一種用戶級多波束衛星系統預編碼算法

陶 凱，孫 哲

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.海軍駐邯鄲地區軍事代表室，河北 邯鄲 056000)

0 引言

衛星通信系統在軍事通信中發揮著重要作用[1-4]，波束間頻率復用可有效地提高頻帶利用率，能夠實現衛星系統的高吞吐量通信[5-6]?；谌l率復用方案的多波束衛星系統可建模為一種分布式多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系統[7]，因此可將陸上MIMO系統預編碼相關技術用于多波束衛星系統前向鏈路，以提高前向鏈路的容量?，F有基于信漏噪比(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio，SLNR)[8]和塊對角化(Block Diagonalization，BD)的預編碼[9]方案雖然可有效地降低同道干擾，且對接收天線數目沒有限制，但接收矩陣的求解需要獲知預編碼矩陣。為此可利用臟紙編碼(Dirty Paper Coding，DPC)的思想，來抵消同一用戶的碼流間互擾。文獻[10]提出一種基于連續信漏噪比(Successive Signal-to-Leakage-Plus-Noise Ratio，SSLNR)的BLR-SSLNR-THP算法，但當用戶有多個碼流時，其第一個碼流的信道增益最大，最后一個碼流的信道增益最小，導致系統誤比特率(Bit Error Rate，BER)性能較差。為此，文獻[11]提出一種基于各天線的PA-SSLNR算法，在每個用戶的各天線上獨立計算SSLNR值。本文在PA-SSLNR算法的基礎上，基于對多波束衛星系統信道特性的分析，提出了用戶級的SSLNR算法——US-SSLNR算法，能夠有效地降低各用戶間的增益差，從而有效提高預編碼算法的誤比特率性能，且計算法復雜度較低。

1 系統模型

1.1 波束輻射方向圖建模

現對Ka波段多波束衛星系統的前向鏈路建模。由于地面站采用大功率天線且無遮擋，因此該傳輸路徑可視為理想路徑。因此只需考慮衛星到用戶的下行鏈路。假定衛星一簇波束共有K個，多波束衛星系統一簇19波束示意如圖1所示，單波束的輻射方向圖函數如式(1)所示[12]。

圖1 多波束衛星系統一簇19波束示意Fig.1 Diagram of multi-beam satellite system with 19 beams in a cluster

(1)

式中，

可見，波束19中發送的信號對波束1中的用戶影響很小，可忽略不計。

1.2 系統建模

若多波束衛星系統采用全頻率復用方案及時分多址方式，即每個波束共用一個頻段，且采用TDMA方式隨機選擇一個用戶進行通信。因此，多波束衛星系統可建模為衛星MIMO系統。

(2)

T=[T1T2...TN]，

(3)

(4)

則式(2)可以表示為：

yk=HkTs+nk。

(5)

2 算法原理

借鑒文獻[11]提出的陸地MIMO系統基于各天線的PA-SSLNR算法，在衛星MIMO系統中，對用戶分組以后，當組內碼流數和其用戶數相等時，通過式(2)，可以得到第k組的第j個用戶的接收信號為：

式中，

因此，預編碼矩取自矩陣對{Hk(j：)，HHk(j：)，Hkj，HHkj+σ2nINT}的最大的廣義特征值所對應的廣義特征向量，同時滿足發送功率限制tr(Wk(：j)，HWk(：j))=1。

假設對K=19情形分為3組：

則第1組用戶的接收信號為：

(6)

(7)

因此，式(5)變為：

得到預編碼矩陣之后，需要從發端抵消掉已知的泄漏。所有用戶的預編碼矩陣聯合起來得到：

W=[W1…WN]。

經過預編碼之后所有用戶等效的信道矩陣為：

最大化SSLNR之后，R的上三角元素的值相對于R的其他元素的值是比較小的，可以近似認為R是一個下三角矩陣。

因此，與THP類預編碼一樣，可得：

采用THP預編碼方法，在發送端抵消掉已知的泄漏，系統框圖如圖2所示。

圖2 US-SSLNR預編碼系統框圖Fig.2 System diagram of US-SSLNR precoding algorithm

3 復雜度分析

表1 各種預編碼算法的復雜度
Tab.1 Complexities of several precoding algorithms

運算步驟運算復雜度SLNRO(KN3T)THPO(N3T)SLNR-THPO(KN3T)SSLNR-THPO(KN3T)PA-SSLNRO(NRN3T)US-SSLNRO(Ni∑Ni=1NT-ri()3)

由表1可以看出，相比SSLNR-THP算法和PA-SSLNR算法，US-SSLNR算法有較低的計算復雜度，且隨著分組數的增大或參數ri的增大而減小。

4 算法性能仿真

對多波束衛星MIMO系統采用蒙特卡洛方法進行系統性能仿真，仿真模型參數[14]如表2所示。

表2 多波束衛星系統模型參數
Tab.2 Model parameters of multi-beam satellite system

參數取值衛星軌道高度35 786 km頻帶Ka (20 GHz)波束數19半功率波束寬度0.6°降雨衰落均值-2.6 dB降雨衰落方差1.63 dB調制方式16QAM

對K=19個用戶按第2節的方式進行分組，并將仿真結果與SSLNR-THP算法、PA-SSLNR進行對比，如圖3所示。

圖3 算法性能仿真Fig.3 Simulation diagram of algorithm performance

由圖3可知，在低信噪比區域，3種算法的誤碼性能相當。隨著信噪比的提升，在中信噪比區域，本文算法和PA-SSLNR算法的誤碼率性能相當，均優于SSLNR-THP算法。在高信噪比區域，本文算法和PA-SSLNR算法的誤碼率性能仍然相當，均優于SSLNR-THP算法，性能提升大約4.7 dB。這是由于本文算法和PA-SSLNR算法能有效降低各個用戶之間的增益差。

5 結束語

本文提出一種適用于多波束衛星系統的US-SSLNR預編碼算法，該算法在每個用戶上進行SSLNR值得計算，有效降低了各用戶碼流間的增益差，并充分利用多波束衛星系統信道特點，降低算法復雜度。分析表明，相比SSLNR-THP及PA-SSLNR算法，本文算法通過引入ri，有效降低了運算復雜度。仿真結果表明與SSLNR-THP相比，本文算法及PA-SSLNR算法有效提高了誤碼性能，在高信噪比區域誤碼率性能提升大約4.7 dB。