解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 孔 博 張更新

中國空間技術(shù)研究院西安分院 蔣麗鳳

一、引言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)需要擁有較強的通信能力，支持較高的通信速率和較多的用戶數(shù)目。由于衛(wèi)星和用戶間的相對移動性，信道呈現(xiàn)復(fù)雜的時變衰落特性，信號在傳輸過程中要遭受到多徑衰落和遮蔽的影響，使得到達(dá)接收端的信號非常微弱，甚至?xí)霈F(xiàn)中斷。因此，研究具有較強抗干擾能力、高數(shù)據(jù)傳輸速率和大通信容量的新興技術(shù)將具有非常重要的意義。

近年來，多收發(fā)天線MIMO系統(tǒng)以其顯著的容量和性能優(yōu)勢被廣泛研究，但是它要求發(fā)端要有多個天線。在衛(wèi)星移動通信中，受重量、體積等的限制，MIMO技術(shù)往往得不到實際應(yīng)用。協(xié)同通信是通過單天線用戶終端相互作為中繼、共享天線，在不增加設(shè)備復(fù)雜度和設(shè)備量的條件下，構(gòu)成虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得分集增益、提高系統(tǒng)的性能。

研究表明，編碼協(xié)同策略中編碼方式的固有特點使得其在快衰落信道內(nèi)不能同時獲得空間和時間分集。正是這一點促使了空時編碼的基本思想用于協(xié)同通信。本文在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶的下行鏈路中構(gòu)建衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)，研究系統(tǒng)性能。

二、協(xié)同通信的基本概念

協(xié)同通信的原理框圖如圖1所示。首先源節(jié)點以廣播形式發(fā)送信息，協(xié)同節(jié)點及目的節(jié)點在此階段收到該信息。協(xié)同節(jié)點還將對收到的信息進行處理。然后協(xié)同節(jié)點將第一階段接收并處理的信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點，目的節(jié)點通過某種方式處理兩個階段接收到的信號。將協(xié)同原理抽象為圖2所示的三節(jié)點模型。圖中S為源節(jié)點，R為協(xié)同節(jié)點，D為目的節(jié)點。

圖1 協(xié)同通信的原理框圖

圖2 協(xié)同通信系統(tǒng)三節(jié)點模型

根據(jù)協(xié)同節(jié)點對信息的不同處理方式，將協(xié)同通信的方式分為三大類，即放大前傳方式（Amplify and Forward，AF），解碼前傳方式（Decode and Forward，DF）及編碼協(xié)同方式（Coded cooperation，CC）。所謂放大前傳方式，是指協(xié)同節(jié)點直接將收到的信號進行放大后前傳，其缺點在于放大信號的同時也會放大噪聲。而解碼前傳方式，是指在中繼節(jié)點處對接收到的信號進行解調(diào)、譯碼（如果編碼）和判決，判決后的數(shù)據(jù)CRC校驗可選做，然后再將數(shù)據(jù)進行編碼調(diào)制后前傳，這種策略可有效抑制中繼節(jié)點處噪聲放大的問題。編碼協(xié)同是譯碼前傳的一種特殊方式，將協(xié)作信號和信道編碼相結(jié)合，通過正確譯碼并重新編碼發(fā)送。它把每個用戶的碼字分成兩部分：一部分由用戶自己傳輸，另一部分由其伙伴傳輸。對于不同的信道條件編碼分集都能提供較好的性能增益，另外，通過不同的碼率和碼字的分割，編碼協(xié)同方式能很好的適應(yīng)信道的變化。研究表明，編碼協(xié)同可以在慢衰落環(huán)境下取得較好的性能，但編碼方式的固有特點使得其在快衰落信道內(nèi)不能同時獲得空間和時間分集。正是這一點促使了空時編碼的基本思想用于衛(wèi)星協(xié)同通信中。本文將在衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)中引入Alamouti空時分組碼，構(gòu)建衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)，進行仿真分析。

三、基于Alamouti碼的衛(wèi)星空時協(xié)同策略研究

1.空時協(xié)同模型

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶下行鏈路利用兩顆衛(wèi)星實現(xiàn)協(xié)同通信的示意圖如圖3所示。衛(wèi)星A，B對終端同時可見，衛(wèi)星A接收到信關(guān)站發(fā)送過來的信號，一方面通過用戶鏈路直接將信號發(fā)送至終端，另一方面通過星際鏈路將信號傳送至衛(wèi)星B，衛(wèi)星B將接收到的信號處理后轉(zhuǎn)發(fā)至終端，終端將接收到衛(wèi)星A，B的信號進行合并。

圖3 衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)示意圖

圖4 衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)示意圖

用戶下行鏈路利用兩顆衛(wèi)星對信號進行空時協(xié)同的系統(tǒng)模型示意圖如圖4所示。在時刻t，衛(wèi)星A將符號組[x1，x2]經(jīng)星際鏈路傳輸給衛(wèi)星B，衛(wèi)星B接收到該符號組后對其進行編碼等處理得[x2，x1*]，衛(wèi)星A通過星際鏈路發(fā)送符號組的同時也對該符號組進行編碼處理得[x1，-x2*]。在下一時刻，衛(wèi)星A和B分別由各自的用戶鏈路天線向用戶終端發(fā)送其編碼處理后的信號。這樣，來自兩顆衛(wèi)星的接收信號構(gòu)成一個Alamouti空時分組碼字，用戶終端采用Alamouti碼的信號檢測方法對該合并信號進行檢測處理。

2.空時協(xié)同系統(tǒng)性能分析

用戶終端C點處接收到的信號設(shè)為y，如式（1），h表示衛(wèi)星到用戶終端之間的信號衰落系數(shù)，s表示衛(wèi)星發(fā)射的信號，n表示噪聲。

星際鏈路信道為AWGN信道，用戶鏈路信道為衰落信道，根據(jù)用戶終端所處的地理環(huán)境及衛(wèi)星相對于用戶終端的方位，衛(wèi)星與用戶終端間的兩條用戶鏈路可能服從相同的衰落分布，也可能服從不同的衰落分布。簡便起見，本文主要考慮兩條用戶鏈路服從相同衰落情況。假設(shè)兩系統(tǒng)各鏈路中的信道噪聲均為具有相同雙邊功率譜密度（N0/2）的加性高斯白噪聲，信息傳輸速率相同且均為Rb，系統(tǒng)總發(fā)送功率也相同，記為P。

協(xié)同系統(tǒng)可以利用分布在不同位置的兩個終端構(gòu)成虛擬的天線陣發(fā)送空時分組碼，在終端復(fù)雜度變化不大的情況下獲得較好的分集增益。但是，協(xié)同節(jié)點所收到的信號經(jīng)過解調(diào)，解碼，重新編碼調(diào)制等，會帶來一定的誤碼，因此其誤碼率的上界為采用Alamouti空時分組碼的兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)誤碼率。根據(jù)臧國珍的研究，可列出其性能上界。

（1）兩用戶下行鏈路為同分布的Rayleigh衰落信道。兩路徑為同分布的Rayleigh衰落信道且k=0，gMPSK=1，nTnR=2，Alamouti空時分組碼的兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)誤碼率為

（2）兩用戶下行鏈路為同分布的Rician中度遮蔽衰落信道。兩路徑為同分布的Rayleigh衰落信道且k=0，gMPSK=1，nTnR=2，Alamouti空時分組碼的兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)誤碼率為

（3）兩用戶下行鏈路為同分布的Rician（10dB）衰落信道。兩路徑為同分布的Rayleigh衰落信道且k=10，gMPSK=1，nTnR=2，Alamouti空時分組碼的兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)誤碼率為

圖5 Rayleigh衰落信道空時協(xié)同性能曲線

圖6 Rician中度遮蔽衰落信道空時協(xié)同性能曲線

圖7 Rician（10dB）衰落信道空時協(xié)同性能曲線

從圖5中可以看出，當(dāng)兩用戶下行鏈路為同分布的Rayleigh衰落信道時，采用空時協(xié)同系統(tǒng)性能介于非協(xié)同和Alamouti空時分組碼的兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)性能之間，空時協(xié)同系統(tǒng)性能較非協(xié)同系統(tǒng)有明顯改善。從圖6和圖7可以看出，當(dāng)兩用戶下行鏈路為同分布的Rician和中度遮蔽Rician衰落信道時，當(dāng)SNR比較低時，空時協(xié)同系統(tǒng)性能比非協(xié)同系統(tǒng)的要差，當(dāng)SNR相對比較高時，優(yōu)于非協(xié)同系統(tǒng)。且與Alamouti空時分組碼的兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)性能相差不大。說明相對于MIMO系統(tǒng)，衛(wèi)星空時協(xié)同不會帶來系統(tǒng)誤碼性能的改善，而相對于傳統(tǒng)的非協(xié)同系統(tǒng)獲得了一定的分集增益，可以帶來系統(tǒng)誤碼性能的改善。此外，隨著信道條件的改善，SNR較低時，衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)性能的提高不如MIMO系統(tǒng)和非協(xié)同系統(tǒng)，而SNR較高時，則差別不大。這主要是因為衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)的性能除受用戶鏈路信道質(zhì)量的影響，還受星際鏈路信道質(zhì)量的影響，而MIMO系統(tǒng)則不存在這方面的問題。在通?？山邮艿耐ㄐ刨|(zhì)量（SNR較大）范圍內(nèi)，衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)的性能受信道衰落的影響基本相當(dāng)。

四、結(jié)束語

衛(wèi)星協(xié)同通信通過衛(wèi)星或中斷之間天線共享的方法，在系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度增大不多的前提下極大地提高系統(tǒng)的性能，是未來無線通信中極具應(yīng)用前景的新技術(shù)。本文在衛(wèi)星協(xié)同通信中引入Alamouti空時分組碼，構(gòu)建衛(wèi)星空時協(xié)同系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明在相同的信道和系統(tǒng)條件下，衛(wèi)星編碼協(xié)同系統(tǒng)可獲得優(yōu)于非協(xié)同系統(tǒng)的誤碼性能，雖然其誤碼性能要差于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)，但其在通信覆蓋范圍和終端實現(xiàn)等方面具有一定的優(yōu)勢，在未來衛(wèi)星移動通信中具有一定的應(yīng)用前景?！?/p>

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