基于空時編碼的高效星地數據傳輸技術

丁丹 林存寶

關鍵詞： 空時編碼; 數據傳輸; 相關性; 頻譜效率; 鏈路; 功率

中圖分類號： TN919.1?34; V249.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）05?0006?04

High?efficiency satellite?to?earth data transmission technology

based on space?time coding

DING Dan， LIN Cunbao

（Department of Electronic and Optical Engineering， Space Engineering University， Beijing 101416， China）

Abstract： The time?domain variable rate transmission mode is often adopted to increase the transmission efficiency of satellite?to?earth data， but has limited improvement. Proceeding from the space?domain perspective， a high?efficiency satellite?to?earth data transmission technology based on space?time coding is proposed. The multiple aliasing data streams are separated by means of space?time precoding to form multiple coding channels for multi?channel parallel data transmission. The scattered and reflected path power is collected to fully utilize the limited link power. The analysis and simulation results show that， in comparison with traditional point?to?point transmission mode， the spectrum efficiency of the data transmission mode of two antennas on satellite to two users is improved by 0.5～1 b[?]s-1[?]Hz-1.

Keywords： space?time coding; data transmission; relativity; spectrum efficiency; link; power

0 ?引 ?言

為了提高衛星與地面站之間的數據傳輸效率，一方面需不斷提高鏈路功率，包括星上EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，有效全向輻射功率）值和地面站接收天線的增益，這依賴于功放、低噪放、天線等器件的發展;另一方面，需充分利用已有鏈路功率，設計有限鏈路資源條件下的高效數據傳輸體制。當前，提高星地數據傳輸效率的研究工作主要聚焦變速率傳輸模式[1?3]，實現傳輸速率隨仰角升高而提高，從而充分利用衛星過境窗口內高仰角區的鏈路功率余量。文獻[4?5]采用變速率傳輸模式，可將衛星過境期間數據傳輸容量提升為傳統恒定速率傳輸模式的2.62倍。

有別于已有文獻的時間域變速率策略，本文從空間域角度著手，設計合理高效的空間復用方式，在空間域上收集散射、反射路徑功率并有效利用，從而充分利用有限的鏈路功率。而傳統星地數據傳輸體制，衛星分時對地面各接收站進行數據下傳，某一站點接收數據時，同處于衛星波束覆蓋范圍內的其他站點或處于靜默狀態或接收相同數據，未能充分利用各站點的電磁輻射能量提高整個系統的信息量，造成空間上的功率資源浪費，如圖1a）所示。為克服傳統星地數傳體制下的空間域功率浪費，理想的傳輸模式是在衛星上采用多天線陣列，將一個寬波束分解為多個窄波束，精確指向多個站點，采用空分多址的方式同時進行多路數據并行傳輸，避免寶貴的電磁功率投向非目標地點，從而達到鏈路功率資源的最大化利用，如圖1b）所示。然而，由于受衛星平臺負載能力限制，較難實現基于星上大規模多天線陣列的多波束傳輸。

本文基于多天線系統實現空間復用的方法——空時編碼[6]，利用天線之間的不相關性，通過空時預編碼將多個混疊的數據流分離開來，形成多個編碼通道同時傳輸多路數據，從而提高系統的傳輸速率，并減輕收發兩端的復雜性。

1 ?基于空時編碼的空間復用傳輸體制設計

1.1 ?總體設計

如圖1c）所示，星上采用一定數量的天線，各天線波束覆蓋同一區域，天線數量根據需求配置。星上天線數量越多，系統通信容量越大，但復雜度越高。衛星先對多個用戶的數據進行多用戶調度，以實現星上天線數量和用戶數量之間的適配;再根據實時信道狀態信息（Channel State Information，CSI）進行空時預編碼，通過預均衡的方式在發送端對多用戶之間的干擾進行預消除;最后各路編碼數據由多個小功放推送至各天線，完成數據發送。終端采用單天線即可，無需任何額外的硬件成本。處在波束覆蓋范圍內的多個終端同時接收下行信號，分別進行信道估計以獲取各自的CSI，據此對接收信號進行空時解碼從而分離出各自的期望信息。另一方面，通過上行鏈路將CSI反饋至衛星，供其進行預編碼的碼本制備。

1.2 ?星上多天線方案

在多天線系統中，天線相關性對信道容量影響很大[7?9]，在低相關或者不相關條件下，增加天線數量可使系統獲得更高的信道容量增益;而在高相關條件下，增加天線數量對信道容量沒有明顯改善。因此，提高多天線系統信道容量的一個重要途徑是改善其子信道間的相關性，如增加天線之間的距離、使用正交極化天線等。由于星地傳輸信道通常具有較強的直射分量，欲通過增加天線間距的方法降低子信道間的相關性，對天線間距要求過高，不適用于受限的衛星平臺。因此，本文采用星上交叉極化天線的方法降低子信道間的相關性。

令收發兩端均由兩個交叉極化天線組成，接收端周圍均勻分布著[N]個散射物。若歸一化的信道響應矩陣表示為[H=h11h12h21h22]，則第一個發送天線到兩個接收天線的信道系數可表示為：

式中：[ψi]為第[i]個散射物引入的相位;[?i]為第[i]個入射信號的入射角度;[α]為兩個交叉極化天線之間的角度。則兩天線接收到的復信號間的相關系數可以表示為：

將式（1）代入式（2），水平極化與垂直極化兩個信道的系數可表示為：

1.3 ?空時編碼方案

為便于分析，構造一個如圖2所示的星地多天線傳輸系統。衛星上設置兩個交叉極化天線，將兩個用戶的數據流通過預編碼后從兩個天線發出，每個用戶只接收自己的數據。

考慮到編碼的復雜度不宜過高，選擇迫零編碼（Zero?forcing）對衛星發送端進行線性預編碼。具體編碼流程如下：

首先產生兩路QPSK調制符號流：

假設4條發送信道在每個不同的發送符號時刻的信道參數為：

在第[i]個發送時刻，得到的信道矩陣為[Hi=H11iH21iH12iH22i]，對[Hi]求偽逆并對列向量歸一化得到預編碼矩陣[Hpi=?′11?′21?′12?′22]。對第[i]個時隙的兩個天線上發送的符號與偽逆矩陣相乘，得到預編碼后的符號為：

最終得到發送符號序列為：

[Xp1=X′11，X′12，…，X′1（N-1），X′1NXp2=X′21，X′22，…，X′2（N-1），X′2N] （7）

將符號在接下來的發送周期內依次發送，在接收端可以對信號直接進行QPSK解調，恢復出各自的比特流。

2 ?仿真分析

2.1 ?仿真條件

3GPP所使用的多天線無線傳輸信道模型（Spatial Channel Model，SCM）是一種統計信道模型[10]。該信道模型考慮的信道參數比較全，包括功率時延譜（PDP）、多普勒譜、[K]因子、移動速度、終端和基站的天線間距、功率角度譜（PAS）、到達角與離開角等。SCM信道模型考慮了3種典型場景，分別是郊區宏小區（Suburban Macro）、城市宏小區（Urban Macro）和城市微小區（Urban Micro）。本文仿真的關鍵在于天線間相關性的引入，包括同極化陣列式多天線間的相關性，以及垂直極化天線之間的相關性。SCM信道模型可以方便地仿真天線之間的相關性，這是選擇該模型進行本文仿真的主要原因。主要仿真參數如下：

1） 仿真場景選擇“郊區宏小區”：這種場景較為空曠，又具有一定的散射環境，最接近星地數據傳輸場景。

2） 采樣率為3.84 MHz：無線傳輸系統的典型符號率為幾kHz到2 MHz，這個采樣率完全可以滿足;另外，這是WCDMA的碼速率，在實際系統實現時較容易兼容。

3） QPSK調制、非編碼：功率效率與頻譜效率適中，是無線傳輸系統中應用較多的調制方式;另外，不使用信道編碼，便于直接比較不同參數配置下的系統性能。

4） 準靜態傳輸設置：按照信道采樣間隔設置幀長（如幀長為采樣間隔的[110]），從而使每幀傳輸過程中信道參數不變，便于性能仿真與比較。

2.2 ?信道相關性仿真

假設入射信號角度服從高斯分布，角度擴展方差用[σ]表示，則得到如圖3所示的相關系數與交叉極化夾角的關系圖，以及圖4所示的信道容量和信道相關系數的仿真圖。可以看出，空間相關性主要取決于天線元之間的極化夾角，極化夾角越大，相關性越小，極化正交時相關性最小。另外，與線性天線陣列類似，入射角度擴展越大，信道相關性越小。

2.3 ?傳輸效率仿真

在仿真中產生1 000幀的信道沖擊響應，仿真基于迫零編碼的發送策略;另一方面，使用相同的信道沖擊響應，仿真單一鏈路的MIMO系統性能（接收端具有理想信道估計，并采用頻域信道均衡），獲得圖5所示曲線。

2?2 MIMO and SISO systems

通過對比圖5中兩條曲線可以發現，若達到10-5的誤碼率，單收單發情況下的信噪比比采用預編碼的兩用戶并行發送的情況低5 dB。換個角度說，若能夠將信噪比從40 dB提升到45 dB，就可以使用基于預編碼的兩用戶并行發送方案，使總的信息傳輸速率達到原來的2倍，即傳輸效率從2 b[?]s-1[?]Hz-1（1路QPSK）提升到4 b[?]s-1[?]Hz-1（2路QPSK），提高了2 b[?]s-1[?]Hz-1。而從另一

個角度看，如果將SISO（Single Input Single Output， 單輸入單輸出）鏈路的信噪比從40 dB提升到45 dB后，理論上可以得到的傳輸效率提升可根據如下步驟得到：

SNR1=104;SNR2=104.5

[C1=]log2（1+ SNR1）=13.29 b[?]s-1[?]Hz-1

[C2=]log2（1+ SNR2）=14.95 b[?]s-1[?]Hz-1

[ΔC=C2-C1=]1.66 b[?]s-1[?]Hz-1

即在理想AWGN信道環境下，信噪比從40 dB提升到45 dB后，SISO鏈路的傳輸效率可提高1.66 b[?]s-1[?]Hz-1。而在仿真所使用的復雜衰落條件下，這5 dB信噪比提升對SISO鏈路帶來的頻譜效率提升或許達不到1.66 b[?]s-1[?]Hz-1。另外，仿真中所使用的Zero?forcing預編碼技術考慮了復雜度問題，其性能在所使用的信道模型下并不是最優的，還有進一步提升的空間（如使用MMSE或者Dirty Paper方法）。

綜合以上幾點，在當前信道情況下，2×2 MIMO較SISO情況可帶來0.5～1 b[?]s-1[?]Hz-1的頻譜效率提升。

綜上可知，基于多天線空時編碼理論，如果在衛星上使用更多的發射天線，則可以利用空分特性支持更多用戶的信息同時傳輸，從而使系統總容量進一步增加。

3 ?結 ?論

本文基于空時編碼的空間復用傳輸體制，實現了衛星對多個用戶的同時、同頻、同域并發多路數據傳輸，可顯著提高全系統的通信容量。從衛星的角度看，下行波束在地面多個位置被多個手持終端接收，并解調出多路數據，相當于電磁輻射功率在地面多點分別得到利用，鏈路資源利用率得到了提升;從用戶的角度看，多個手持終端同時接收，等效于多個小型天線組成一個大型的虛擬天線，從總體上提高了地面接收的[GT]值。

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