衛星地面無線通信增強技術研究

姚 鵬 王俊峰 杜吉慶

南京熊貓漢達科技有限公司

0 引言

目前，衛星通信正朝著更大帶寬、更高速率方向發展。與地面通信網絡形成無縫覆蓋的信息交換網絡。整個衛星通信系統分為跟蹤遙測及指令分系統、監控管理分系統、空間分系統和通信地球站4個部分。現階段，為了推動通信領域的進步發展，有必要探究衛星通信應用地面無線通信的技術優勢，研究增強星地無線通信系統性能的方法——構建星地MIMO鏈路。

1 衛星地面無線通信概述

衛星通信主要是通過無線電波的傳輸來實現衛星信號的收發和傳輸，進而滿足人們的日常移動通信要求的一種技術。簡單來說就是地球上的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。衛星通信系統包括通信和保障通信的全部設備。通信設備主要是依據空間分系統和通信地球站來實現工作的，保障通信的設備則主要是由跟蹤遙測及指令分系統和監控管理分系統運行的。衛星通信具有覆蓋范圍廣、可靠性高、不受復雜地理條件的限制、多址通信以及通信范圍大等特點。其中，靜止地球軌道衛星覆蓋了整個地球。在空中起到中繼站的作用，可以把地球站發來的電磁波進行放大再反送回去。移動衛星通信同樣覆蓋全球，由48顆衛星組成。地面無線通信系統將無線傳感器技術應用于油田現場施工，各個部件之間均采用ISM頻段無線通信，并且為后續擴展預留了豐富的資源。其具有布線時間短、易于通過防爆認證所需要求等特點。在實際應用中有不同形式及類別的衛星通信系統，按照業務可以分為衛星固定通信、衛星移動通信以及衛星直接廣播。衛星移動通信是現階段最為常見的一種能夠應用于移動用戶通信要求的衛星通信系統，這種系統不僅能夠滿足移動業務的相關需求，還能夠將衛星作為中繼站支持衛星信號的運行和通信。

2 星地移動通信特點及容量理論

2.1 星地移動通信特點

移動通信的特點，第一，移動通信是有線、無線相結合的通信方式；第二，電波傳播條件惡劣，存在嚴重的多徑衰落；第三，強干擾條件下工作；第四，具有多普勒效應，當運動的物體達到一定速度時，固定點接收到的載波頻段將隨相對運動速度的不同產生不同的頻率偏移，通常把這種現象稱為多普勒效應；第五，存在陰影區（盲區）；第六，用戶經常移動，與基站無固定聯系。

2.2 星地移動通信信道特征

通信信道最早應用于計算機網絡中的信號傳輸，在計算機中應用時可以分為物理信道和邏輯信道。物理信道主要是通過直接進行數據信號的傳輸來滿足計算機的數據通信要求，其在應用過程中主要通過傳輸介質和通信設備來發揮作用；邏輯信道則是對物理信道的優化和創新，不僅能夠實現物理信道的全部功能，還能夠借助中間結點來實現數據信號的發送和接收。通信信道可以是以下傳輸設備中的一個，同時也可以是幾個的組合，例如電話線路、電報線路、衛星、微波、光纖以及同軸電纜。移動通信的信道是所有通信信道運行環境中最為復雜的一種，在移動通信的信道運行過程中，多徑衰落和復雜惡劣的電波環境不僅會加大移動通信信號的傳輸難度，還會影響通信的質量。在典型的城市環境中，一輛快速行駛的車輛上的移動臺所接收到的無線電信號在1 s之內的顯著衰落能夠達到10次，衰落的深度也能夠達到20~30 dB。這種衰落現象會嚴重降低接收信號的質量，從而影響通信的可靠性。針對這種情況，現階段比較常見的應用于移動通信技術中的抗摔落技術以分集接收技術和糾錯編碼技術為主。這些技術的應用對減少衰落對移動通信正常運行的影響具有重要的作用。

3 星地移動系統MIMO信道建模

3.1 地面無線通信中分集技術

分集技術是用來補償衰落信道損耗的，通常通過兩個或更多的接收天線來實現。在移動通信中，基站和移動臺的接收機都可以采用分集技術。分集技術主要是通過將應用無線電波傳輸的衛星信號集中接收之后，再將其分散傳輸的過程。在應用分集技術的過程中，由于不同的信道傳輸的衛星信號和傳輸特性存在一定的區別，因而產生的衰落情況也有一定的差異。分集技術在模擬電路和數字電路中有所體現，主要表現為增加信噪比、降低誤碼率。在有較大噪聲、信道情況不佳時，一般通過加強發射機功率確保鏈路的運行正常。然而，接收設備功率經常受到限制，且形成電磁干擾。因此，可以采用空間分集的方法保證鏈路運行。其中，接收分集是在無線通信系統發射部位使用單根天線（見圖1），接收部位使用多根天線接收數據流副本，再對其進行組合進而增強信號的接收強度。在接收端接收不同副本信號并進行不同形式合并，以此獲取的接收信噪比會有很大程度的提升。

圖1 接收分集

分集合并目前存在3種方法：第一，最大比值合并在接收端設有n個分集支路，信號較強的支路對應加權也就越大，信號較弱支路加權越小。第二，等增益合并。這種技術在實際應用的過程中只校正信道的相位偏移情況，不會對偏移的幅度大小進行校正。第三，選擇式合并。使用該技術時，N個接收機輸出信號送入選擇邏輯，再從中選出具有高基帶信噪比的信號作為輸出。在實際應用過程中，信噪比不易測量，用（S+N）/N為參考。

3.2 地面無線系統信道容量

近年來，無線通信隨著互聯網信息技術和多媒體業務的發展在社會的發展過程中發揮著越來越重要的作用。無線通信在實際應用的過程中會受到無線信道的限制而影響質量和效率。對于現階段越來越快的無線網絡和信息數據傳輸要求，無線通信的這種缺陷會對無線通信市場的發展產生一定的阻礙。通過信息論研究可以說明，在無線通信中使用多輸入多輸出技術能夠明顯加大通信的容量，除此之外，這種技術在應用的過程中還能對現有的無線通信系統存在的性能缺陷進行優化。對于無線通信在實際應用過程中不可避免的衰落環境來說，應用這種技術能夠使無線信道的衰落系統始終處于變化的過程。因此，系統容量也會成為一個隨機變量。MIMO系統在衰落環境中信道容量為：

3.3 影響星地移動信道建模的因素

3.3.1 多普勒效應

多普勒效應是針對物體在運動過程中的輻射波長變化而導致波源、波長、波的運動頻率等因素存在一定數量變化關系的物理現象。在衛星無線通信系統的運行過程中，無線電波的變化可以應用多普勒效應來進行解釋。從這方面來說，由于前面在分析衛星無線通信系統運行過程中容易出現影響無線電波和衛星信號傳輸的衰落環境，在建立衛星地面移動信道模型的過程中也要考慮多普勒效應對這種衰落環境以及受到衰落環境影響的無線電波和衛星信號會產生的影響。具體來說，由于衛星地面移動信道本身就是為地面通信需求建立的，在建立衛星地面移動信道模型的過程中，不僅要考慮波源的位置和速度，還要對波源的運動頻率進行及時的檢測和計算。在衛星地面移動信道模型中，移動臺可以被看作正處于運動狀態的波源，基站則是波源在運動過程中的相對參照物，當移動臺靠近基站時，波源的運動頻率就會變高。波源運動頻率的變化又會對移動通信系統的正常運行產生一定的影響。

3.3.2 時間相關性

時間相關性又被稱為幀間相關性。時間序列的自相關性可以理解為時間序列自己與自己（不同滯后項）之間的相關性，有時需要研究不同時間序列之間的相關性。在信道建模過程中，時間相關性對其有直接影響。

4 結束語

綜上所述，構建星地MIMO鏈路是增強星地無線通信系統性能的方法之一。在研究星地移動通信系統架構、特征以及相關典型模型的基礎上，通過研究影響星地移動信道建模的因素、LMS系統MIMO信道以及地面無線系統信道容量等內容進行MIMO信道建模，進而實現衛星地面無線通信增強。