鈕長(zhǎng)珍

?

衛(wèi)星移動(dòng)終端的協(xié)作分集技術(shù)研究

鈕長(zhǎng)珍

廈門九華通信設(shè)備廠，福建 廈門 361022

新一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率來(lái)滿足傳輸多種業(yè)務(wù)的需求。多輸入多輸出技術(shù)能夠在有限功率和頻譜資源的條件下空域資源的充分挖掘利用，對(duì)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高意義重大。然而，由于收發(fā)兩端，特別是地面終端的功耗、體積和硬件復(fù)雜度受限，單個(gè)終端上多天線的實(shí)現(xiàn)目前仍然比較困難，嚴(yán)重阻礙了MIMO技術(shù)的發(fā)展。此時(shí)，協(xié)作分集通過(guò)多個(gè)單天線終端之間相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了多天線的虛擬MIMO。需要研究適用于衛(wèi)星系統(tǒng)的協(xié)作分集傳輸技術(shù)，以增強(qiáng)衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃耘c有效性。

衛(wèi)星移動(dòng)；終端；協(xié)作分集；技術(shù)研究

1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 協(xié)作終端選擇問題

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)周圍存在潛在的協(xié)作終端時(shí)，如何對(duì)協(xié)作伙伴進(jìn)行選擇，選擇哪一個(gè)或多個(gè)協(xié)作伙伴來(lái)輔助通信，是協(xié)作分集技術(shù)中重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題之一。一般情況下，不同終端用戶之間的無(wú)線信道狀態(tài)有較大的差異，然而移動(dòng)通信系統(tǒng)中的功率、頻譜等資源十分有限，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)信道狀態(tài)的差異，合理選擇協(xié)作終端，使有限的可用資源得到更加高效的利用。利用瞬時(shí)的信道狀態(tài)信息[1]，在不考慮網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下提出了中繼選擇策略，同時(shí)進(jìn)一步分析了利用和協(xié)議時(shí)基于最優(yōu)中斷概率的中繼選擇方案。Mahinthan等人考慮將局部最優(yōu)的算法應(yīng)用在實(shí)際系統(tǒng)中，并采用算法來(lái)提高系統(tǒng)的總體性能。此外，考慮統(tǒng)計(jì)信道信息的情況下，可將其等效為地理位置信息進(jìn)行協(xié)作伙伴的選擇?？紤]效用函數(shù)的協(xié)作終端選擇方案，主要以最大化總效用為目標(biāo)來(lái)提高系統(tǒng)效率。目前，在協(xié)作終端選擇算法中，較為關(guān)注的是聯(lián)合經(jīng)濟(jì)學(xué)模型以及博弈論的思想。一些研究將斯塔克爾伯格模型、古諾模型等經(jīng)濟(jì)學(xué)中的經(jīng)典模型算法引入?yún)f(xié)作終端選擇方案中，利用納什均衡算法，來(lái)選擇最優(yōu)的協(xié)作終端[2]。

1.2 協(xié)作分集的功率分配方案

近年來(lái)，越來(lái)越多的文獻(xiàn)關(guān)注協(xié)作通信中源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的功率資源分配問題，功率分配已成為協(xié)作通信中研究的熱點(diǎn)之一。目前，較多的功率分配方案是在源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的總發(fā)射功率受限時(shí)，以提升系統(tǒng)的可靠性為目標(biāo)進(jìn)行功率分配，例如最小化中斷概率或誤碼率等目標(biāo)，從而建立數(shù)學(xué)模型，找出最優(yōu)解即為所求的最佳功率分配方案。此外，提出的方案將功率分配與協(xié)作終端選擇進(jìn)行聯(lián)合考慮，提出了一種集中式效率最大化的優(yōu)化功率分配方案。如今，學(xué)術(shù)界考慮將博弈論引入?yún)f(xié)作通信的功率分配方案中?；诜植际骄W(wǎng)絡(luò)中各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)地位相同的特點(diǎn)，Z.Zhang等人考慮納什討價(jià)還價(jià)博弈理論，對(duì)頻譜分配策略進(jìn)行了研究。在文獻(xiàn)中，作者考慮價(jià)格對(duì)來(lái)判斷資源如何分配，并且提供激勵(lì)的機(jī)制，從而獲得全局最優(yōu)解。

2 協(xié)作分集技術(shù)的提出和發(fā)展

技術(shù)越來(lái)越引起人們的關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以有效的抵抗多徑衰落。由于上一節(jié)講的多種原因現(xiàn)在還不能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的通信中，所以如何將分集和現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)相結(jié)合是個(gè)熱門的研究課題[3]。

Sendonaris等人根據(jù)中繼信道模型第一次提出了這種新的概念—協(xié)作分集，通過(guò)單天線用戶的協(xié)作可以獲得類似的空間分集增益。在通信中每個(gè)單天線用戶周圍都存在若干個(gè)協(xié)作用戶，協(xié)作的思想就是通過(guò)一定的方式使各個(gè)協(xié)作用戶共享彼此的天線，形成一個(gè)虛擬的天線系統(tǒng)，獲得分集增益。繼而他們?cè)谛畔⒄摲矫鎸?duì)協(xié)作的中斷概率、系統(tǒng)容量以及遍歷概率做了深入的分析，這些都證實(shí)了協(xié)作分集技術(shù)不僅可以提高系統(tǒng)的傳輸速率還有降低誤碼率、中斷概率、提高系統(tǒng)容量的能力。通過(guò)多名學(xué)者的繼續(xù)研究，提出了多種協(xié)作分集方案比如放大中繼、選擇中繼和增強(qiáng)中繼。還有一部分學(xué)者將協(xié)作中繼和信道編碼相結(jié)合，這樣就可以獲得更好的信道帶寬。協(xié)作是一種新的實(shí)現(xiàn)方式，所以中繼信道的技術(shù)也可以應(yīng)用到協(xié)作中，空時(shí)編碼的引入極大地提高了協(xié)作系統(tǒng)的性能，特別是中斷概率和誤碼率方面。網(wǎng)絡(luò)編碼可以極大提高系統(tǒng)的吞吐量和頻譜利用率，應(yīng)用到協(xié)作中可以使兩個(gè)以上的用戶進(jìn)行協(xié)作打破了原來(lái)只能兩用戶協(xié)作方案的壁壘。中繼系統(tǒng)可以提高邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量，但是有時(shí)一個(gè)用戶多個(gè)中繼為其服務(wù)，這樣可能造成能源的浪費(fèi)和系統(tǒng)的復(fù)雜度。為此一些學(xué)者提出了將位置信息、系統(tǒng)容量、中斷概率和瞬時(shí)信道狀態(tài)信息等作為評(píng)價(jià)函數(shù)的協(xié)同中繼選擇方法來(lái)提高傳輸可靠性。功率分配技術(shù)可以用較低的系統(tǒng)功耗提高系統(tǒng)的容量，實(shí)現(xiàn)綠色通信。協(xié)作分集的最初階段都假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)等功率，顯然這種功率分配算法不是最優(yōu)的，一些學(xué)者提出了基于信道容量和頻率效率、中斷概率和錯(cuò)誤概率的算法。通過(guò)協(xié)作節(jié)點(diǎn)功率的二次分配實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提高，也降低了功率消耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

空域分集給現(xiàn)代通信日益緊張的頻帶資源帶來(lái)了革命性的突破，而協(xié)作分集技術(shù)給空域分集的實(shí)現(xiàn)提供了一條有效和實(shí)用的途徑。在本文中我們介紹了幾種主要的協(xié)作分集協(xié)議，在此基礎(chǔ)上也不斷有新的改進(jìn)協(xié)議提出，但是還有一些具體的問題并未解決。例如，如何實(shí)現(xiàn)用戶間的同步，如何有效的進(jìn)行協(xié)作階段的功率分配，如何將其適用于空間一時(shí)間選擇性衰落信道中，如何進(jìn)一步改進(jìn)服務(wù)中斷概率的性能等。總之，隨著協(xié)作分集協(xié)議的完善，協(xié)作技術(shù)的不斷成熟，必將給通信領(lǐng)域帶來(lái)新的活力。

[1]邢天璋，陳天，白瑩琦.協(xié)作分集技術(shù)研究與展望[J].電子科技，2010（3）：107-110.

[2]鐵曉磊，洪佩琳，薛開平，唐浩.一種基于協(xié)作分集技術(shù)的切換機(jī)制[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2011（5）：1178-1185.

[3]李國(guó)彥，張合慶.協(xié)作通信技術(shù)在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2015（1）：56-60.

Research on Cooperative Diversity of Satellite Mobile Terminals

Niu Changzhen

Xiamen Jiuhua Communication Equipment Factory，F(xiàn)ujian Xiamen 361022

A new generation of satellite mobile communication system needs to realize higher data rate and spectrum utilization rate to meet the needs of transmission of multiple services. Multi-input multi-output（MIMO） technology can fully exploit the airspace resource under the condition of limited power and spectrum resources，which is significant to the further improvement of system performance. However，due to the limited power consumption， volume and hardware complexity of the two ends of the transceiver，especially the terrestrial terminal，the implementation of multiple antennas on a single terminal is still difficult，which hinders the development of MIMO technology. In this case，cooperative diversity achieves multi-antenna virtual MIMO by cooperating with multiple single antenna terminals. It is necessary to study the cooperative diversity transmission technology applicable to satellite systems in order to enhance the reliability and effectiveness of satellite mobile system signal transmission.

satellite mobile；terminal；cooperative diversity

TN927.23

A

1009-6434（2017）01-0013-02