衛星網絡的協作通信技術

張 艷,胡小麗,宋維君

(南京信息職業技術學院,南京 210046)

1 引 言

隨著軍事航天、通信等技術的發展,戰爭空間正在向更高方向延伸,外層空間成為關系國家安全和奪取戰爭勝利的重要戰場。航天技術的發展特別是航天器在軍事領域的深入應用,對國家安全產生了重大而深遠的影響。

衛星圍繞地球運行在一個圓形或橢圓形軌道上,按照軌道高度可以分為:低軌道(Low Earth Orbit,LEO)衛星,軌道高度在500～1500km;中軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛星,軌道高度在10000～12000km;高橢圓軌道(High Elliptical Orbit,HEO)衛星,軌道高度在20000km以上[1]。其中對地球同步衛星使用中繼通信機制,可以獲得免費冗余上行鏈路和下行鏈路的資源,這樣衛星網絡能夠得到更好的資源分配和管理。

在協作的網絡結構中,通過中繼信道在源端和目的端建立不同的獨立路徑。該中繼通道可以被認為是一個多跳傳輸,其作為一個輔助渠道,是源端和目的端之間的直接通道。協作通信過程中的關鍵環節是中繼處理重傳源端的接收信號,不同的中繼處理過程導致不同的協作傳輸協議。

按照中繼對接收信號的處理方式,中繼協作策略可分為放大轉發(Amplify-and-Forward,AF)[2]、解碼轉發(Decode-and-Forward,DF)[2]和編碼協作(Coded Cooperation)3種基本類型。

本文分析了用于點對點和點對多點通信鏈路協同通信技術的使用,通過設計一個簡單的中繼模型來分析多節點協作通信方式。符號錯誤率(SER)是評估各種中繼方案的性能指標,通過觀察SER曲線,可以預測放大轉發和解碼轉發協作通信系統的最佳的能量分配。對于多衛星網絡系統產生的多普勒效應,必須考慮使用多節點系統性能分析。在多節點或多跳情況下,帶寬效率也起著重要的作用,并可以通過符號錯誤率分析和對 N個中斷的中斷概率分析來確定。

2 單中繼模型

在本文中,假設有兩個用戶的協作模型,用戶1是源端,用戶2是中繼,如圖1所示,這樣的系統可分解為兩個階段:第一階段是廣播信道,源端將信息同時傳輸給目的端和中繼;第二階段是協作階段,中繼重傳接收到源端的信號給目的端[3]。

圖1 單中繼模型Fig.1 Single relay model

在第一階段,當源端將信息傳輸到目的端和中繼時,在中繼端接收到的信號ys,r與在目的端接收到的信號ys,d可以分別用公式表示為

式中,Ps,r和Ps,d是源端的傳輸能量,m是傳輸的信息,ns,r和ns,d分別是源端到中繼信道的噪聲和源端到目的端信道噪聲,Js,r和Js,d分別是源端到中繼的信道衰減系數和源端到目的端的信道衰減系數,s,d和s,r是源端到目的端和源端到中繼的多普勒頻移函數。

同樣考慮路徑損失、陰影和多普勒效應的影響。依據統計學知識,信道衰落可以用概率密度函數來表征3種不同分布:萊斯分布、瑞利分布和對數正態分布。信號的包絡可以用r表示,x和y是正交向量:

設fd是多普勒頻移(單位Hz),α是漫射部分的到達角度,

根據這些約束條件,可以設計如下中繼協議。

(1)放大轉發(AF)

在放大轉發模式下,中繼用戶第一步接收到其伙伴所發射的被噪聲污染的信號,在第二步放大并轉發這些信號;目的端則以一定的準則合并中繼用戶轉發的和源端所發送的信息,形成最終的判決。J.N.Laneman在文獻[4]中,以中斷概率(Outage Probability)為指標,分析了兩個用戶以時分半雙工方式進行放大轉發協作的性能。分析結果表明,當信噪比較高時,系統可以獲得二階的分集增益。此處,分集階數(Diversity Order)可以看作空間不相關信道的個數(需要注意的是,分集階數并不簡單地等于天線個數或參與協作的用戶數)。盡管在放大中繼過程中,噪聲也被放大并轉發,但由于基站接收到兩個獨立衰落的信號,因而可以作出更好的判決和檢測。

在中繼端得到的信噪比可以表示為

中繼的傳輸信號fAF(ys,r)=Pr×ys,r,Pt是源端傳輸信號的能量,uc取決于信道特性。

對于放大轉發模式,它是假定目的端知道用戶間信道系數來做最佳解碼的。在此模式下,同時交換或估計信道信息是有必要的。該信道的信息可以通過計算目的端的總瞬時信噪比來獲得。目的端的信噪比是源端的信噪比與中繼的信噪比之和。

在協作階段,目的端接收到的信號為

通過對目的端和中繼鏈接,以及從源端到目的端的鏈接,目的端接收到信號m兩個副本,如果平均能量為1,在輸出端瞬時信噪比等于接收到信號的兩個階段的信噪比之和:

式中,K和H是獨立的信道常數。放大轉發模式下的瞬時互信息可表示為

將SNR的值代入上式可得到:

(2)解碼轉發(DF)

解碼轉發中,中繼用戶試圖接收并檢測其伙伴的比特信息,并在第二步轉發判決后的比特信息。雖然解碼轉發比放大轉發模式在減少中繼端的加性噪聲的影響有優勢,但當用戶間信道質量較差時,用戶有可能對其伙伴的信息做出錯誤判決,錯誤地將檢測到的信號轉發到目的地,造成錯誤的傳播,此時協作傳輸不能達到完全分集,從而降低了系統的性能[5]。根據解碼轉發傳輸過程中信道衰減的特性,可以得到互信息為

中斷概率可以用公式表示為

放大轉發的協作能力能否達到預期效果取決于中繼用戶能否正確解碼接收到的信號,因此,隨著信道信噪比提高與錯誤的概率降低,可以得到較高的解碼率。如果調整中繼端的信號傳輸功率,就可以達到較低的中斷概率。

本文采用平均功率分配和完全功率分配兩種方法對放大轉發和解碼轉發協議的中斷概率進行仿真比較,如圖2所示。從仿真結果中可以看出,當信噪比足夠高時,放大轉發協議的中斷概率優于解碼轉發協議,信號的傳輸功率分配增加,導致中斷概率的減小,完全功率分配比平均功率分配方法提高約3dB的信噪比。

圖2 放大轉發和解碼轉發兩種協議的中斷概率Fig.2 Outage probability performance of AF protocol and DF protocol

3 中繼站的影響因素

衛星與星載平臺和地面基站都是不斷運動的,這使得設計一個保持固定路徑到目的地的分布式網絡變得非常困難。中繼選擇成為幫助確定網絡容量和分集的一個關鍵因素。星載平臺是由太陽能電池板供電,因此每次傳輸最需要考慮設計的一個條件是盡量減少電力消耗。針對特定的吞吐量而要達到空間分集的網絡,使用MIMO技術可以大大降低發射功率。

中繼選擇的策略是基于距離的估計或信道的強度來選擇。在分布式方案中,選擇協作中繼用戶的策略是選擇最接近從源端到目的端的用戶。在選擇性的協作方案中,瞬時的信道強度起著決定因素。要計算信道強度,就要研究與空間直視關聯的信道模型——自由空間傳播損耗模型。一般來說,衛星與星載平臺和地面基站是直視距離,只是間隔的距離很大。如果設發送端與接收端的距離為d,那么此模型引入一個復合參數,則接收信號可以表示為

式中,GT為發射天線增益,λ是工作波長,fc為工作頻率。

傳輸信號功率為

接收功率與距離d和載波頻率fc是成反比的。因此,載波頻率越高所需的功率越低。接收天線的有效面積取決于頻率,接收功率(單位dBm)可以表示為

信道信息和功率的要求,可以通過源端和中繼之間的全雙工鏈路控制通道來傳遞給源端。

4 點對多點的協作通信

點對多點的協作通信系統仍然分為兩個階段:信源廣播和中繼轉發。在信源廣播階段,發射節點首先廣播要發送的符號向量,所有中繼節點和目的節點進行接收。然后,所有中繼節點將接收到的信號進行中繼處理。考慮到在源端附近有多個中繼節點,以及發送端的廣播特性,源端發送的信息可能會被附近的其它節點接收[6]。假設任意兩個節點之間無線鏈接的是加性高斯白噪聲的瑞利窄帶信道,每個鏈路的衰落特性在統計學上是獨立的,每個中繼節點都使用獨立的中繼策略[7]。每個中繼節點都能計算接收到的信噪比,如果接收到的信噪比的值高于指定的閾值,則將信息轉發給下個節點。每個中繼節點合并從源端的信號與L(1≤L≤N-1)個之前的中繼節點接收的信號,目的節點將合并從源端節點與所有中繼節點接收到的信號,這樣可以得到接收端的信號與每個中繼節點的信號表達式分別為

在中繼協作階段,第 i個中繼節點將信息解碼后以Pi的功率轉發到下個節點和目的節點。目的節點最后接收到的信號可表示為

點對多點的協作模式可認為是源節點與中繼節點之間的多址方式,在空間上形成類似多跳無線網絡,中繼節點可以用預設的信噪比門限作為怎樣處理接收到的信號的準則。圖3的仿真結果表明,中繼節點數越多,系統的誤碼率越低,但是要想達到有效的和無差錯的中繼節點選擇,只有借助納什均衡實現應用層的資源分配,這也是下一步的工作。

圖3 中繼節點數與BER的關系曲線Fig.3 The number of relay vs.BER

[1] 劉國梁,榮昆璧.衛星通信[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1987.LIU Guo-liang,RONG Kun-bi.Satellite Communication[M].Harbin:Heilongjiang Science and Technology Press,1987.(in Chinese)

[2] Telatar E.Capacity of Multi-Antenna Gaussian Channels[J].European Transactions on Telecommunications,1999,10(6):585-595.

[3] Ray Liu K J,Sadek A K,Weifeng Su,et al.Cooperative Communications and Net working[M].Cambridge:Cambridge University Press,2009.

[4] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(12):3062-3079.

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[6] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity-Part I and Part II[J].IEEE Transactions on Communications,2003,51(11):1927-1948.

[7] Huang Jian-wei,Zhu Han,Mung Chiang,et al.Auction Based Resource allocation for Cooperative Communication[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2004,26(7):1226-1236.