衛星地面無線通信增強技術研究

楊松楠

【摘要】? ? 科技的進步使得地面無線通信技術也取得了新的突破，使用衛星進行通信技術就是其中之一。該技術不僅克服了傳統無線通信技術在傳播區域和傳播效率上的缺陷，還實現了固定數量通信對象的大范圍通信目標，是真正意義上的全球化通訊技術。地面無線限通信技術仍然多應用在具有一定規模的城市中，而偏遠的地區無線信號無法實現全覆蓋。衛星通信系統利用地面和衛星之間的傳播角度，有效地規避了地面障礙，極大地提高了通信的質量和效果，還能克服地面通信環境惡劣的困難。隨著人們對通信質量要求的不斷提升，未來衛星地面無線通信的應用性需要繼續加強，這就進一步催生了本文將要研究的衛星地面無線通信增強技術的誕生和應用。

【關鍵詞】? ? 無線通信? ? 衛星地面? ? 增強技術

引言：

通信技術的發展是人類社會進步的重要標志之一，也是科學應用的主要領域。隨著生產力的飛速進步，人們對于交流的需求不斷增加，各類通信手段層出不窮，甚至開始突破地域和空間的限制，帶來人們更加豐富和真實的通信享受。當前地面的無線通信技術已經出現第四代，系統的上行和下行數據處理效率達到了驚人的500Mbps—1000Mbps。在這個通信速率下，即使遠距離也可以實現無延遲的信息傳輸。但是一旦遇到地面障礙，通信效果還是會受到影響。因此人們開始將目光放在了廣闊的地外空間，嘗試用衛星作為通信補充設備，為遠距離、多障礙環境通信提供支持。經過多年的研發工作，衛星通信已經形成了基本的數據陣列，具有覆蓋區域寬廣、通訊時間長、通信基數強大的特點，可以滿足任何惡劣環境下的通信需求。唯一的問題在于衛星通信的成本較高，目前還無法完全實現民用普及，只能用于軍事通信和緊急通訊領域。如何在保證通訊效果的基礎上，將衛星通信技術完美移植到地面通訊系統中，并且有效地降低使用成本，是本文所要研究的重點所在。希望通過本文對多天線技術的研究，能夠為衛星地面無線增強技術的研究提供一些有益的參考。

一、多天線技術的概念

所謂的多天線技術，就是增加天線數量來獲得通信效果增益的方法。這種技術雖然看似簡單，但是在實踐化的過程中會面臨巨大的考驗。早在無線通訊剛剛問世的時候，美國貝爾實驗室的研究人員就發現，當基站天線數目趨于無窮大時，線路中的負面影響如假性高斯白噪聲和瑞利衰落等會趨于無窮小，直至可以忽略不計，從而實現通訊效率的大幅度提高。但是當時的技術水平無法實現大量的基站建設，因此多天線技術的研究始終停滯不前。一般的無線通訊只需要兩個固定位置的接發終端，而多天線技術就是將多個接發終端連接在一起，形成一個密集型的天線配置，以此來獲得更多的傳輸空間和數據優勢。因此在實際環境中，接發終端的選址就成為了首要難題。其次就是多個天線的連接發射會出現多制式共存的情況出現，這就進一步加劇了信號干擾和頻段碎片化的問題。再加上節能環保與公共安全的需求，簡單的多天線技術已經無法滿足當前的無線通信需求。也正是在這樣的背景下，通訊技術才從過去的2G、3G升級到了現在的4G乃至5G。很多人并不理解這個升級過程，其實這個過程就是多天線技術的應自我完善和技術升級，是開發人員和運用商在用戶需求、安裝環境與技術條件之間不斷求取平衡的過程。當前4G技術已經完成了普及應用，成為了地面基礎通信技術的核心支撐。

未來5G和6G技術的應用則對基站尺寸和通信質量提出了進一步的要求，其中還伴隨著通信頻率的增長與天線數量的增加，由此可見多天線技術的研究和實施都具有較高的難度。

二、多天線技術的優勢

多天線技術在地面通訊中具有強大的技術優勢，這也是研究人員會投入大量時間精力進行研究的動力之一。在研究過程中技術人員發現，地面的多天線技術雖然能夠增強通信效果，但是多支天線的連接會導致信號出現多徑衰落，即造成信號干擾。如果想要在不改變基站發射功率的前提下改善衰落信道的損耗，就需要采用分集技術。分集技術的含義是分散傳輸和集中接收，因此被簡稱為分集技術。分散傳輸時為了有效降低信號在傳輸過程中發生衰落的概率，而集中接收則是針對已經出現一定程度衰落的信號進行單獨處理，降低信號電平起伏，因此來改善信號傳輸的最終質量。當前的分集技術主要有三種，時間分集、頻率分集和空間分集。

時間分集是借助信號傳播的時間間隙來進行傳送，使同樣的信號能夠形成多頻次的傳輸效果。每個信號都會經歷固定的衰落過程，但是在接收端接收到的信號卻是因為發送時間有差異而導致衰落程度不同的同一個信號，接收端將這些信號整理合并之后形成一個完整的信號，實現了該信號的最有效傳輸。時間分集準確地利用了信道傳播的時間差異特性，且編碼技術的統一標準使得接收端在接收信號之后也可以完整地進行復原，有效地降低了衰落的影響。

頻率分集則是利用信號傳播的不同頻段之間的差異來進行傳送，每個頻段發送的信號都是相同的。這樣在接收端接收到的不同頻段信號也會同時間分集一樣，形成不同程度的衰落。接收端只需要將這些信號源載體進行合并，就可以獲得完整的初始信號。與時間分集一樣，頻率分集的最小間隔不得小于信道的帶寬，否則會造成信號干擾或丟失。不同的是，時間分集采用編碼技術將信號進行合并，而頻率分集則是采用多載波調制和跳頻的方法來進行合并。

空間分集是對一定范圍的空間內的所有信號進行分集合并，它的分集方式有極化分集、發射分集和接受分集。空間分集是最為復雜的技術，它需要將不同空間的無線信號進行合并增強，還要保證相鄰的天線之間不會產生干擾。這是因為地面天線的設置會因為其高度以及周圍環境的影響而出現一定程度的波動，如果兩股波動頻率相近，就會形成近波干擾，使信號出現缺失。因此在設置天線時會保證相鄰的距離不小于半個載波的長度，以此來保證基本的信號安全。

三、多天線技術的分類

隨著多天線技術的不斷發展，已經形成了十分成熟的技術規范和技術種類，并且衍生出了各自的技術體系，例如當前火熱的5G技術就是以多天線技術為基礎的新型技術。考慮到篇幅限制，本文僅介紹兩種最為常見的類型。

3.1多輸入多輸出技術

多輸入多輸出技術又被稱為增強的多輸入多輸出技術，顧名思義可知該技術就是多天線技術的增強版本。它可以在不增加頻譜資源和發射功率的前提下充分利用有限的空間來提高信道容量，是信號的接發效率得到顯著增加，這也是5G技術得以實現的基本要素。

當前多輸入多輸出技術已經在地面通訊系統中得到了廣泛的應用，其廣闊的信號覆蓋維度和簡便的信號接發裝置獲得了業內人士的一致認可，也打開了人們在衛星地面無線通信中采用該技術的新思路。當前的研究核心在于如何統一衛星和地面接發裝置的信道，以此來實現信號的無差異傳輸。地面通訊由于空間充足，因此可以采用空間分集將天線的所有散射路徑進行充分利用，形成獨立的子信道，這些子信道的存在使得整個通信系統的容量得到了極大提升。而衛星所處的近地環境的傳播空間有限，信號基本只能保持直線傳播，無法采用這種空間分集的方法進行信道構建。如果單純增加天線不僅會導致直線信道彼此之前出現干擾，還會對衛星形成安全隱患。

3.2預編碼和功率分配技術

為了實現多輸入多輸出技術在衛星中的應用，預編碼技術和功率分配技術派上了用場。預編碼技術能夠根據不同信道傳輸的信號進行預處理，從而保證了信號傳輸的強度和完整性。功率分配技術是針對不同類型的信號端進行優化設計，保證接入系統的正常運行，降低頻譜效率和能量損耗。這對于衛星來說有著重要意義。

因為衛星只能通過太陽能供電，控制系統能量損耗是第一要求，功率分配技術可以保證衛星運行壽命更長，同時保證不同類型信號端傳送的信號在最低功耗下得到最有效的處理。而預編碼技術能夠使固定范圍內的信號端實現信號傳輸標準的統一，這樣有助于衛星將信號處理器維持在一個固定的頻率段進行工作，目的也是延長其使用壽命，提高信號處理的效率。

四、多天線技術的實踐應用

為了增強衛星地面無線通信效果，可以嘗試將多天線技術應用于衛星地面通信系統，以此來實現通信效果的改善。除了多天線技術之外，多波束技術也可以應用于衛星地面通信系統。它是通過多種天線形式來產生多個元波束，這些元波束能夠覆蓋一定的空間范圍，在范圍內保證信號傳播的有效性。

然而多波束技術之間會存在比多天線技術更加顯著的干擾，特別是在增加信號傳輸速度的時候，波束間的干擾已經影響到了信號的正常傳輸。雖然可以通過預編碼和功率分配技術來減少干擾，但是消除效果并不如天線傳輸顯著。由此可知，簡單的多天線技術是無法直接應用于衛星的，這是因為衛星體積有限，單純地增加天線數量只會導致信道之間增加干擾，不僅降低了信號的準確性，也給衛星的平穩運行造成了不利影響。我們可以采用多輸入多輸出技術，使一定數量的天線按照需求形成對應程度的極化，然后安置在衛星上。這樣不僅解決了天線數量所造成的各種問題，也實現了地面衛星信號端的完全同步。

具體實踐過程如下：

首先確定衛星地面的通信結構，即地面和衛星雙向都是極化型天線，保證通信信號的穩定性。極化后的天線可以在接收信號之后進行復用處理，有效消除天線之間的干擾。當需要多個衛星協同通信時，為了避免極化天線之間產生干擾，需要利用空間分集來發射信號以提高傳輸的完整率。同單體天線一樣，極化天線也可以看做是一個獨立天線，一旦出現關聯性干擾，就會對信號的準確性造成破壞。

最后，為了進一步保證信號的準確性，還要在衛星和地面的信號端設置編碼系統，利用預編碼技術來消除可能存在的干擾。為了滿足全球通訊的需求，系統的預編碼應當以多個衛星終端為模板進行設置，以此來保證系統中存在的多個衛星天線干擾可以得到有效消除。這是因為預編碼技術存在固定的數量限制，想要保證消除效果就要考慮衛星極化天線的數量，兩者之間呈正相關。

參? 考? 文? 獻

[1]閔士權.衛星通信系統工程設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2015.242-244.

[2]龔建明，劉崇春.多入多出通信系統原理[M].北京：機械工業出版社，2010.46-48.

[3]汪春霆，張俊祥，潘申富等.衛星通信系統[M].北京：國防工業出版化，2012.7-12.