衛星移動終端的協作分集技術研究

鈕長珍

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衛星移動終端的協作分集技術研究

鈕長珍

廈門九華通信設備廠，福建 廈門 361022

新一代衛星移動通信系統需要實現更高的數據速率和頻譜利用率來滿足傳輸多種業務的需求。多輸入多輸出技術能夠在有限功率和頻譜資源的條件下空域資源的充分挖掘利用，對系統性能的進一步提高意義重大。然而，由于收發兩端，特別是地面終端的功耗、體積和硬件復雜度受限，單個終端上多天線的實現目前仍然比較困難，嚴重阻礙了MIMO技術的發展。此時，協作分集通過多個單天線終端之間相互協作，實現了多天線的虛擬MIMO。需要研究適用于衛星系統的協作分集傳輸技術，以增強衛星移動系統信號傳輸的可靠性與有效性。

衛星移動；終端；協作分集；技術研究

1 衛星移動通信系統研究現狀

1.1 協作終端選擇問題

當源節點周圍存在潛在的協作終端時，如何對協作伙伴進行選擇，選擇哪一個或多個協作伙伴來輔助通信，是協作分集技術中重點關注和研究的問題之一。一般情況下，不同終端用戶之間的無線信道狀態有較大的差異，然而移動通信系統中的功率、頻譜等資源十分有限，因此應當根據信道狀態的差異，合理選擇協作終端，使有限的可用資源得到更加高效的利用。利用瞬時的信道狀態信息[1]，在不考慮網絡的拓撲結構情況下提出了中繼選擇策略，同時進一步分析了利用和協議時基于最優中斷概率的中繼選擇方案。Mahinthan等人考慮將局部最優的算法應用在實際系統中，并采用算法來提高系統的總體性能。此外，考慮統計信道信息的情況下，可將其等效為地理位置信息進行協作伙伴的選擇?？紤]效用函數的協作終端選擇方案，主要以最大化總效用為目標來提高系統效率。目前，在協作終端選擇算法中，較為關注的是聯合經濟學模型以及博弈論的思想。一些研究將斯塔克爾伯格模型、古諾模型等經濟學中的經典模型算法引入協作終端選擇方案中，利用納什均衡算法，來選擇最優的協作終端[2]。

1.2 協作分集的功率分配方案

近年來，越來越多的文獻關注協作通信中源節點和協作節點之間的功率資源分配問題，功率分配已成為協作通信中研究的熱點之一。目前，較多的功率分配方案是在源節點和協作節點的總發射功率受限時，以提升系統的可靠性為目標進行功率分配，例如最小化中斷概率或誤碼率等目標，從而建立數學模型，找出最優解即為所求的最佳功率分配方案。此外，提出的方案將功率分配與協作終端選擇進行聯合考慮，提出了一種集中式效率最大化的優化功率分配方案。如今，學術界考慮將博弈論引入協作通信的功率分配方案中?；诜植际骄W絡中各個終端節點地位相同的特點，Z.Zhang等人考慮納什討價還價博弈理論，對頻譜分配策略進行了研究。在文獻中，作者考慮價格對來判斷資源如何分配，并且提供激勵的機制，從而獲得全局最優解。

2 協作分集技術的提出和發展

技術越來越引起人們的關注，被認為是未來無線通信的關鍵技術之一，它可以有效的抵抗多徑衰落。由于上一節講的多種原因現在還不能應用到現實的通信中，所以如何將分集和現實實現相結合是個熱門的研究課題[3]。

Sendonaris等人根據中繼信道模型第一次提出了這種新的概念—協作分集，通過單天線用戶的協作可以獲得類似的空間分集增益。在通信中每個單天線用戶周圍都存在若干個協作用戶，協作的思想就是通過一定的方式使各個協作用戶共享彼此的天線，形成一個虛擬的天線系統，獲得分集增益。繼而他們在信息論方面對協作的中斷概率、系統容量以及遍歷概率做了深入的分析，這些都證實了協作分集技術不僅可以提高系統的傳輸速率還有降低誤碼率、中斷概率、提高系統容量的能力。通過多名學者的繼續研究，提出了多種協作分集方案比如放大中繼、選擇中繼和增強中繼。還有一部分學者將協作中繼和信道編碼相結合，這樣就可以獲得更好的信道帶寬。協作是一種新的實現方式，所以中繼信道的技術也可以應用到協作中，空時編碼的引入極大地提高了協作系統的性能，特別是中斷概率和誤碼率方面。網絡編碼可以極大提高系統的吞吐量和頻譜利用率，應用到協作中可以使兩個以上的用戶進行協作打破了原來只能兩用戶協作方案的壁壘。中繼系統可以提高邊緣用戶的服務質量，但是有時一個用戶多個中繼為其服務，這樣可能造成能源的浪費和系統的復雜度。為此一些學者提出了將位置信息、系統容量、中斷概率和瞬時信道狀態信息等作為評價函數的協同中繼選擇方法來提高傳輸可靠性。功率分配技術可以用較低的系統功耗提高系統的容量，實現綠色通信。協作分集的最初階段都假設各個節點等功率，顯然這種功率分配算法不是最優的，一些學者提出了基于信道容量和頻率效率、中斷概率和錯誤概率的算法。通過協作節點功率的二次分配實現了系統性能的提高，也降低了功率消耗。

3 結束語

空域分集給現代通信日益緊張的頻帶資源帶來了革命性的突破，而協作分集技術給空域分集的實現提供了一條有效和實用的途徑。在本文中我們介紹了幾種主要的協作分集協議，在此基礎上也不斷有新的改進協議提出，但是還有一些具體的問題并未解決。例如，如何實現用戶間的同步，如何有效的進行協作階段的功率分配，如何將其適用于空間一時間選擇性衰落信道中，如何進一步改進服務中斷概率的性能等?？傊?，隨著協作分集協議的完善，協作技術的不斷成熟，必將給通信領域帶來新的活力。

[1]邢天璋，陳天，白瑩琦.協作分集技術研究與展望[J].電子科技，2010（3）：107-110.

[2]鐵曉磊，洪佩琳，薛開平，唐浩.一種基于協作分集技術的切換機制[J].電子與信息學報，2011（5）：1178-1185.

[3]李國彥，張合慶.協作通信技術在衛星移動通信中的應用[J].通信技術，2015（1）：56-60.

Research on Cooperative Diversity of Satellite Mobile Terminals

Niu Changzhen

Xiamen Jiuhua Communication Equipment Factory，Fujian Xiamen 361022

A new generation of satellite mobile communication system needs to realize higher data rate and spectrum utilization rate to meet the needs of transmission of multiple services. Multi-input multi-output（MIMO） technology can fully exploit the airspace resource under the condition of limited power and spectrum resources，which is significant to the further improvement of system performance. However，due to the limited power consumption， volume and hardware complexity of the two ends of the transceiver，especially the terrestrial terminal，the implementation of multiple antennas on a single terminal is still difficult，which hinders the development of MIMO technology. In this case，cooperative diversity achieves multi-antenna virtual MIMO by cooperating with multiple single antenna terminals. It is necessary to study the cooperative diversity transmission technology applicable to satellite systems in order to enhance the reliability and effectiveness of satellite mobile system signal transmission.

satellite mobile；terminal；cooperative diversity

TN927.23

A

1009-6434（2017）01-0013-02