星地空分復(fù)用高通量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

陳 穎，劉 洋，張成偉

(1.敏捷智能計(jì)算四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036；2.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、通信容量大、覆蓋范圍廣、靈活機(jī)動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn)，其全球通信覆蓋能力和機(jī)動(dòng)性，在軍、民信息領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的發(fā)展與變化，為了進(jìn)一步滿足軍用/民用對(duì)全球無(wú)縫覆蓋的寬帶網(wǎng)絡(luò)的迫切需求，特別是解決沙漠、海洋以及偏遠(yuǎn)地區(qū)等苛刻環(huán)境下的通信問(wèn)題，各國(guó)都開(kāi)始著力于天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，譬如OneWeb星座系統(tǒng)[3]、SpaceX提出的Starlink星座、加拿大TeleSat公司提出的TeleSat LEO、亞馬遜公司提出的Kuiper、我國(guó)航天科工集團(tuán)提出的虹云工程、航天科技集團(tuán)提出的鴻雁星座、電子科技集團(tuán)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)以及銀河航天的銀河Galaxy系統(tǒng)等[4-5]。我國(guó)已將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“新基建”范疇，并在2021年成立了中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入密集部署實(shí)施階段。

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的不斷深入，衛(wèi)星互連網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)量越來(lái)越大，系統(tǒng)對(duì)星地、星星之間的信息傳輸速率要求越來(lái)越高[6]。而當(dāng)前星地高速數(shù)據(jù)傳輸速率約在600 Mbit/s ～ 2 Gbit/s左右，遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)高速發(fā)展的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求[7]。星地之間更高速率的數(shù)據(jù)傳輸面臨頻率資源的限制、器件能力等多方面的限制。比如Ka頻段，以28 GHz做為中心頻率，采用16QAM高階調(diào)制，當(dāng)星地通信速率達(dá)40 Gbit/s時(shí)，所需信道帶寬高達(dá)20 GHz，如此寬的帶寬遠(yuǎn)超Ka頻段功率器件、射頻器件、甚至天線組件所能工作的范圍，更不用說(shuō)AD、DA、FPGA、DSP等其他數(shù)字器件，也就是說(shuō)傳統(tǒng)的星地單通道數(shù)據(jù)傳輸模式很難實(shí)現(xiàn)更高速率的通信傳輸。

空分復(fù)用，或者說(shuō)MIMO技術(shù)是解決更高速率星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х椒ǎ浜诵乃枷胧菍瓮ǖ栏邤?shù)據(jù)碼流分解成多個(gè)并行傳輸?shù)牡退俾蚀a流進(jìn)行傳輸[8]。在地面移動(dòng)通信中，廣泛采用MIMO技術(shù)，降低高速率通信下的符號(hào)速率，實(shí)現(xiàn)了多徑條件下的高速率通信[9-10]。而星地通信中，如何更好地利用空分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸面臨著更多的問(wèn)題：一方面，星地之間通信距離遠(yuǎn)、星上資源受限、信道波動(dòng)大；另一方面，由于衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間短，星地之間通信速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面移動(dòng)通信，其速率要求高達(dá)數(shù)十、甚至百Gbit/s，遠(yuǎn)超當(dāng)前器件、計(jì)算資源的極限。如何在資源受限、器件能力受限情況下,實(shí)現(xiàn)星地更高速率是問(wèn)題的焦點(diǎn)。

針對(duì)未來(lái)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的海量數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸需求，本文提出一種基于空分復(fù)用的星地高通量傳輸架構(gòu)，并從系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案、系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信號(hào)預(yù)處理、寬帶MIMO信道空時(shí)均衡等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。

1 空分復(fù)用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸總體方案

1.1 空分復(fù)用基本原理

根據(jù)香農(nóng)定理，帶限加性高速白噪聲(AWGN)信道容量C可表示為：

(1)

式中，M表示系統(tǒng)獨(dú)立信道數(shù)量，B表示系統(tǒng)傳輸帶寬，PS表示接收端信號(hào)功率，PN表示接收端噪聲功率。一般的，式(1)也可以用頻譜效率SE(bit/s/Hz)的形式來(lái)表示：

C=M·B·SE。

(2)

由式(2)可知，提升系統(tǒng)傳輸容量可以通過(guò)如下途徑實(shí)現(xiàn)[11]：

① 增加獨(dú)立信道個(gè)數(shù)：如采用極化復(fù)用、空分復(fù)用等方式；

② 增加系統(tǒng)帶寬：頻段越高，系統(tǒng)可用帶寬越寬，但是隨著頻段的升高，大氣損耗、雨衰等更加嚴(yán)重，將會(huì)大大影響系統(tǒng)傳輸性能；

③ 采用頻譜效率更高的信號(hào)傳輸方式：如采用16QAM、16APSK、32QAM、64QAM等高階調(diào)制方式，但是隨著調(diào)制階數(shù)的升高，其解調(diào)門(mén)限也逐漸升高，需要通過(guò)增加發(fā)射功率等方式來(lái)保證系統(tǒng)的鏈路余量。

基于空分復(fù)用的MIMO通信系統(tǒng)的核心思想是空時(shí)信號(hào)處理，即在傳統(tǒng)通信的時(shí)間維度上，通過(guò)收發(fā)兩端均使用多路天線配置，來(lái)增加空間維度信息，利用多根天線所帶來(lái)的多條獨(dú)立傳輸路徑來(lái)獲得空間復(fù)用增益。與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，基于空分復(fù)用的MIMO通信系統(tǒng)在利用頻率、相位、時(shí)間等通信系統(tǒng)資源的同時(shí)，還充分利用空間資源，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，成倍提高無(wú)線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，其工作示意圖如圖1所示。圖中，Nt為發(fā)射天線個(gè)數(shù)，Nr為接收天線個(gè)數(shù)。理論上，如果天線的空間和成本與射頻通道不受限制，系統(tǒng)就能提供無(wú)限大的容量，這也是基于空分復(fù)用的高通量MIMO通信系統(tǒng)充分利用了空間維度的結(jié)果。

圖1 MIMO系統(tǒng)傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of MIMO system transmission

1.2 空分復(fù)用星地高通量傳輸總體方案

完整的衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)包含衛(wèi)星、地面站兩部分。為構(gòu)成星地MIMO系統(tǒng)，需要在一顆衛(wèi)星上配置多根發(fā)射天線，在地面通過(guò)布置多個(gè)地面接收天線實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射信號(hào)的接收，系統(tǒng)視圖如圖2所示，其中①～④表示4根信號(hào)發(fā)射天線。基于成熟的毫米波技術(shù)、高階調(diào)制技術(shù)以及MIMO空分復(fù)用技術(shù)，在衛(wèi)星上搭載4根Ka頻段高效率毫米波天線，與4個(gè)地面接收站構(gòu)成一個(gè)4×4的MIMO天線，通過(guò)16QAM高階調(diào)制，在5 GHz帶寬條件下可實(shí)現(xiàn)40 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸能力。如果再利用天線分極能力，可以實(shí)現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸通信能力。

圖2 空分復(fù)用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of space division multiplexing satellite-to-ground high-throughput data transmission

由于系統(tǒng)需要在單星上布置4個(gè)獨(dú)立的Ka頻段天線，考慮到星上承載能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、功耗等指標(biāo)要求。同時(shí)，由于系統(tǒng)采用4根發(fā)射天線與4根接收天線來(lái)達(dá)到空分復(fù)用的目的，要實(shí)現(xiàn)空間信號(hào)的獨(dú)立信道傳播，必須滿足瑞利距準(zhǔn)則，即空間傳輸距離應(yīng)小于等于瑞利距。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮射頻信號(hào)波長(zhǎng)、發(fā)射/接收天線數(shù)量、發(fā)射和接收天線間間距等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.3 設(shè)備組成

基于空分復(fù)用的星地高通量傳輸鏈路設(shè)備組成(下行鏈路)邏輯框圖如圖3所示，由星載數(shù)據(jù)分發(fā)、高速高階實(shí)時(shí)調(diào)制處理、星載發(fā)射信道、星載發(fā)射天線、地面接收天線、地面接收信道以及地面高通量MIMO信號(hào)處理等邏輯模塊組成。

圖3 空分復(fù)用高通量設(shè)備組成邏輯框圖(下行鏈路)Fig.3 Logical block diagram of space division multiplexing high-throughput equipment (downlink)

星載端，星載數(shù)據(jù)分發(fā)模塊首先將原始數(shù)據(jù)流并行4路送入星載高速高階實(shí)時(shí)調(diào)制信號(hào)處理模塊，星載高速高階實(shí)時(shí)調(diào)制信號(hào)處理模塊完成4路原始數(shù)據(jù)的高階調(diào)制、星座映射、自適應(yīng)編碼、數(shù)字預(yù)失真處理及高速DA，送入星載發(fā)射信道模塊；星載發(fā)射信道模塊對(duì)接收到的4路基帶調(diào)制信號(hào)進(jìn)行上變頻，變換到Ka波段，再經(jīng)過(guò)Ka波段模擬預(yù)失真后送至Ka波段功放模塊進(jìn)行功率放大，經(jīng)射頻濾波后送至Ka波段發(fā)射天線進(jìn)行空間無(wú)線發(fā)射。

地面接收信道分系統(tǒng)接收到空間傳播的4路射頻信號(hào)后，經(jīng)射頻濾波送至4路下變頻模塊進(jìn)行下變頻，完成下變頻的4路基帶信號(hào)送至地面高通量MIMO信號(hào)處理模塊。

地面基帶信號(hào)處理模塊對(duì)接收到的模擬復(fù)基帶信號(hào)進(jìn)行10 GHz的高速AD采樣，將采樣后的數(shù)字信號(hào)送入4路基帶信號(hào)處理模塊進(jìn)行數(shù)字抗混疊濾波、符號(hào)同步及載波頻率補(bǔ)償校正等處理。處理后的數(shù)據(jù)信息送入MIMO信號(hào)分離模塊，完成對(duì)接收到的4路空分復(fù)用信號(hào)解復(fù)用、寬帶信道均衡、高速解調(diào)等處理。再經(jīng)高速譯碼輸出模塊進(jìn)行信號(hào)譯碼，同時(shí)輸出至數(shù)據(jù)整合模塊，完成信號(hào)的接收處理[12-13]。

考慮當(dāng)前器件限制，系統(tǒng)主要參數(shù)可按表1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2 空分復(fù)用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸幀格式

對(duì)于星地高通量空分復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸，需要考慮的問(wèn)題很多，包括多普勒頻率動(dòng)態(tài)、空間信號(hào)接收幅度動(dòng)態(tài)、空分解復(fù)用、空間寬帶信道變化等多種因素[14-15]，但核心問(wèn)題在于當(dāng)前芯片的處理能力。按表1涉及參數(shù)，每一路的數(shù)據(jù)傳輸速率是10 Gbit/s，采用16QAM調(diào)制后的符號(hào)速率為2.5 GBaud，調(diào)制符號(hào)的持續(xù)時(shí)間為T(mén)s= 0.4 ns。對(duì)如此高數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，需要平衡各方面的因素，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)芯片處理能力、計(jì)算復(fù)雜性、計(jì)算能力的均衡[16]。為此，對(duì)空分復(fù)用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行幀格式設(shè)計(jì)，通過(guò)發(fā)送端合理的幀格式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)接收端的最簡(jiǎn)最優(yōu)計(jì)算。

系統(tǒng)幀格式如圖4所示，信號(hào)幀由符號(hào)同步序列加數(shù)據(jù)段組成，按4路同步發(fā)射。

圖4 系統(tǒng)幀格式Fig.4 System frame format

圖4中，符號(hào)同步序列主要用于接收端對(duì)該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏估計(jì)、符號(hào)同步等處理，按式(3)進(jìn)行計(jì)算。其中R(n)的峰值為最佳符號(hào)采樣點(diǎn)處，而收發(fā)之間的頻差可由峰值的I、Q信息計(jì)算得出，其中r表示接收信號(hào)，UW表示本地符號(hào)同步序列序列。

(3)

該部分為流式數(shù)據(jù)，主要運(yùn)算為相關(guān)匹配濾波，計(jì)算相對(duì)固定，故可方便地采用現(xiàn)場(chǎng)可編程器件(FPGA)進(jìn)行并行處理。

3 毫米波LOS MIMO信道空時(shí)均衡

星地空分復(fù)用高速傳輸技術(shù)與地面基站間的空分復(fù)用技術(shù)有較大區(qū)別。地面環(huán)境通常較為復(fù)雜，電磁波在傳播過(guò)程中會(huì)頻繁散射折射，所以接收陣列將接收到大量多徑信號(hào)。得益于這些豐富的多徑信號(hào)，使得MIMO信道之間互相獨(dú)立，確保了空間多數(shù)據(jù)流的并行傳輸。但是衛(wèi)星與地面天線之間的空間屬于自由空間，電磁波傳播幾乎不發(fā)生散射，地面天線接收的是衛(wèi)星直射信號(hào)，這種不依賴(lài)多徑信號(hào)的空分復(fù)用技術(shù)被稱(chēng)為視距MIMO(Line-of-sight MIMO，LOS MIMO)。圖5為L(zhǎng)OS MIMO一種比較典型的工作模式。

圖5 4×4規(guī)模LOS MIMO系統(tǒng)解復(fù)用示意圖Fig.5 Schematic diagram of demultiplexing of 4×4 scale LOS MIMO system

3.1 LOS MIMO信道特征及陣列設(shè)計(jì)

為了保證信道之間的正交性，LOS MIMO的收發(fā)陣列有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。圖5為收發(fā)為互相平行的均勻線性陣列，收發(fā)陣列之間的直線距離為D，發(fā)射陣列中單元間距為dt，接收陣列中單元間距為dr。為了研究的直觀性和便利性，先把問(wèn)題簡(jiǎn)化為平坦衰落信道，此時(shí)，信道矩陣建模為：

基于有限元及試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪模態(tài)分 析 ……………………………………… 孟德健，張伯俊，董曉偉（32）

(4)

(5)

式中，σ為常數(shù)。若系統(tǒng)的信道特征嚴(yán)格滿足式(5)，則發(fā)射天線互相之間不干擾，此時(shí)系統(tǒng)具有最大通信容量。本文后續(xù)使用射線追蹤的方法分析均勻線性天線陣列的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

(6)

則天線i和j之間的距離表達(dá)為:

(7)

式中，當(dāng)陣列間的距離D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陣列中的元素間距dt和dr時(shí)，約等號(hào)成立。對(duì)于平坦衰落的信道，天線i，j之間的信道參數(shù)為：

(8)

式(8)考慮平坦衰落情況下的信道增益，再把星地?cái)?shù)傳的信道頻選特性考慮進(jìn)去，則可得到實(shí)際中的LOS MIMO信道為：

(9)

(10)

由式(5)可知，當(dāng)信道間滿足正交性時(shí)，LOS信道矩陣的不同列內(nèi)積必為0，即

(11)

對(duì)式(11)化簡(jiǎn)最終得到關(guān)系為:

(12)

式中，Nr=4。由此可見(jiàn)，LOS MIMO信道的正交性完全由收發(fā)天線陣元的間隔、收發(fā)天線陣列之間的距離以及載波頻率完全確定，對(duì)于一個(gè)確定的載波λ，選擇合理的間隔dr和dr，完全可以使LOS MIMO系統(tǒng)的容量最大化。

3.2 訓(xùn)練序列

圖6所示為擬采用的傳輸幀結(jié)構(gòu)，包括獨(dú)特字UW和負(fù)載數(shù)據(jù)DATA兩部分。均衡算法在時(shí)域執(zhí)行，為了保證時(shí)域卷積的閉合性，在負(fù)載數(shù)據(jù)DATA之間循環(huán)插入兩塊獨(dú)特字。此處的獨(dú)特字UW主要起到兩個(gè)作用：① 與循環(huán)前綴CP功能相似，可以起到保護(hù)間隔的作用，防止幀與幀之間在時(shí)域上互相干擾；② 由于UW細(xì)節(jié)已知，可以作為尋列序列，用以估計(jì)均衡器的系數(shù)。Chu序列具有平穩(wěn)的頻率響應(yīng)和很好的相關(guān)特性，比較適合用于信道和均衡器參數(shù)的估計(jì)，其生成方式如式(13)，其中的n為1～N之間的整數(shù)，最好取為質(zhì)數(shù)，按式(13)生成的Chu序列在復(fù)平面的分布如圖7所示。

(13)

圖6 訓(xùn)練序列(UW)插入方式Fig.6 Training sequence (UW) insertion method

圖7 時(shí)域Chu序列在復(fù)平面的分布Fig.7 Distribution of a time-domain Chu sequence in the complex plane

3.3 空時(shí)均衡器

MIMO空間解復(fù)用及寬帶信道均衡器可以混合在一起進(jìn)行，本質(zhì)上是FIR形式橫型濾波器，對(duì)于4×4的系統(tǒng)其一般形式可以表達(dá)為：

(14)

(1) 信道參數(shù)估計(jì)階段

將式(14)用矩陣形式表達(dá)為：

Xt=YWt,

(15)

式中，Xt為發(fā)射天線t發(fā)射的UW序列，Y為4根接收天線收到的UW信號(hào)，由于循環(huán)插入兩塊獨(dú)特字UW，所以Y是一個(gè)循環(huán)矩陣，而Wt為針對(duì)發(fā)射天線t的均衡器系數(shù)，三者具體形式如式(16)～(18)所示，其中N為單塊UW的長(zhǎng)度，L為抽頭數(shù)。

(16)

(17)

(18)

信道參數(shù)估計(jì)階段Xt和Y均為已知量，基于最小均方差準(zhǔn)則的均衡器系數(shù)估計(jì)為：

(19)

(2) 信號(hào)恢復(fù)階段

圖8 4×4 MIMO均衡器的結(jié)構(gòu)Fig.8 Equalizer structure of 4×4 MIMO

4 仿真分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，對(duì)4×4規(guī)模的LOS MIMO系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。收發(fā)天線陣列之間距離D= 8.0 km，天線陣元間距為dt= 10 m，dr= 10 m。系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方式為16QAM，單根天線符號(hào)速率為2.5 GBaud，訓(xùn)練序列長(zhǎng)度為128，數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度為16 384。空時(shí)均衡器的階數(shù)取為L(zhǎng)= 16。

4.1 構(gòu)造LOS MIMO信道

首先構(gòu)造LOS MIMO信道矩陣對(duì)4組輸入信號(hào)進(jìn)行空時(shí)疊加。LOS信道由兩部分組成，一部分是具有頻選特性的大氣信道HRF，如圖9所示；另一部分是基于收發(fā)端天線陣列幾何結(jié)構(gòu)特征的復(fù)增益Hg，如式(20)。HRF會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)時(shí)域串?dāng)_，Hg則會(huì)使來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)混疊起來(lái)。

(20)

圖9 大氣信道頻域響應(yīng)HRFFig.9 Frequency domain response HRF of the atmospheric channel

4.2 均衡結(jié)果

圖10為接收端未空間解復(fù)用、均衡前直接接收到的信號(hào)星座圖，圖11為空間解復(fù)用及均衡后輸出的信號(hào)星座圖，圖中Eb/N0= 20 dB。圖12為Eb/N0等于2～20 dB時(shí)的BER曲線。

(a) 天線1接收信號(hào)星座圖

(b) 天線2接收信號(hào)星座圖

(a) 天線1恢復(fù)信號(hào)星座圖

(b) 天線2恢復(fù)信號(hào)星座圖

(c) 天線3恢復(fù)信號(hào)星座圖

(d) 天線4恢復(fù)信號(hào)星座圖圖11 空間解復(fù)用及均衡后輸出的信號(hào)星座圖(Eb/N0 = 20 dB)Fig.11 Constellation diagram after spatial demultiplexing and equalization (Eb/N0 = 20 dB)

圖12 仿真Eb/N0-BER變化曲線Fig.12 Simulation curve of Eb/N0 -BER

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，衛(wèi)星寬帶已經(jīng)成為與水電路同等重要的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、高通量衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，星地高速數(shù)據(jù)傳輸速率需求已遠(yuǎn)超Gbit/s量級(jí)。現(xiàn)有的星地微波傳輸通信系統(tǒng)，受制于頻率資源、天線口徑、器件能力、計(jì)算能力等多方面的制約，最高傳輸速率約為600 Mbit/s～2 Gbit/s，遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)星地高速數(shù)據(jù)傳輸需求。為滿足未來(lái)星地高通量數(shù)據(jù)傳輸需求，本文給出了一種在頻率、器件、計(jì)算等資源條件受限情況下，采用空分復(fù)用并行傳輸方案，在5 GHz帶寬條件下，可實(shí)現(xiàn)星地40 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸方案，并給出了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該方案可為天地一體化、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、B5G/6G空天地網(wǎng)絡(luò)等方面的建設(shè)提供有力參考。