MIMO技术与卫星通信的结合及在海上的应用分析

张弛 李晖

摘要：衛星通信是海洋通信的重要手段，而MIMO技术与卫星的结合可以在不增加带宽和发射功率的情况下提高系统的频谱效率，本文列举了三种MIMO与卫星的结合方式，分别是单卫星单地面站（双极化MIMO）;单卫星多地面站;多卫星多地面站（分布式MIMO），并分析了他们于海上的适用性。

关键词：MIMO;卫星;双极化;分布式;相关性;信道容量

一、前言

我国管辖的海洋面积约为300万平方千米，其中蕴含了丰富的资源。无论是对海洋资源的开发还是进行海上贸易，都离不开一个重要的问题，那就是海上通信。目前我国的海上通信在近海主要依靠地面移动通信覆盖，距离稍远则通过特高频（Ultra High Frequency，UHF）及甚高频（Very High Frequency，VHF）频段无线电进行广播[1];在远海方面通过租用国外的卫星系统，如国际移动卫星通信系统[2]。虽然我们拥有自主的北斗卫星导航系统，但其功能主要是定位及导航，其具备的短报文通信能力在通信容量和延迟方面均不能完全满足要求[3]。

自主卫星通信网的建设有助于解决海上通信的诸多问题，而MIMO技术可以有效地提升通信容量及频谱效率，其与卫星的结合将有效提升其性能，本文将列举MIMO与卫星结合的不同形式并分析其在海上的适用性。

二、MIMO技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多输入多输出，指在通信系统的发送端将串行信号进行空时编码后通过多天线进行并行传输，在接收端配置多个天线接收后再进行相应的空时译码，通过利用空间这一维度来获得增益的技术[4]，其结构如图1所示

假设卫星天线之间的距离为10 m，则系统上行链路地面站之间需要的最小距离为32.1 km，下行链路地面站之间的最小距离为40.9 km[16]。地面站的稀疏部署，在军事方面对比密集部署的地面基站有着更好的抗军事打击能力，即地面站同时遭受攻击导致通信瘫痪的概率较低。但若是将其应用于海上，如此大的距离，对多个地面站位于一个海岛、油气平台或舰艇来说，会是十分困难，甚至很难实现的。且这种方式下地面端的天线间距大，卫星间的天线间距小，信道容量对于卫星端天线的变化将会很敏感，卫星的运动和偏移很容易造成信道容量的下降，不易于构建最大化的信道容量[16]。

（三）多卫星多地面站方式

这种方式下通信系统由多颗卫星和多个地面站组成，其结构如图4。

这种构建方式下，每颗卫星及地面站通过设置单天线协作构建MIMO体系，这种方式也被称为分布式MIMO。为了构建正交信道，实现最大信道容量，两颗卫星的轨道间距需要在经度上不小于0.5°[16]。

由于卫星端天线的间距较大，地面站间的间距就可以相对较小，仅需数米或者数十米，可以搭建于海岛或者海上作业平台上。这种方式较适合于海上。但分布式MIMO的最大化信道容量需要满足信道的正交性。文献[16]里面列举了分布式MIMO信道容量下降的几种原因，分别为：延迟;卫星的运动;地面站天线的偏移。

其中延迟造成的容量下降可以通过系统设计的方法解决[17]。卫星端由于其间距较大，只要其运动的偏移在经度±37.5 km，纬度±17.5 km内，就不会对信道容量造成较大的影响[13]。地面接收端由于其天线间距较小，容易对信道容量造成影响。文献[11]指出，天线间距的变化会影响信道容量，如图5所示。

图中假设其他参数不变，仅考虑地面天线间距的变化对信道容量的影响。其中横坐标为地面端接收天线的距离，纵坐标为信道容量，可以看到，信道容量随着天线的间距的改变做周期性变化，在接收天线间距为6 m时达到第一个最大值，以11 m作为信道容量最大值变化的周期。构建正交信道，实现分布式MIMO的最大信道容量需要地面站天线较为精确的布置，为了避免地面站天线的偏移造成容量下降，可以适当地减小卫星的距离，即通过增大地面站的间距降低其敏感程度。

六、总结

双极化MIMO的结构由于海上频繁降雨易造成去极化，且海上难以进行多径传输，因而不适用于海上;单卫星多地面站对地理条件限制较大，相距较远的地面站在海上难以进行同步;分布式MIMO可以将地面站安装在海岛或者海上工作平台上，较适合于海上的应用，但要实现最大信道容量，还需要满足信道的正交性，对地面站天线的位置需要进行相应的布置。

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