變速率與空間復用相結合的遙感數傳技術

丁 丹，姜明勇

(裝備學院 光電裝備系，北京 101416)

【信息科學與控制工程】

變速率與空間復用相結合的遙感數傳技術

丁 丹，姜明勇

(裝備學院 光電裝備系，北京 101416)

為進一步提高遙感衛星數據傳輸效率，在現有單用戶變速率傳輸方法的基礎上，提出變速率與空間復用相結合的遙感數傳技術，通過“最佳終端組”的選擇和自適應調制編碼方式的設定，實現遙感衛星同時對多個地面終端的并發數據傳輸，從而提升遙感衛星過境窗口內的數據傳輸容量；分析與仿真結果顯示：結合空間復用技術后，在衛星中心角7.5～5.5度區間內，多用戶變速率傳輸方式的容量較現有單用戶變速率方式提高了約60%。

自適應調制編碼；空間復用；數據傳輸；遙感衛星本文

為盡可能提高遙感衛星數據傳輸效率，文獻[1-3]借鑒DVB-S2中的ACM (Adaptive Code and Modulation,自適應調制編碼)思想，進行可變速率傳輸。在遙感衛星過境期間，根據仰角和傳輸距離的變化，自適應地選擇最佳調制階數和編碼速率，使得傳輸數據率隨著仰角的增加而提高，這樣可以最大限度地利用接收信噪比的變化，實現遙感衛星過境窗口內數據傳輸容量最大化。

本文在可變速率傳輸基礎上，突破傳統點對點遙感數傳模式的束縛，結合基于MIMO[5](Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出)技術的空間復用傳輸思想，提出了變速率與空間復用相結合的遙感數傳技術，進一步提高遙感衛星數據傳輸效率?？臻g復用技術主要是利用多個地面終端的空間隔離特性，利用遙感衛星上的多個發射天線，同時對多個地面終端遙感數據并發傳輸，從而大幅度提高遙感衛星數據傳輸的整體容量。

1 系統設計

變速率與空間復用相結合的遙感數傳方法如圖1所示。圖中描述的是同時向4個地面終端發送遙感數據，因此遙感衛星上需配備4副天線，分成2對，每一對之間用極化隔離，兩對之間用距離隔離。本系統對天線無特殊要求，地面終端可配備全向天線；星上則采用普通數傳定向天線即可。多個地面終端分布在不同區域，遙感衛星在過境期間根據地面終端的信道反饋情況選擇“最佳終端組”用于接收下傳遙感數據?！白罴呀K端組”(可能包含1個、2個或4個地面終端)將根據信道的變化動態更新；在此基礎上，針對“最佳終端組”內每個地面終端的信道情況設計最佳的調制編碼方案，并在通信過程中進行動態更新。

圖1 變速率與空間復用相結合的遙感數傳方法示意圖

1.1 系統信道設計

設計3條物理層邏輯信道：前向控制信道、反向反饋信道和前向業務信道。

前向信令信道：用于向地面終端傳輸用戶選擇和各用戶的調制編碼方式信息；

反向反饋信道：用于地面終端向遙感衛星傳輸信道測量信息；

前向業務信道：用于遙感衛星向選中的地面終端進行遙感數據的傳輸。

1.2 遙感衛星發送流程

遙感衛星一方面通過前向控制信道發送導頻信號，另一方面通過反向反饋信道首先收集多個地面終端的信道反饋信息，包括信道響應和信噪比估計；經過信道分析選擇“最佳終端組”，即挑選“組合信道狀況”最好的1個、2個或4個地面終端作為數據傳輸對象，通過前向控制信道通知用戶選擇結果。

根據“最佳終端組”中每個地面終端反饋的SINR估計值選擇最佳調制編碼方式，并通過前向控制信道告知對應的地面終端；根據所確定的調制編碼方式，對每個地面終端的比特流分別進行調制編碼；當終端個數為2個或4個時，對多個數據流進行多用戶預編碼；1個、2個或4個數據流分別經過IFFT和加CP操作后，形成最終1路、2路或4路信號，通過前向業務信道下傳至地面。

1.3 地面終端接收流程

所有待選擇地面終端接收前向信道，進行去CP和FFT操作，變換到頻域；所有待選擇地面終端在頻域進行信道估計和信噪比估計，并通過反向反饋信道反饋給遙感衛星；被選擇的地面終端通過前向控制信道收到選中通知及調制編碼方式的選擇信息；被選擇的地面終端轉向前向業務信道，首先進行去CP和FFT操作，變換到頻域；每個被選擇的地面終端根據所指定調制編碼方式進行解調和解碼，最終恢復出各自的比特流。

1.4 關鍵問題

變速率與空間復用相結合的遙感數傳系統中，多用戶預編碼、導頻設計、信道測量、信道反饋等方法可借鑒地面移動通信或DVB-S2中的做法，本文不再贅述。下面重點對“最佳終端組”和自適應調制編碼方式的選擇進行描述。

2 “最佳終端組”選擇

2.1 方法

在地面移動通信系統中，每個終端有著獨立的數據接收任務，用戶選擇需要考慮任務性、公平性。在遙感衛星數據傳輸場景下，多個終端分布在不同地點，共同承擔遙感衛星數據接收任務。用戶選擇以傳輸速率最大化為原則，系統在任何時候都是選擇最佳的1個或多個終端進行數據傳輸，目標是系統容量最大。這樣有利于更加充分地發揮“用戶分集”效應，基本決策步驟如下：

針對單終端情況：在所有反饋的SINR估計值中選擇最大者，根據自適應調制編碼表計算出其對應的傳輸效率(η1bit/s/Hz)；

針對2終端情況：將待選終端兩兩配對，在總功率保持不變的前提下，根據每個終端反饋的信道信息計算出各自的SINR，根據自適應調制編碼表計算各自的最大傳輸效率η21bit/s/Hz和η22bit/s/Hz，最終得到η2=(η21+η22)bit/s/Hz；

針對4終端情況：將待選終端四四配對，在總功率保持不變的前提下，根據每個終端上報的信道信息計算出各自的SINR，根據自適應調制編碼表計算各自的最大傳輸效率η41bit/s/Hz、η42bit/s/Hz、η43bit/s/Hz和η44bit/s/Hz，最終得到η4=(η41+η42+η43+η44)bit/s/Hz；

根據η1、η2和η4中的最大值，同時確定“最佳終端組”及其對應的調制編碼方式。

2.2 實例

若某個終端A的接收信道條件足夠好，則將所有衛星功率用于向該終端傳輸，接收SINR可以超過30 dB，從而實現最高階調制和最高碼率的組合，如16QAM+4/5碼率，達到3.2 bit/s/Hz的傳輸效率；

若還存在另外一個終端B，最大接收SINR為20 dB，可以組成兩路空間復用系統，最終兩個終端的接收信干噪比(SINR)分別為23 dB和13 dB，可分別支持16QAM+1/3和BPSK+1/3，從而使總的傳輸效率變為1.33 bit/s/Hz；

比較以上情形下單鏈路傳輸和兩鏈路復用，發現空間復用并沒有提高總的傳輸效率，最佳終端組即為單用戶A。

總之，空間復用并不是總能提高系統傳輸效率，是否使用空間復用、選擇多少用戶，取決于具體的地面終端分布和多終端的信道狀態。

3 自適應調制編碼方式設定

在DVB-S2中，自適應調制編碼調制方式設定的依據是信噪比SNR；而在本文中，結合了空間復用技術后，由于多用戶并行傳輸會相互引入干擾，因此自適應調制編碼方式的確定依據應為信干噪比SINR。

除此之外，DVB-S2中，各種調制編碼方式組合所對應的SINR門限是在高斯信道條件下計算得到的。本文則考慮復雜地形、終端運動等特點，在3GPP SCM(Third Generation Partnership Project Spatial Channel Model,第三代伙伴協議計劃空間信道模型)[6]信道模型條件下進行分析，得到了所有16種調制編碼組合對應的解碼門限，剔除不可能被選擇的方案(相對于某些傳輸效率更高的方案有近似或更高的解碼門限)。最終，共有7種調制編碼組合可以選擇，如表1所示。SINR的跨度為0～20 dB，且相鄰傳輸方案的SINR之差都在2 dB以上，因此具有較好的區分度。

表1 基于3GPP SCM信道模型的自適應調制編碼方式

4 性能分析

4.1 場景構建

選擇遙感衛星過境時段內的一個區間建立場景，如圖2所示。2個地面終端分別位于遙感衛星星下點兩側，仰角分別為20°和150°。假設遙感衛星從畫面右側向左側飛行，選擇一個區間：隨著遙感衛星的移動，左側終端的仰角從20°變成30°，右側終端的仰角從150°變成160°。其間衛星掃過中心角區間為7.5°～5.5°，持續時間為整個過境時間的1/14。若遙感衛星轉過1°中心角的時間為T，則這個區間總耗時為2T。遙感數傳的符號率表示為Bsps。

圖2 場景構建

仿真所需參數如表2所示。

表2 仿真參數

4.2 終端接收信噪比

對于地面終端而言，在中度陰影衰落條件下，遙感衛星過境期間的接收信噪比如圖3所示?？梢钥闯觯簝蓚€地面終端的接收信噪比分別為5 dB和10 dB。隨著遙感衛星的移動，左側終端的接收信噪比將從5 dB增加到10 dB，而右側終端的接收信噪比則從10 dB降低至5 dB。

圖3 遙感衛星過境期間的終端接收信噪比

4.3 單用戶傳輸容量

假設地面只有左側的終端，遙感衛星只配備單天線，傳輸方式包括恒定速率傳輸方式和變速率傳輸方式兩種。

若使用單用戶恒定速率傳輸方式，為了保證衛星整個過境期間穩定通信，需選擇QPSK+1/3的傳輸方式，效率為2/3 bit/s/Hz，則這段區間內總的傳輸容量為4/3 BT；

若使用單用戶可變速率傳輸方式，則可在接收信噪比為5～9 dB區間內采用QPSK+1/3的傳輸方式，效率為2/3 bit/s/Hz；在9～10 dB區間內采用QPSK+1/2的傳輸方式，效率為1 bit/s/Hz。其中5～9 dB區間對應的中心角區間為7.5°～6°，故傳輸容量為2/3×1.5 BT=1 BT；9～10 dB區間對應的中心角變化為6°～5.5°，故傳輸容量為1×0.5 BT =0.5 BT；這段區間內總的傳輸容量為1.5 BT。

4.4 多用戶傳輸容量

假設地面部署左側和右側兩個終端，星上配置1對交叉極化天線。此種情況下，有可能在自適應調制編碼的基礎上加入兩終端復用傳輸，但是否使用復用傳輸取決于信道條件。下面具體分析：

1) 右側終端接收信噪比在9～10 dB子區間。若“最佳終端組”數量為1，則右邊終端信道條件相對更好，采用QPSK+1/2方式，傳輸效率為1 bit/s/Hz；若“最佳終端組”數量為2，則考慮左側終端選擇BPSK+1/3或者更高。然而，由于信道相關性較強，兩路復用傳輸為每條鏈路都引入干擾，得到誤碼率曲線如圖4所示?？梢钥闯觯捎谙嗷ジ蓴_，左側鏈路BPSK+1/3的解碼門限從0 dB增加到了2 dB，而右側鏈路QPSK+1/2的解碼門限從9 dB增加到了18 dB。由此可知，這階段使用BPSK+1/3與QPSK+1/2并行的方案是不可行的。

基于上述分析，考慮對右側終端降低碼率，選擇QPSK+1/3，得到誤碼率曲線如圖5所示?？梢钥闯?，此時QPSK+1/3的解碼門限從單用戶情況下的4 dB惡化為6 dB，但仍然小于10 dB。這說明左側終端BPSK+1/3與右側終端QPSK+1/3復用的方案是可行的。但是，此時總傳輸效率為1/3+2/3=1 bit/s/Hz，與采用QPSK+1/2方式的單鏈路情況相同。考慮系統復雜度，此時仍應選擇采用QPSK+1/2方式的單用戶傳輸方式。

基于上述分析，在2個子區間內：左側終端接收信噪比處于9～10 dB子區間以及右側終端接收信噪比處于9～10 dB子區間，選擇QPSK+1/2方式的單用戶傳輸方式。這2個子區間內的總容量為1×(0.5+0.5)=1 BT。

圖4 右側終端接收信噪比在9～10 dB子區間，使用兩路復用傳輸的性能(不可行方案)

圖5 右側終端接收信噪比在9～10 dB子區間，使用兩路復用傳輸的性能(可行方案)

2) 左、右側終端接收信噪比均在9～6 dB子區間。當右側終端接收信噪比從10 dB降到9 dB之后，左側終端的接收信噪比從5 dB增加到了6 dB。若“最佳終端組”數量為1，則右邊終端信道條件相對更好，采用QPSK+1/3方式，傳輸效率為2/3 bit/s/Hz；

若“最佳終端組”數量為2。由于兩個終端的接收信噪比都處于6～9 dB之間，2終端均選擇QPSK+1/3方式，誤碼率曲線如圖6所示?？梢钥闯觯捎谙嗷ジ蓴_，QPSK+1/3的解碼門限從4 dB增加到了6 dB，此時的信噪比條件剛好滿足要求，說明兩路復用QPSK+1/3的傳輸方案是可行的。此時，并行傳輸系統總的傳輸效率為2/3+2/3=4/3 bit/s/Hz，大于單用戶傳輸方案。

圖6 左、右兩側終端接收信噪比均在6～9 dB子區間，使用兩路復用傳輸的性能(可行方案)

基于上述分析，當左、右兩側終端接收信噪比均在6～9 dB子區間時，最佳方案為兩路QPSK+1/3復用。這個子區間對應的中心角約為1度，因此總的傳輸容量為4/3 BT。

綜合以上兩個區間的分析，結合自適應調制編碼、用戶選擇以及空間復用技術后，系統在該時間段內的總傳輸容量為1+4/3=2.33 BT。

4.5 傳輸容量比較

將上述各種傳輸方案的容量匯總，形成表3。可以看出：變速率傳輸方式下的容量相對于固定速率傳輸方案提高約13%，而結合空間復用技術后，多用戶變速率傳輸方式的容量較單用戶變速率方案提高約60%。

值得注意的是，多用戶變速率傳輸方式帶來的性能增益實際上來自于兩部分：一部分是10～9 dB信噪比區間內單用戶情況下對用戶的選擇帶來的增益；第二部分是9～6 dB信噪比區間內空間復用技術帶來的增益。可見，即使不用空間復用技術，多個地面終端仍然可以為單用戶傳輸系統帶來“用戶選擇增益”，提高系統整體的傳輸效率。

表3 三種系統方案的傳輸容量

5 結論

變速率傳輸方式與空間復用技術的結合可以大幅度提高遙感衛星數據傳輸效率，且兩種技術在不同情況下相互補充。在地面終端分布較分散，衛星仰角較低的情況下，自適應調制編碼的發揮空間有限，但空間復用技術的作用明顯；當手持終端地面分布較為集中，衛星仰角較高情況下，自適應調制編碼將大幅度提高傳輸效率，但空間復用的效果將明顯降低；而當多個地面終端高低仰角皆有時，自適應調制編碼和空間復用的效果都適中，將共同作用提高系統傳輸效率。研究還發現，即使采用單用戶傳輸方式，多個地面終端也將為系統帶來“用戶選擇增益”，同樣可以用于提高系統的整體傳輸效率。

遙感數據傳輸的傳統做法是為地面終端配備伺服天線，傳輸容量隨著天線口徑的擴大而提高；但只能進行單路數據傳輸，而且地面終端的成本、體積、復雜度也較高。本文方法適用于低成本、便攜式地面終端，可實現多路數據并發傳輸。

[1] 張佳鵬,黃普明,陳泓.基于DVB-S2的遙感衛星自適應編碼調制分析與仿真[J].中國空間科學技術,2010(5)：74-82.

[2] 朱麗亞,梁玉梅,余軍,等.基于RCS的遙感數據傳輸中ACM的分析與仿真[J].計算機工程與應用,2013,49(22):77-81.

[3] 張旭.基于VCM的對地探測衛星數據傳輸體制分析[J].電訊技術,2014,54(1):12-16.

[4] ETSI EN 302 307 V1.3.1.Second Generation Framing Structure,Channel Coding and Modulation Systems for Broadcasting,Interactive Services,News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2)[S].2013.3.

[5] SESIA S,TOUFIK I,BAKER M.LTE-The UMTS Long Term Evolution from Theory to Practice[M].New York:John Wiley & Sons,2009:249-276.

[6] 3GPP TR 25.996.3rdGeneration Partnership Project,Technical Specification Group Radio Access Network,Spatial Channel Model for MIMO simulations[S].2012.9.

(責任編輯 楊繼森)

Remote Sensing Data Transmission Combining Variable Rate and Spatial Multiplexing

DING Dan, JIANG Ming-yong

(Photoelectric Equipment Department, Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

In order to further increase the efficiency of remote sensing data transmission, based on single user variable rate transmission, a remote sensing data transmission technique combining variable rate and spatial multiplexing was proposed. Through “best terminal combination” choosing and Adaptive Modulation and Coding (ACM) setting, concurrent data transmission from a remote sensing satellite to several ground terminals was realized, thus improving the overall transmission capacity during the transit window. Analysis and simulation result shows that: by combining spatial multiplexing, the capacity of multi-user variable rate data transmission during 7.5～5.5 degree central angle intervalis is about 60% higher than the existing single user variable rate data transmission.

Adaptive Modulation and Coding (ACM); spatial multiplexing; data transmission; remote sensing satellite

2016-10-27；

2016-12-10 基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”)(2015AA7026085)

丁丹(1980—)，男，講師，主要從事衛星數據傳輸研究。

10.11809/scbgxb2017.03.028

format:DING Dan, JIANG Ming-yong.Remote Sensing Data Transmission Combining Variable Rate and Spatial Multiplexing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):120-124.

V249.3

A

2096-2304(2017)03-0120-05

丁丹，姜明勇.變速率與空間復用相結合的遙感數傳技術[J].兵器裝備工程學報，2017(3):120-124.