張弛 李暉

摘要：衛(wèi)星通信是海洋通信的重要手段，而MIMO技術(shù)與衛(wèi)星的結(jié)合可以在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下提高系統(tǒng)的頻譜效率，本文列舉了三種MIMO與衛(wèi)星的結(jié)合方式，分別是單衛(wèi)星單地面站（雙極化MIMO）;單衛(wèi)星多地面站;多衛(wèi)星多地面站（分布式MIMO），并分析了他們于海上的適用性。

關(guān)鍵詞：MIMO;衛(wèi)星;雙極化;分布式;相關(guān)性;信道容量

一、前言

我國(guó)管轄的海洋面積約為300萬(wàn)平方千米，其中蘊(yùn)含了豐富的資源。無(wú)論是對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)還是進(jìn)行海上貿(mào)易，都離不開(kāi)一個(gè)重要的問(wèn)題，那就是海上通信。目前我國(guó)的海上通信在近海主要依靠地面移動(dòng)通信覆蓋，距離稍遠(yuǎn)則通過(guò)特高頻（Ultra High Frequency，UHF）及甚高頻（Very High Frequency，VHF）頻段無(wú)線電進(jìn)行廣播[1];在遠(yuǎn)海方面通過(guò)租用國(guó)外的衛(wèi)星系統(tǒng)，如國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)[2]。雖然我們擁有自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但其功能主要是定位及導(dǎo)航，其具備的短報(bào)文通信能力在通信容量和延遲方面均不能完全滿足要求[3]。

自主衛(wèi)星通信網(wǎng)的建設(shè)有助于解決海上通信的諸多問(wèn)題，而MIMO技術(shù)可以有效地提升通信容量及頻譜效率，其與衛(wèi)星的結(jié)合將有效提升其性能，本文將列舉MIMO與衛(wèi)星結(jié)合的不同形式并分析其在海上的適用性。

二、MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多輸入多輸出，指在通信系統(tǒng)的發(fā)送端將串行信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼后通過(guò)多天線進(jìn)行并行傳輸，在接收端配置多個(gè)天線接收后再進(jìn)行相應(yīng)的空時(shí)譯碼，通過(guò)利用空間這一維度來(lái)獲得增益的技術(shù)[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示

假設(shè)衛(wèi)星天線之間的距離為10 m，則系統(tǒng)上行鏈路地面站之間需要的最小距離為32.1 km，下行鏈路地面站之間的最小距離為40.9 km[16]。地面站的稀疏部署，在軍事方面對(duì)比密集部署的地面基站有著更好的抗軍事打擊能力，即地面站同時(shí)遭受攻擊導(dǎo)致通信癱瘓的概率較低。但若是將其應(yīng)用于海上，如此大的距離，對(duì)多個(gè)地面站位于一個(gè)海島、油氣平臺(tái)或艦艇來(lái)說(shuō)，會(huì)是十分困難，甚至很難實(shí)現(xiàn)的。且這種方式下地面端的天線間距大，衛(wèi)星間的天線間距小，信道容量對(duì)于衛(wèi)星端天線的變化將會(huì)很敏感，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)和偏移很容易造成信道容量的下降，不易于構(gòu)建最大化的信道容量[16]。

（三）多衛(wèi)星多地面站方式

這種方式下通信系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星和多個(gè)地面站組成，其結(jié)構(gòu)如圖4。

這種構(gòu)建方式下，每顆衛(wèi)星及地面站通過(guò)設(shè)置單天線協(xié)作構(gòu)建MIMO體系，這種方式也被稱為分布式MIMO。為了構(gòu)建正交信道，實(shí)現(xiàn)最大信道容量，兩顆衛(wèi)星的軌道間距需要在經(jīng)度上不小于0.5°[16]。

由于衛(wèi)星端天線的間距較大，地面站間的間距就可以相對(duì)較小，僅需數(shù)米或者數(shù)十米，可以搭建于海島或者海上作業(yè)平臺(tái)上。這種方式較適合于海上。但分布式MIMO的最大化信道容量需要滿足信道的正交性。文獻(xiàn)[16]里面列舉了分布式MIMO信道容量下降的幾種原因，分別為：延遲;衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng);地面站天線的偏移。

其中延遲造成的容量下降可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法解決[17]。衛(wèi)星端由于其間距較大，只要其運(yùn)動(dòng)的偏移在經(jīng)度±37.5 km，緯度±17.5 km內(nèi)，就不會(huì)對(duì)信道容量造成較大的影響[13]。地面接收端由于其天線間距較小，容易對(duì)信道容量造成影響。文獻(xiàn)[11]指出，天線間距的變化會(huì)影響信道容量，如圖5所示。

圖中假設(shè)其他參數(shù)不變，僅考慮地面天線間距的變化對(duì)信道容量的影響。其中橫坐標(biāo)為地面端接收天線的距離，縱坐標(biāo)為信道容量，可以看到，信道容量隨著天線的間距的改變做周期性變化，在接收天線間距為6 m時(shí)達(dá)到第一個(gè)最大值，以11 m作為信道容量最大值變化的周期。構(gòu)建正交信道，實(shí)現(xiàn)分布式MIMO的最大信道容量需要地面站天線較為精確的布置，為了避免地面站天線的偏移造成容量下降，可以適當(dāng)?shù)販p小衛(wèi)星的距離，即通過(guò)增大地面站的間距降低其敏感程度。

六、總結(jié)

雙極化MIMO的結(jié)構(gòu)由于海上頻繁降雨易造成去極化，且海上難以進(jìn)行多徑傳輸，因而不適用于海上;單衛(wèi)星多地面站對(duì)地理?xiàng)l件限制較大，相距較遠(yuǎn)的地面站在海上難以進(jìn)行同步;分布式MIMO可以將地面站安裝在海島或者海上工作平臺(tái)上，較適合于海上的應(yīng)用，但要實(shí)現(xiàn)最大信道容量，還需要滿足信道的正交性，對(duì)地面站天線的位置需要進(jìn)行相應(yīng)的布置。

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