卫星地面无线通信增强技术研究

2021-09-09王俊峰杜吉庆

江苏通信 2021年4期

姚鹏王俊峰杜吉庆

南京熊猫汉达科技有限公司

0 引言

目前，卫星通信正朝着更大带宽、更高速率方向发展。与地面通信网络形成无缝覆盖的信息交换网络。整个卫星通信系统分为跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统、空间分系统和通信地球站4个部分。现阶段，为了推动通信领域的进步发展，有必要探究卫星通信应用地面无线通信的技术优势，研究增强星地无线通信系统性能的方法——构建星地MIMO链路。

1 卫星地面无线通信概述

卫星通信主要是通过无线电波的传输来实现卫星信号的收发和传输，进而满足人们的日常移动通信要求的一种技术。简单来说就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备。通信设备主要是依据空间分系统和通信地球站来实现工作的，保障通信的设备则主要是由跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统运行的。卫星通信具有覆盖范围广、可靠性高、不受复杂地理条件的限制、多址通信以及通信范围大等特点。其中，静止地球轨道卫星覆盖了整个地球。在空中起到中继站的作用，可以把地球站发来的电磁波进行放大再反送回去。移动卫星通信同样覆盖全球，由48颗卫星组成。地面无线通信系统将无线传感器技术应用于油田现场施工，各个部件之间均采用ISM频段无线通信，并且为后续扩展预留了丰富的资源。其具有布线时间短、易于通过防爆认证所需要求等特点。在实际应用中有不同形式及类别的卫星通信系统，按照业务可以分为卫星固定通信、卫星移动通信以及卫星直接广播。卫星移动通信是现阶段最为常见的一种能够应用于移动用户通信要求的卫星通信系统，这种系统不仅能够满足移动业务的相关需求，还能够将卫星作为中继站支持卫星信号的运行和通信。

2 星地移动通信特点及容量理论

2.1 星地移动通信特点

移动通信的特点，第一，移动通信是有线、无线相结合的通信方式；第二，电波传播条件恶劣，存在严重的多径衰落；第三，强干扰条件下工作；第四，具有多普勒效应，当运动的物体达到一定速度时，固定点接收到的载波频段将随相对运动速度的不同产生不同的频率偏移，通常把这种现象称为多普勒效应；第五，存在阴影区（盲区）；第六，用户经常移动，与基站无固定联系。

2.2 星地移动通信信道特征

通信信道最早应用于计算机网络中的信号传输，在计算机中应用时可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道主要是通过直接进行数据信号的传输来满足计算机的数据通信要求，其在应用过程中主要通过传输介质和通信设备来发挥作用；逻辑信道则是对物理信道的优化和创新，不仅能够实现物理信道的全部功能，还能够借助中间结点来实现数据信号的发送和接收。通信信道可以是以下传输设备中的一个，同时也可以是几个的组合，例如电话线路、电报线路、卫星、微波、光纤以及同轴电缆。移动通信的信道是所有通信信道运行环境中最为复杂的一种，在移动通信的信道运行过程中，多径衰落和复杂恶劣的电波环境不仅会加大移动通信信号的传输难度，还会影响通信的质量。在典型的城市环境中，一辆快速行驶的车辆上的移动台所接收到的无线电信号在1 s之内的显著衰落能够达到10次，衰落的深度也能够达到20~30 dB。这种衰落现象会严重降低接收信号的质量，从而影响通信的可靠性。针对这种情况，现阶段比较常见的应用于移动通信技术中的抗摔落技术以分集接收技术和纠错编码技术为主。这些技术的应用对减少衰落对移动通信正常运行的影响具有重要的作用。

3 星地移动系统MIMO信道建模

3.1 地面无线通信中分集技术

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，通常通过两个或更多的接收天线来实现。在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。分集技术主要是通过将应用无线电波传输的卫星信号集中接收之后，再将其分散传输的过程。在应用分集技术的过程中，由于不同的信道传输的卫星信号和传输特性存在一定的区别，因而产生的衰落情况也有一定的差异。分集技术在模拟电路和数字电路中有所体现，主要表现为增加信噪比、降低误码率。在有较大噪声、信道情况不佳时，一般通过加强发射机功率确保链路的运行正常。然而，接收设备功率经常受到限制，且形成电磁干扰。因此，可以采用空间分集的方法保证链路运行。其中，接收分集是在无线通信系统发射部位使用单根天线（见图1），接收部位使用多根天线接收数据流副本，再对其进行组合进而增强信号的接收强度。在接收端接收不同副本信号并进行不同形式合并，以此获取的接收信噪比会有很大程度的提升。

图1 接收分集

分集合并目前存在3种方法：第一，最大比值合并在接收端设有n个分集支路，信号较强的支路对应加权也就越大，信号较弱支路加权越小。第二，等增益合并。这种技术在实际应用的过程中只校正信道的相位偏移情况，不会对偏移的幅度大小进行校正。第三，选择式合并。使用该技术时，N个接收机输出信号送入选择逻辑，再从中选出具有高基带信噪比的信号作为输出。在实际应用过程中，信噪比不易测量，用（S+N）/N为参考。

3.2 地面无线系统信道容量

近年来，无线通信随着互联网信息技术和多媒体业务的发展在社会的发展过程中发挥着越来越重要的作用。无线通信在实际应用的过程中会受到无线信道的限制而影响质量和效率。对于现阶段越来越快的无线网络和信息数据传输要求，无线通信的这种缺陷会对无线通信市场的发展产生一定的阻碍。通过信息论研究可以说明，在无线通信中使用多输入多输出技术能够明显加大通信的容量，除此之外，这种技术在应用的过程中还能对现有的无线通信系统存在的性能缺陷进行优化。对于无线通信在实际应用过程中不可避免的衰落环境来说，应用这种技术能够使无线信道的衰落系统始终处于变化的过程。因此，系统容量也会成为一个随机变量。MIMO系统在衰落环境中信道容量为：

3.3 影响星地移动信道建模的因素

3.3.1 多普勒效应

多普勒效应是针对物体在运动过程中的辐射波长变化而导致波源、波长、波的运动频率等因素存在一定数量变化关系的物理现象。在卫星无线通信系统的运行过程中，无线电波的变化可以应用多普勒效应来进行解释。从这方面来说，由于前面在分析卫星无线通信系统运行过程中容易出现影响无线电波和卫星信号传输的衰落环境，在建立卫星地面移动信道模型的过程中也要考虑多普勒效应对这种衰落环境以及受到衰落环境影响的无线电波和卫星信号会产生的影响。具体来说，由于卫星地面移动信道本身就是为地面通信需求建立的，在建立卫星地面移动信道模型的过程中，不仅要考虑波源的位置和速度，还要对波源的运动频率进行及时的检测和计算。在卫星地面移动信道模型中，移动台可以被看作正处于运动状态的波源，基站则是波源在运动过程中的相对参照物，当移动台靠近基站时，波源的运动频率就会变高。波源运动频率的变化又会对移动通信系统的正常运行产生一定的影响。

3.3.2 时间相关性

时间相关性又被称为帧间相关性。时间序列的自相关性可以理解为时间序列自己与自己（不同滞后项）之间的相关性，有时需要研究不同时间序列之间的相关性。在信道建模过程中，时间相关性对其有直接影响。