基于MIMO技术的卫星高速数据传输系统研究.pdf

收稿日期: 2009- 09- 04; ? 修回日期: 2009- 10- 09基于 M IMO技术的卫星高速数据传输系统研究胡晓曦(中国空间技术研究院西安分院, 西安 710000)?? 摘 ? 要 ? 多输入多输出 (M I MO)系统作为提高频谱效率的一种有效方式, 已经成为未来无线通信系统实现高速可靠数据传输的突破性技术之一, 受到国际众多研究机构的普遍关注文章通过研究 M I MO信道模型、 信道容量、 卫星信道特征, 构建了全新高速数传系统模型, 解决了卫星大容 量数据实时传输和频带限制之间的矛盾关键词 ? M I MO? 频带利用率? 高速数传 ? 空分复用? 空间分集0? 引 ? 言?? 对地观测卫星越来越多地采用高分辨率遥感器, 使得下行链路的数据率快速增加, 传统的卫星数据传输方式已经难以适应为此, 各国积极开发高效频谱利用率的各种新型数据传输技术 多输入多输出 (M I MO: Multiple- Input Multiple- Output)技术在不增加带宽和发射功率的前提下,可以在有限带宽内尽可能地逼近香农 ( Shannon)信 道容量, 因此一经提出就得到了广泛关注, 已经成为未来无线通信系统实现高速可靠数据传输的突破性技术之一。

早在 1908年 M arconi就提出了通过在发送端、 接收端分别使用多幅天线来解决无线传输中的多径衰落问题, 开创了多输入多输出通信系统早期应用模式; 1995年 AT 1996年 Foshinia给出了一种旨在提高数据传输速率的多入多出处理算法 ??? 贝尔实验室分层空时 ( BLAST )算法; 1998年Tarokh等提出的空时网格编码技术, 提供了既能获 得分集增益又具有编码增益的方法; 为了降低空时网格编码接收端解码的复杂度, Tarokh在 Alamouti发射分集方法的基础上, 采用正交编码技术提出只有分集增益而没有编码增益的正交空时分组编码朗讯 Bell实验室的 BLAST 系统是最早研制的 M I? MO实验系统, 该系统工作频率为 1 . 9GH z , 发射 8副天线, 接收 12副天线, 采用 D- BLAST算法对窄带信号的频谱利用率达到了 25 . 9bits/(Hz s) 以美国为代表的发达国家已经对多输入多输出系统在卫星中的应用进行了广泛、 深入的研究研究的 M I MO卫星通信系统主要分为三类: 由多个相 距足够远的协同工作的地面站 ( Cooperating Ter m i?nal Stations) 和一颗卫星组成的地面站分集系统( Site D iversity); 由多个卫星 (同步轨道或者是中低 轨道, 卫星间距满足卫星 - 地面站通信信道的不相关要求 )和一个地面站组成的轨道分集或卫星分集系统 ( Satellite orOrbital Diversity); 由一颗卫星和一 个地面站组成, 卫星、 地面站各有一幅正交极化复用天线 ( dual- orthogonal polarized antenna)、 采用极化分时编码技术 ( Polarization T i me Coding) 的极化分集系统 ( Polarization diversity)。

目前, 上述三类 M I? MO卫星通信系统在 Ku ( 12/14 GH z)、 Ka ( 20/30GH z)频段等高频段和 L ( 1/2 GH z) 、 S ( 2/4 GHz)低频段已经取得了广泛的研究成果, 特别值得注意 的是轨道分集系统已经成功地应用于美国大陆的数字音频无线业务卫星、 Sirius和 XM 卫星广播中[ 1]在我国, 基于 MI MO技术的卫星高速数传研究372010年第 4期?? ?? ? ?? ?空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY还处于初期, 卫星数传系统仍然采用常规设计方案文章提出了一种基于 M I MO技术的卫星高速数据传 输系统方案, 解决了大容量数据实时传输信道频带不足的问题1? M I MO信道模型?? M I MO系统是一种在无线信道发送端和接收端 使用多副发射天线和接收天线的多天线系统, 其原理框图如图 1所示在通信系统中, ! 多输入多输出 ∀是相对于信道而言的, 根据信道收发端天线数量, 多输入多输出系统除包括普通的单输入单输出 系统之外, 还包括单输入多输出 ( SI MO: Single- In?putMultiple- Output) 的分集接收系统和多输入单输出 (M ISO: Multiple- Input Single- Output)的分集 发射系统。

图 1? M I MO原理框图?? M I MO系统发端将信源输出的串行数据流转成多路并行子数据流, 分别通过不同的发射天线阵元 同频、 同时发送; 接收端利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性, 从混合信号中分离检测出原始数据流; 利用空间信道冗余获得频带资源复用, 可 以在原有的频带内实现高速率的信息传输; 借助空间分集技术和空间复用技术来抑制信道衰落, 改善通信质量 (如差错率 ), 提高通信可靠性、 频带利用 率和信道容量, 实现高速率数据传输M I MO系统具有空间复用增益和空间分集增益M I MO系统的任意一对发射接收组合, 都可以 看作是一个 SISO通信子系统, SISO系统信道模型是分析 M I MO 数字通信系统信道的基础图 2为SISO数字通信系统的原理图输出 y [ k]和输入 x[ k]满足下列关系:y [ k] =#Ltk= 0h[ k, ?] x[ k, ?] + n[ k](1)式中, Lt为信道时间离散模型 h[ k, ?]的长度, n[ k]表示信道中的可加性高斯白噪声在NI∃NO的 M I MO 数字系统 (如图 3所示 )中, 任意瞬时每个接收端都会同时收到 NI路信号,因此, 第 v路接收机的输出 yv[ k]可以表示成 NI个SISO系统 (用 h? , v[ k, ?]表示等效信道 )输出之和:图 2?SISO数字通信系统的原理图? ?yv[ k] =#NI?= 1#Lt?= 0h? , v[ k, ?]x?[ k - ?] + nv[ k]( 2)式中, x?[ k] ( 1???NI)为第 ?路发射机的输出, nv[ k]为信道中的可加性高斯白噪声。

图 3? NI∃NO的 M I MO数字系统示意图? ? 根据式 ( 2)可得 M I MO系统的输入输出关系:y[ k] =#Ltk= 0H[ k, ?] x[ k - ?] + n[ k]( 3)式中, x[ k]为系统输入信号矢量, y[ k]为系统输出信号矢量x[ k] = [ x1[ k], x2[ k], %, xNI[ k] ]T( 4)y[ k] = [ y1[ k], y2[ k], %, yNI[ k] ]T( 5)信道转移矩阵 H[ k, ?]为:H[ k, ?] =h1, 1[ k, ?]%h1, NI[ k, ?]hNO, 1[ k, ?]%hNO, NI[ k, ?]( 6)将输入矢量表示成:s[ k] = [ x[ k]T] %x[ k- Lt- 1]T]T( 7) 转移矩阵重新用矢量 H[ k]表示:38空间电子技术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? 2010年第 4期H[ k] = [ H[ k, 0] %H[ k, Lt- 1] ](8)可得到:y[ k] = H[ k] s[ k] + n[ k](9)2? M I MO信道容量分析[ 2~ 4]?? 在香农定理基础上, 对 M I MO系统信道传输矩阵 H进行奇异值 ( SVD)分解, 可以将 M I MO系统等效为N (N = m in(NI, NO) )个去耦的平行子信道 ( SI?SO信道 )。

可得 M I MO系统的容量:C= B Log2det INO+P NI!2HHH(10)式中, INO表示 NO∃NO的单位矩阵, H为 NO∃NI的信道转移矩阵, P /NI!2表示系统发射功率与噪声功率之比, det(A)表示方阵 A 所有特征值之积当 H内的元素为独立的随机变量时, 即假设从发送端到接收端的各条多径分量是独立的, 那么HHH的秩为 m in(NO, NI), 因此式 ( 10)近似为:C= m in(NO, NI)B Log21+P NI!2∀(11)式中, ∀为 HHH特征根的平均值从式 (11)可以看出, M I MO 系统的容量可以看作是多个单天线系统容量之和, 容量随着收发天线数量中最小者的增加而线性增加, 因此, M I MO系统具有多路复用增益图 4[ 4]为 M I MO系统信道容量比较图, 从图可以看出, ( 3 ∃ 3)M I MO系统的容量远远高于 ( 1 ∃ 8)SI MO系统, 甚至 ( 1 ∃ 19)系统, 且基本上是单天线系统的 3倍当天线数目等于 10时, 系统理论容量可达到 30bits/ s/H z 但是, 随着接收端天线数目的增多, SI MO的容量并没有明显地提高 (当接收天线数目由 8个增加到 19个时, 系统容量仅提升了不足3bits/s/Hz)。

由于在推导时, 假设 H矩阵是满秩的, 即传播 路径是完全不相关的但当 H矩阵的列向量具有一定的相关性时, M I MO系统信道容量将会受到影 响在 H秩为 1的极限情况下, MI MO系统的等效信道模型中只有一个接收信号, 系统容量为式( 12):图 4? M I MO系统信道容量比较图? ? C = B Log21+NOP !2( 12)此时, 系统仅有接收分集增益 通过以上分析比较, 考虑到卫星体积及质量的限制, 方案中选择 2 ∃ 2的天线排列方式3? 卫星无线信道特征分析? ? 在中、 低轨道卫星通信系统中, 由于卫星的运动, 信号传播路径是变化的信道特性主要表现为多径衰落、 阴影效应、 多谱勒频移和信道参数的时变性 多经衰落通常有以下几种情况:( 1)漫反射情况指一般的陆地或非平滑海面所形成的反射, 并且是没有阴影的影响接收信号是幅度恒定的直视波分量与漫反射的多径干扰信号 (其概率密度函数 服从瑞利分布 )合成信号的概率密度函数服从莱斯 ( Rician)分布漫反射用莱斯因子 K, 即接收到的直视分量 ( LOS : L ight of Sight)与各种非直视分量散射信号的合成信号瞬时功率的分比值来度量多径衰落的程度。

多径衰落的程度与工作频率、 天线增 益、 天线的仰角、 地形等因素有关 2)镜面反射情况当地面站位于舰船和岛屿时, 应考虑镜面反射情况当水面粗糙度增加时, 镜面反射分量减少而漫反射功率增加, 两者的比例与粗糙度 h /∀有关, 其中, h为浪的均方根高度, ∀为工作波长随着天392010年第 4期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 胡晓曦: 基于 M I MO技术的卫星高速数据传输系统研究线仰角的增加, 镜面反射引起的衰落深度减小 3)阴影效应 直视分量和散射分量不可避免地要受到小建筑物和路边树木的遮挡而发生衰落, 产生阴影效应( Shadow ing Efect)受遮蔽影响的直视波信号包络 的概率密度函数服从对数正态 ( Lognormal) 分布多径衰落和阴影效应是中、 低轨道卫星通信系统信道的主要特点此外, 卫星与地面站之间存在相对运动时将会 产生多普勒频移 ( Doppler shift), 造成信道的频率弥散性, 多普勒频移会引起接收端接收的载频发生偏移, 对采用相关解调的数字通信危害较大此外, 法 拉第旋转效应和电离层闪烁也会对卫星信道产生影响图 5为多径衰落类别图, 通常采用多径信道的相关带宽来描述信道特征, 当信号带宽远小于信道 相关带宽时信道是频率非选择性的。

为了抵抗频率选择性深衰落, 对于高速数据传输通道, 通常采用均衡技术和正交频分多址技术 (OFDM。