀態(tài)的電磁波。由于目前數(shù)字信號(hào)處理算法的發(fā)展以及高性能極化捷變天線的出現(xiàn)，VP完全可以由DSP完成，整個(gè)通信系統(tǒng)無需額外的變極化器或改變天饋系統(tǒng)參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)靈活性。

VP技術(shù)產(chǎn)生任意極化狀態(tài)的原理，如圖2所示。選取一組正交雙極化天線輻射電磁波，通常選取水平(H)和垂直(V)極化天線，也可選取左旋圓極化和右旋圓極化等。

圖2　虛擬極化發(fā)射機(jī)

其中，圖中功分單元(Power Divide Unit, PDU)和相移單元(Phase Move Unit, PMU)分別為：

(4)

(5)

式中，(γT,δT)為輻射后的極化狀態(tài)相位描述子。假設(shè)源信號(hào)是一個(gè)幅度為E0、頻率為ω0的基帶信號(hào)，經(jīng)過PDU和PMU后，在雙正交天線端口的信號(hào)為：

(6)

由此可見，可以調(diào)整相位描述子(γT,δT)，使發(fā)射信號(hào)遍歷所有極化狀態(tài)，即產(chǎn)生任意狀態(tài)的發(fā)射信號(hào)。

接收信號(hào)與發(fā)射是互易過程，如圖3所示。

圖3　虛擬極化接收機(jī)

在雙正交天線接收信號(hào)后，通過兩個(gè)通道的移相和幅值加權(quán)，即可等效獲得任意狀態(tài)的接收極化。接收端需要有發(fā)送端先驗(yàn)極化狀態(tài)個(gè)數(shù)，通過遍歷判決極化狀態(tài)。設(shè)置幅度加權(quán)單元和相位加權(quán)單元分別為：

(7)

(8)

(9)

經(jīng)過相干合成后，進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)為：

yr=(RVcosγr+RHsinγrejδr)ejω0t，

(10)

則整個(gè)系統(tǒng)等效的接收極化狀態(tài)即為相位描述子(γr,δr)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)一般都滿足互易定理。變極化天線將某線極化信號(hào)變成圓極化發(fā)射，同樣也可以將該圓極化信號(hào)接收變成線極化而無損失。這意味著實(shí)現(xiàn)發(fā)射變極化天饋系統(tǒng)同樣也可以接收變極化信號(hào)。對(duì)于虛擬極化而言，按照不同的復(fù)數(shù)權(quán)值加以組合，無損耗地快速產(chǎn)生任意極化狀態(tài)，并使用接收機(jī)快速實(shí)現(xiàn)極化自適應(yīng)，匹配相應(yīng)的狀態(tài)，達(dá)到最優(yōu)化接收。因此，VP技術(shù)在未來極化信息的利用上將會(huì)發(fā)揮重要作用。

2.4　傳統(tǒng)衛(wèi)星信道特點(diǎn)

衛(wèi)星信道與地面無線信道具有很大的區(qū)別，其主要特征有[24]：第一，功率受限，由于衛(wèi)星主要依靠太陽能電池板工作，數(shù)字通信系統(tǒng)為其主要載荷，而星上功率放大器、體積以及散熱都有很高的要求；第二，帶寬受限，隨著衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，原本有限的頻譜資源變得異常緊張；第三，干擾和噪聲影響大；第四，由于無線電波的無界性以及覆蓋范圍十分廣闊，其依靠高層加密技術(shù)的安全傳輸面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

2.5　衛(wèi)星信道的去極化效應(yīng)

在衛(wèi)星通信中，主要存在以下兩種去極化機(jī)制[4]：

① 天線去極化：由于天線極化特性并非完全理想，天線既可以收到主極化的能量，也會(huì)接收到少許交叉極化狀態(tài)上的能量。

② 基于反射的去極化：由于衛(wèi)星信道穿過大氣，會(huì)受到大氣中的水蒸氣、小冰晶等的反射與折射，以及對(duì)流層的閃爍，隨機(jī)改變電磁波的極化狀態(tài)，例如從水平極化狀態(tài)變?yōu)榇怪睒O化狀態(tài)，出現(xiàn)功率耦合等現(xiàn)象。

由于信道的去極化效應(yīng)，使得極化狀態(tài)發(fā)生變化。從時(shí)域上看，主要存在無線極化信道之間的極化相關(guān)性和極化功率不平衡[25-26]。極化相關(guān)性體現(xiàn)為非富散射環(huán)境下極化信道之間的相關(guān)性；極化功率不平衡體現(xiàn)為實(shí)際信道由于極化選擇性產(chǎn)生的極化信道之間的功率不平衡。從頻域上看，去極化效應(yīng)體現(xiàn)為極化狀態(tài)的偏移和極化狀態(tài)正交兩分量的功率增益不平衡[27]，分別稱為極化模式色散(Polarization Mode Dispersion, PMD)和極化相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss, PDL)[28-29]。產(chǎn)生PDL的主要原因就是兩路信號(hào)之間能量的耦合，PMD效應(yīng)則用來說明這種耦合關(guān)于與頻率之間的關(guān)系。

2.6　衛(wèi)星雙極化信道

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，采用虛擬極化技術(shù)實(shí)現(xiàn)收發(fā)任意極化狀態(tài)，因此需要采用雙正交拋物面極化天線(Orthogonal Dual Parabolic Polarized Antenna, ODPPAs)。

雙極化窄帶衛(wèi)星通信信道基本模型如圖4所示，可以等效成為一個(gè)隔離的2x2的MIMO (Multi-input Multi-output) ：

(11)

式中，hXY為X極化發(fā)射天線與Y極化接收天線無線信道間的信道增益。將該信道進(jìn)行奇異值分解，U和V為酉矩陣，λi(i=1,2)為信道的特征值。由于極化狀態(tài)受酉矩陣的影響，極化基會(huì)發(fā)生變化，則U和V會(huì)造成極化狀態(tài)的剛性旋轉(zhuǎn)[29]，但極化的相對(duì)位置以及功率都不會(huì)發(fā)生改變。

圖4　雙極化信道基本模型

因此，PDL效應(yīng)可以定義為：

(12)

經(jīng)過PDL效應(yīng)影響之后，接收信號(hào)的特征有：

(13)

ρ=λ1cos2γy+λ2sin2γy,

(14)

式中，γz為接收到的極化角，ρ為相比于歸一化接收到的功率，極化角輔角在傳播過程中，一般不發(fā)生改變。

3　極化信息在衛(wèi)星通信中發(fā)展趨勢(shì)

信號(hào)極化特性在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中仍然存在如下一些問題值得進(jìn)一步深入研究：

① 衛(wèi)星通信被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，而軍用無線通信系統(tǒng)面臨著嚴(yán)重的干擾，極化域抗干擾技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的增益。因此，在未來，在不同的干擾場(chǎng)景下，采取專門的極化域抗干擾技術(shù)將是研究重點(diǎn)。另外，利用斜投影濾波器在極化域?qū)崿F(xiàn)抗干擾時(shí)，其中對(duì)干擾參數(shù)的識(shí)別至關(guān)緊要。目前對(duì)極化參數(shù)識(shí)別主要利用一些自適應(yīng)濾波算法來估計(jì)，但是往往收斂速度不夠快，在實(shí)際系統(tǒng)中是一個(gè)亟待解決的問題。因此，進(jìn)一步探索極化參數(shù)的精確快速識(shí)別具有較高的研究?jī)r(jià)值。

② 在使用快速雙極化變信號(hào)實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸時(shí)，自干擾的能量與原始信號(hào)的能量相同，因此在能耗方面并不可觀，需要犧牲較多的能量。在接下來的研究中，可以根據(jù)實(shí)際的信道，對(duì)干擾信號(hào)能量進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)更加成熟的安全傳輸方案。

③ 衛(wèi)星正朝著大容量、高帶寬方向發(fā)展。如何從極化復(fù)用角度提高系統(tǒng)吞吐率以及提升高帶寬的頻譜利用率將是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

4　結(jié)束語

首先結(jié)合當(dāng)前極化信息理論和最新研究成果，從電磁波基本場(chǎng)的概念出發(fā)引出了極化表征的方法，闡述了極化與天線之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，分析了任意極化狀態(tài)的產(chǎn)生以及接收方法。進(jìn)而，闡述了衛(wèi)星通信雙極化信道模型以及去極化效應(yīng)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，最后分析了極化特性在衛(wèi)星通信中的發(fā)展趨勢(shì)。衛(wèi)星通信作為一種重要的通信方式，信號(hào)的極化特性豐富了傳輸理論，在極化領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步深入探究，能夠緩解當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻譜資源緊張、能耗高、干擾嚴(yán)重等問題，可為未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量提升、能耗降低、干擾消除等熱點(diǎn)問題開辟新的途徑。

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