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  卫星空时协同策略研究

     

【摘 要】近年来,协同通信技术因其能显著地提高无线通信系统的性能而吸引了大量的研究关注。编码协同可以在慢衰落环境下取得较好的性能,但在快衰落环境下性能较差,本文将研究卫星协同通信中引入Alamouti空时分组码,进行空时协同卫星移动通信系统的性能分析。仿真结果表明,较未协同系统,卫星空时协同系统有较大的性能优势,虽然与MIMO系统性能有一定差距,但是其终端实现简单,在未来卫星移动通信中具有一定的应用前景。
【关键词】MIMO技术 卫星协同通信 空时编码
一、引言
卫星移动通信系统需要拥有较强的通信能力,支持较高的通信速率和较多的用户数目。由于卫星和用户间的相对移动性,信道呈现复杂的时变衰落特性,信号在传输过程中要遭受到多径衰落和遮蔽的影响,使得到达接收端的信号非常微弱,甚至会出现中断。因此,研究具有较强抗干扰能力、高数据传输速率和大通信容量的新兴技术将具有非常重要的意义。
近年来,多收发天线MIMO系统以其显著的容量和性能优势被广泛研究,但是它要求发端要有多个天线。在卫星移动通信中,受重量、体积等的限制,MIMO技术往往得不到实际应用。协同通信是通过单天线用户终端相互作为中继、共享天线,在不增加设备复杂度和设备量的条件下,构成虚拟MIMO系统,从而获得分集增益、提高系统的性能。
研究表明,编码协同策略中编码方式的固有特点使得其在快衰落信道内不能同时获得空间和时间分集。正是这一点促使了空时编码的基本思想用于协同通信。本文在卫星移动通信系统用户的下行链路中构建卫星空时协同系统,研究系统性能。
二、协同通信的基本概念
协同通信的原理框图如图1所示。首先源节点以广播形式发送信息,协同节点及目的节点在此阶段收到该信息。协同节点还将对收到的信息进行处理。然后协同节点将第一阶段接收并处理的信息转发给目的节点,目的节点通过某种方式处理两个阶段接收到的信号。将协同原理抽象为图2所示的三节点模型。图中S为源节点,R为协同节点,D为目的节点。

图1 协同通信的原理框图 图2 协同通信系统三节点模型
根据协同节点对信息的不同处理方式,将协同通信的方式分为三大类,即放大前传方式(Amplify and Forward,AF),解码前传方式(Decode and Forward,DF)及编码协同方式(Coded cooperation,CC)。所谓放大前传方式,是指协同节点直接将收到的信号进行放大后前传,其缺点在于放大信号的同时也会放大噪声。而解码前传方式,是指在中继节点处对接收到的信号进行解调、译码(如果编码)和判决,判决后的数据CRC校验可选做,然后再将数据进行编码调制后前传,这种策略可有效抑制中继节点处噪声放大的问题。编码协同是译码前传的一种特殊方式,将协作信号和信道编码相结合,通过正确译码并重新编码发送。它把每个用户的码字分成两部分:一部分由用户自己传输,另一部分由其伙伴传输。对于不同的信道条件编码分集都能提供较好的性能增益,另外,通过不同的码率和码字的分割,编码协同方式能很好的适应信道的变化。研究表明,编码协同可以在慢衰落环境下取得较好的性能,但编码方式的固有特点使得其在快衰落信道内不能同时获得空间和时间分集。正是这一点促使了空时编码的基本思想用于卫星协同通信中。本文将在卫星协同通信系统中引入Alamouti空时分组码,构建卫星空时协同系统,进行仿真分析。
三、基于Alamouti码的卫星空时协同策略研究
1.空时协同模型
在卫星移动通信系统用户下行链路利用两颗卫星实现协同通信的示意图如图3所示。卫星A,B对终端同时可见,卫星A接收到信关站发送过来的信号,一方面通过用户链路直接将信号发送至终端,另一方面通过星际链路将信号传送至卫星B,卫星B将接收到的信号处理后转发至终端,终端将接收到卫星A,B的信号进行合并。

图3 卫星协同通信系统示意图 图4 卫星空时协同系统示意图
用户下行链路利用两颗卫星对信号进行空时协同的系统模型示意图如图4所示。在时刻t,卫星A将符号组[x1,x2]经星际链路传输给卫星B,卫星B接收到该符号组后对其进行编码等处理得[x2,x1*],卫星A通过星际链路发送符号组的同时也对该符号组进行编码处理得[x1,-x2*]。在下一时刻,卫星A和B分别由各自的用户链路天线向用户终端发送其编码处理后的信号。这样,来自两颗卫星的接收信号构成一个Alamouti空时分组码字,用户终端采用Alamouti码的信号检测方法对该合并信号进行检测处理。
2.空时协同系统性能分析
用户终端C点处接收到的信号设为y,如式(1),h表示卫星到用户终端之间的信号衰落系数,s表示卫星发射的信号,n表示噪声。
(1)
星际链路信道为AWGN信道,用户链路信道为衰落信道,根据用户终端所处的地理环境及卫星相对于用户终端的方位,卫星与用户终端间的两条用户链路可能服从相同的衰落分布,也可能服从不同的衰落分布。简便起见,本文主要考虑两条用户链路服从相同衰落情况。假设两系统各链路中的信道噪声均为具有相同双边功率谱密度(N0/2)的加性高斯白噪声,信息传输速率相同且均为Rb,系统总发送功率也相同,记为P。
协同系统可以利用分布在不同位置的两个终端构成虚拟的天线阵发送空时分组码,在终端复杂度变化不大的情况下获得较好的分集增益。但是,协同节点所收到的信号经过解调,解码,重新编码调制等,会带来一定的误码,因此其误码率的上界为采用Alamouti空时分组码的两发一收MIMO系统误码率。根据臧国珍的研究,可列出其性能上界。
(1)两用户下行链路为同分布的Rayleigh衰落信道。两路径为同分布的Rayleigh衰落信道且k=0,gMPSK=1,nTnR=2,Alamouti空时分组码的两发一收MIMO系统误码率为
(2)
(2)两用户下行链路为同分布的Rician中度遮蔽衰落信道。两路径为同分布的Rayleigh衰落信道且k=0,gMPSK=1,nTnR=2,Alamouti空时分组码的两发一收MIMO系统误码率为
(3)
式中, 为高斯超几何函数,定义为
(4)
式中, 称为Pochhammer符号。
(3)两用户下行链路为同分布的Rician(10dB)衰落信道。两路径为同分布的Rayleigh衰落信道且k=10,gMPSK=1,nTnR=2,Alamouti空时分组码的两发一收MIMO系统误码率为
(5)
式中, ,参数2,m和2的取值反映了信道受遮蔽程度的大小。
图5、图6、图7分别给出了两用户下行链路分布服从相同Rayleigh衰落,Rician中度遮蔽衰落,Rician(10dB)时卫星空时协同性能曲线,

图5 Rayleigh衰落信道空时协同性能曲线

图6 Rician中度遮蔽衰落信道空时协同性能曲线

图7 Rician(10dB)衰落信道空时协同性能曲线
从图5中可以看出,当两用户下行链路为同分布的Rayleigh衰落信道时,采用空时协同系统性能介于非协同和Alamouti空时分组码的两发一收MIMO系统性能之间,空时协同系统性能较非协同系统有明显改善。从图6和图7可以看出,当两用户下行链路为同分布的Rician和中度遮蔽Rician衰落信道时,当SNR比较低时,空时协同系统性能比非协同系统的要差,当SNR相对比较高时,优于非协同系统。且与Alamouti空时分组码的两发一收MIMO系统性能相差不大。说明相对于MIMO系统,卫星空时协同不会带来系统误码性能的改善,而相对于传统的非协同系统获得了一定的分集增益,可以带来系统误码性能的改善。此外,随着信道条件的改善,SNR较低时,卫星空时协同系统性能的提高不如MIMO系统和非协同系统,而SNR较高时,则差别不大。这主要是因为卫星空时协同系统的性能除受用户链路信道质量的影响,还受星际链路信道质量的影响,而MIMO系统则不存在这方面的问题。在通常可接受的通信质量(SNR较大)范围内,卫星空时协同系统和MIMO系统的性能受信道衰落的影响基本相当。
四、结束语
卫星协同通信通过卫星或中断之间天线共享的方法,在系统实现复杂度增大不多的前提下极大地提高系统的性能,是未来无线通信中极具应用前景的新技术。本文在卫星协同通信中引入Alamouti空时分组码,构建卫星空时协同系统,仿真结果表明在相同的信道和系统条件下,卫星编码协同系统可获得优于非协同系统的误码性能,虽然其误码性能要差于传统MIMO系统,但其在通信覆盖范围和终端实现等方面具有一定的优势,在未来卫星移动通信中具有一定的应用前景。

参考文献见www.dcw.org.cn
[1] 臧国珍. 空时编码及其在卫星移动通信中的应用研究.2006.28-30
[2] 揭晓,张更新,臧国珍. 低轨卫星移动通信系统中译码前传协作策略的性能研究[J].信号处理,2011. 362-368.
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