星地空分复用高通量数据传输技术

陈 颖，刘 洋，张成伟

(1.敏捷智能计算四川省重点实验室，四川 成都 610036；2.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

卫星通信具有通信距离远、通信容量大、覆盖范围广、灵活机动性高等优点，其全球通信覆盖能力和机动性，在军、民信息领域中发挥着不可替代的作用[1-2]。近年来，随着卫星通信技术以及互联网应用环境的发展与变化，为了进一步满足军用/民用对全球无缝覆盖的宽带网络的迫切需求，特别是解决沙漠、海洋以及偏远地区等苛刻环境下的通信问题，各国都开始着力于天基宽带互联网的建设，譬如OneWeb星座系统[3]、SpaceX提出的Starlink星座、加拿大TeleSat公司提出的TeleSat LEO、亚马逊公司提出的Kuiper、我国航天科工集团提出的虹云工程、航天科技集团提出的鸿雁星座、电子科技集团的天地一体化信息网络以及银河航天的银河Galaxy系统等[4-5]。我国已将卫星互联网纳入“新基建”范畴，并在2021年成立了中国卫星网络集团有限公司，卫星互联网将进入密集部署实施阶段。

随着卫星互联网应用场景的不断深入，卫星互连网承载的业务量越来越大，系统对星地、星星之间的信息传输速率要求越来越高[6]。而当前星地高速数据传输速率约在600 Mbit/s ～ 2 Gbit/s左右，远不能满足未来高速发展的卫星互联网应用需求[7]。星地之间更高速率的数据传输面临频率资源的限制、器件能力等多方面的限制。比如Ka频段，以28 GHz做为中心频率，采用16QAM高阶调制，当星地通信速率达40 Gbit/s时，所需信道带宽高达20 GHz，如此宽的带宽远超Ka频段功率器件、射频器件、甚至天线组件所能工作的范围，更不用说AD、DA、FPGA、DSP等其他数字器件，也就是说传统的星地单通道数据传输模式很难实现更高速率的通信传输。

空分复用，或者说MIMO技术是解决更高速率星地数据传输的有效方法，其核心思想是将单通道高数据码流分解成多个并行传输的低速率码流进行传输[8]。在地面移动通信中，广泛采用MIMO技术，降低高速率通信下的符号速率，实现了多径条件下的高速率通信[9-10]。而星地通信中，如何更好地利用空分复用技术实现更高速率的传输面临着更多的问题：一方面，星地之间通信距离远、星上资源受限、信道波动大；另一方面，由于卫星过顶时间短，星地之间通信速率远远高于地面移动通信，其速率要求高达数十、甚至百Gbit/s，远超当前器件、计算资源的极限。如何在资源受限、器件能力受限情况下,实现星地更高速率是问题的焦点。

针对未来卫星互联网等高速宽带网络的海量数据即时传输需求，本文提出一种基于空分复用的星地高通量传输架构，并从系统总体实现方案、系统帧结构、信号预处理、宽带MIMO信道空时均衡等方面进行了详细分析与设计。

1 空分复用星地高通量数据传输总体方案

1.1 空分复用基本原理

根据香农定理，带限加性高速白噪声(AWGN)信道容量C可表示为：

(1)

式中，M表示系统独立信道数量，B表示系统传输带宽，PS表示接收端信号功率，PN表示接收端噪声功率。一般的，式(1)也可以用频谱效率SE(bit/s/Hz)的形式来表示：

C=M·B·SE。

(2)

由式(2)可知，提升系统传输容量可以通过如下途径实现[11]：

① 增加独立信道个数：如采用极化复用、空分复用等方式；

② 增加系统带宽：频段越高，系统可用带宽越宽，但是随着频段的升高，大气损耗、雨衰等更加严重，将会大大影响系统传输性能；

③ 采用频谱效率更高的信号传输方式：如采用16QAM、16APSK、32QAM、64QAM等高阶调制方式，但是随着调制阶数的升高，其解调门限也逐渐升高，需要通过增加发射功率等方式来保证系统的链路余量。

基于空分复用的MIMO通信系统的核心思想是空时信号处理，即在传统通信的时间维度上，通过收发两端均使用多路天线配置，来增加空间维度信息，利用多根天线所带来的多条独立传输路径来获得空间复用增益。与传统的通信系统相比，基于空分复用的MIMO通信系统在利用频率、相位、时间等通信系统资源的同时，还充分利用空间资源，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，其工作示意图如图1所示。图中，Nt为发射天线个数，Nr为接收天线个数。理论上，如果天线的空间和成本与射频通道不受限制，系统就能提供无限大的容量，这也是基于空分复用的高通量MIMO通信系统充分利用了空间维度的结果。

图1 MIMO系统传输示意图Fig.1 Schematic diagram of MIMO system transmission

1.2 空分复用星地高通量传输总体方案

完整的卫星MIMO系统包含卫星、地面站两部分。为构成星地MIMO系统，需要在一颗卫星上配置多根发射天线，在地面通过布置多个地面接收天线实现对发射信号的接收，系统视图如图2所示，其中①～④表示4根信号发射天线。基于成熟的毫米波技术、高阶调制技术以及MIMO空分复用技术，在卫星上搭载4根Ka频段高效率毫米波天线，与4个地面接收站构成一个4×4的MIMO天线，通过16QAM高阶调制，在5 GHz带宽条件下可实现40 Gbit/s的高速数据传输能力。如果再利用天线分极能力，可以实现更高速率的数据传输通信能力。

图2 空分复用星地高通量数据传输工作示意图Fig.2 Schematic diagram of space division multiplexing satellite-to-ground high-throughput data transmission

由于系统需要在单星上布置4个独立的Ka频段天线，考虑到星上承载能力，在系统设计时应充分考虑系统的体积、质量、功耗等指标要求。同时，由于系统采用4根发射天线与4根接收天线来达到空分复用的目的，要实现空间信号的独立信道传播，必须满足瑞利距准则，即空间传输距离应小于等于瑞利距。因此，在系统设计时，应统筹考虑射频信号波长、发射/接收天线数量、发射和接收天线间间距等设计指标。

1.3 设备组成

基于空分复用的星地高通量传输链路设备组成(下行链路)逻辑框图如图3所示，由星载数据分发、高速高阶实时调制处理、星载发射信道、星载发射天线、地面接收天线、地面接收信道以及地面高通量MIMO信号处理等逻辑模块组成。

图3 空分复用高通量设备组成逻辑框图(下行链路)Fig.3 Logical block diagram of space division multiplexing high-throughput equipment (downlink)

星载端，星载数据分发模块首先将原始数据流并行4路送入星载高速高阶实时调制信号处理模块，星载高速高阶实时调制信号处理模块完成4路原始数据的高阶调制、星座映射、自适应编码、数字预失真处理及高速DA，送入星载发射信道模块；星载发射信道模块对接收到的4路基带调制信号进行上变频，变换到Ka波段，再经过Ka波段模拟预失真后送至Ka波段功放模块进行功率放大，经射频滤波后送至Ka波段发射天线进行空间无线发射。

地面接收信道分系统接收到空间传播的4路射频信号后，经射频滤波送至4路下变频模块进行下变频，完成下变频的4路基带信号送至地面高通量MIMO信号处理模块。

地面基带信号处理模块对接收到的模拟复基带信号进行10 GHz的高速AD采样，将采样后的数字信号送入4路基带信号处理模块进行数字抗混叠滤波、符号同步及载波频率补偿校正等处理。处理后的数据信息送入MIMO信号分离模块，完成对接收到的4路空分复用信号解复用、宽带信道均衡、高速解调等处理。再经高速译码输出模块进行信号译码，同时输出至数据整合模块，完成信号的接收处理[12-13]。

考虑当前器件限制，系统主要参数可按表1进行设计。

表1 系统主要参数设计

2 空分复用星地高通量数据传输帧格式

对于星地高通量空分复用数据传输，需要考虑的问题很多，包括多普勒频率动态、空间信号接收幅度动态、空分解复用、空间宽带信道变化等多种因素[14-15]，但核心问题在于当前芯片的处理能力。按表1涉及参数，每一路的数据传输速率是10 Gbit/s，采用16QAM调制后的符号速率为2.5 GBaud，调制符号的持续时间为Ts= 0.4 ns。对如此高数据流的数据进行各种处理，需要平衡各方面的因素，通过合理设计，实现芯片处理能力、计算复杂性、计算能力的均衡[16]。为此，对空分复用星地高通量数据传输进行帧格式设计，通过发送端合理的帧格式设计，实现接收端的最简最优计算。

系统帧格式如图4所示，信号帧由符号同步序列加数据段组成，按4路同步发射。

图4 系统帧格式Fig.4 System frame format

图4中，符号同步序列主要用于接收端对该帧数据进行频偏估计、符号同步等处理，按式(3)进行计算。其中R(n)的峰值为最佳符号采样点处，而收发之间的频差可由峰值的I、Q信息计算得出，其中r表示接收信号，UW表示本地符号同步序列序列。

(3)

该部分为流式数据，主要运算为相关匹配滤波，计算相对固定，故可方便地采用现场可编程器件(FPGA)进行并行处理。

3 毫米波LOS MIMO信道空时均衡

星地空分复用高速传输技术与地面基站间的空分复用技术有较大区别。地面环境通常较为复杂，电磁波在传播过程中会频繁散射折射，所以接收阵列将接收到大量多径信号。得益于这些丰富的多径信号，使得MIMO信道之间互相独立，确保了空间多数据流的并行传输。但是卫星与地面天线之间的空间属于自由空间，电磁波传播几乎不发生散射，地面天线接收的是卫星直射信号，这种不依赖多径信号的空分复用技术被称为视距MIMO(Line-of-sight MIMO，LOS MIMO)。图5为LOS MIMO一种比较典型的工作模式。

图5 4×4规模LOS MIMO系统解复用示意图Fig.5 Schematic diagram of demultiplexing of 4×4 scale LOS MIMO system

3.1 LOS MIMO信道特征及阵列设计

为了保证信道之间的正交性，LOS MIMO的收发阵列有严格的设计准则。图5为收发为互相平行的均匀线性阵列，收发阵列之间的直线距离为D，发射阵列中单元间距为dt，接收阵列中单元间距为dr。为了研究的直观性和便利性，先把问题简化为平坦衰落信道，此时，信道矩阵建模为：

基于有限元及试验的发动机飞轮模态分 析 ……………………………………… 孟德健，张伯俊，董晓伟（32）

(4)

(5)

式中，σ为常数。若系统的信道特征严格满足式(5)，则发射天线互相之间不干扰，此时系统具有最大通信容量。本文后续使用射线追踪的方法分析均匀线性天线阵列的最优设计。

(6)

则天线i和j之间的距离表达为:

(7)

式中，当阵列间的距离D远远大于阵列中的元素间距dt和dr时，约等号成立。对于平坦衰落的信道，天线i，j之间的信道参数为：

(8)

式(8)考虑平坦衰落情况下的信道增益，再把星地数传的信道频选特性考虑进去，则可得到实际中的LOS MIMO信道为：

(9)

(10)

由式(5)可知，当信道间满足正交性时，LOS信道矩阵的不同列内积必为0，即

(11)

对式(11)化简最终得到关系为:

(12)

式中，Nr=4。由此可见，LOS MIMO信道的正交性完全由收发天线阵元的间隔、收发天线阵列之间的距离以及载波频率完全确定，对于一个确定的载波λ，选择合理的间隔dr和dr，完全可以使LOS MIMO系统的容量最大化。

3.2 训练序列

图6所示为拟采用的传输帧结构，包括独特字UW和负载数据DATA两部分。均衡算法在时域执行，为了保证时域卷积的闭合性，在负载数据DATA之间循环插入两块独特字。此处的独特字UW主要起到两个作用：① 与循环前缀CP功能相似，可以起到保护间隔的作用，防止帧与帧之间在时域上互相干扰；② 由于UW细节已知，可以作为寻列序列，用以估计均衡器的系数。Chu序列具有平稳的频率响应和很好的相关特性，比较适合用于信道和均衡器参数的估计，其生成方式如式(13)，其中的n为1～N之间的整数，最好取为质数，按式(13)生成的Chu序列在复平面的分布如图7所示。

(13)

图6 训练序列(UW)插入方式Fig.6 Training sequence (UW) insertion method

图7 时域Chu序列在复平面的分布Fig.7 Distribution of a time-domain Chu sequence in the complex plane

3.3 空时均衡器

MIMO空间解复用及宽带信道均衡器可以混合在一起进行，本质上是FIR形式横型滤波器，对于4×4的系统其一般形式可以表达为：

(14)

(1) 信道参数估计阶段

将式(14)用矩阵形式表达为：

Xt=YWt,

(15)

式中，Xt为发射天线t发射的UW序列，Y为4根接收天线收到的UW信号，由于循环插入两块独特字UW，所以Y是一个循环矩阵，而Wt为针对发射天线t的均衡器系数，三者具体形式如式(16)～(18)所示，其中N为单块UW的长度，L为抽头数。

(16)

(17)

(18)

信道参数估计阶段Xt和Y均为已知量，基于最小均方差准则的均衡器系数估计为：

(19)

(2) 信号恢复阶段

图8 4×4 MIMO均衡器的结构Fig.8 Equalizer structure of 4×4 MIMO

4 仿真分析

为了验证系统的有效性，对4×4规模的LOS MIMO系统架构及关键算法进行了仿真验证。收发天线阵列之间距离D= 8.0 km，天线阵元间距为dt= 10 m，dr= 10 m。系统调制解调方式为16QAM，单根天线符号速率为2.5 GBaud，训练序列长度为128，数据区长度为16 384。空时均衡器的阶数取为L= 16。

4.1 构造LOS MIMO信道

首先构造LOS MIMO信道矩阵对4组输入信号进行空时叠加。LOS信道由两部分组成，一部分是具有频选特性的大气信道HRF，如图9所示；另一部分是基于收发端天线阵列几何结构特征的复增益Hg，如式(20)。HRF会使信号出现时域串扰，Hg则会使来自不同发射天线的信号混叠起来。

(20)

图9 大气信道频域响应HRFFig.9 Frequency domain response HRF of the atmospheric channel

4.2 均衡结果

图10为接收端未空间解复用、均衡前直接接收到的信号星座图，图11为空间解复用及均衡后输出的信号星座图，图中Eb/N0= 20 dB。图12为Eb/N0等于2～20 dB时的BER曲线。

(a) 天线1接收信号星座图

(b) 天线2接收信号星座图

(a) 天线1恢复信号星座图

(b) 天线2恢复信号星座图

(c) 天线3恢复信号星座图

(d) 天线4恢复信号星座图图11 空间解复用及均衡后输出的信号星座图(Eb/N0 = 20 dB)Fig.11 Constellation diagram after spatial demultiplexing and equalization (Eb/N0 = 20 dB)

图12 仿真Eb/N0-BER变化曲线Fig.12 Simulation curve of Eb/N0 -BER

5 结束语

根据国家战略发展规划，卫星宽带已经成为与水电路同等重要的基础设施。随着卫星互联网、高通量卫星技术的发展，星地高速数据传输速率需求已远超Gbit/s量级。现有的星地微波传输通信系统，受制于频率资源、天线口径、器件能力、计算能力等多方面的制约，最高传输速率约为600 Mbit/s～2 Gbit/s，远不能满足未来星地高速数据传输需求。为满足未来星地高通量数据传输需求，本文给出了一种在频率、器件、计算等资源条件受限情况下，采用空分复用并行传输方案，在5 GHz带宽条件下，可实现星地40 Gbit/s的高速数据传输方案，并给出了仿真实验结果。该方案可为天地一体化、卫星互联网、B5G/6G空天地网络等方面的建设提供有力参考。