衛(wèi)星地面無線通信增強(qiáng)技術(shù)分析

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摘要：隨著科技不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐漸優(yōu)化完善，由于具有通信距離遠(yuǎn)、無地域限制以及覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在社會(huì)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都備受關(guān)注。目前，衛(wèi)星通信技術(shù)的需求逐步提高，相應(yīng)的業(yè)務(wù)也不斷開展，面向高傳輸速率、大容量進(jìn)行研究?；诖?，本文對(duì)衛(wèi)星地面無線通信加以研究，對(duì)衛(wèi)星地面無線通信增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；技術(shù)增強(qiáng)；無線通信

目前，衛(wèi)星通信正朝著更大帶寬、更高速率方向發(fā)展。與地面通信網(wǎng)絡(luò)形成無縫覆蓋的信息交換網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)、空間分系統(tǒng)和通信地球站4個(gè)部分。現(xiàn)階段，為了推動(dòng)通信領(lǐng)域的進(jìn)步發(fā)展，有必要探究衛(wèi)星通信應(yīng)用地面無線通信的技術(shù)優(yōu)勢，研究增強(qiáng)星地?zé)o線通信系統(tǒng)性能的方法——構(gòu)建星地MIMO鏈路。

1衛(wèi)星地面無線通信概述

衛(wèi)星通信主要是通過無線電波的傳輸來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的收發(fā)和傳輸，進(jìn)而滿足人們的日常移動(dòng)通信要求的一種技術(shù)。簡單來說就是地球上的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括通信和保障通信的全部設(shè)備。通信設(shè)備主要是依據(jù)空間分系統(tǒng)和通信地球站來實(shí)現(xiàn)工作的，保障通信的設(shè)備則主要是由跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)運(yùn)行的。衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、可靠性高、不受復(fù)雜地理?xiàng)l件的限制、多址通信以及通信范圍大等特點(diǎn)。其中，靜止地球軌道衛(wèi)星覆蓋了整個(gè)地球。在空中起到中繼站的作用，可以把地球站發(fā)來的電磁波進(jìn)行放大再反送回去。移動(dòng)衛(wèi)星通信同樣覆蓋全球，由48顆衛(wèi)星組成。地面無線通信系統(tǒng)將無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于油田現(xiàn)場施工，各個(gè)部件之間均采用ISM頻段無線通信，并且為后續(xù)擴(kuò)展預(yù)留了豐富的資源。其具有布線時(shí)間短、易于通過防爆認(rèn)證所需要求等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中有不同形式及類別的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，按照業(yè)務(wù)可以分為衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信以及衛(wèi)星直接廣播。衛(wèi)星移動(dòng)通信是現(xiàn)階段最為常見的一種能夠應(yīng)用于移動(dòng)用戶通信要求的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅能夠滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)的相關(guān)需求，還能夠?qū)⑿l(wèi)星作為中繼站支持衛(wèi)星信號(hào)的運(yùn)行和通信。

2星地移動(dòng)通信特點(diǎn)及容量理論

2.1星地移動(dòng)通信特點(diǎn)

移動(dòng)通信的特點(diǎn)，第一，移動(dòng)通信是有線、無線相結(jié)合的通信方式；第二，電波傳播條件惡劣，存在嚴(yán)重的多徑衰落；第三，強(qiáng)干擾條件下工作；第四，具有多普勒效應(yīng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體達(dá)到一定速度時(shí)，固定點(diǎn)接收到的載波頻段將隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的不同產(chǎn)生不同的頻率偏移，通常把這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)；第五，存在陰影區(qū)（盲區(qū)）；第六，用戶經(jīng)常移動(dòng)，與基站無固定聯(lián)系。

2.2星地移動(dòng)通信信道特征

通信信道最早應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)傳輸，在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用時(shí)可以分為物理信道和邏輯信道。物理信道主要是通過直接進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸來滿足計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信要求，其在應(yīng)用過程中主要通過傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備來發(fā)揮作用；邏輯信道則是對(duì)物理信道的優(yōu)化和創(chuàng)新，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物理信道的全部功能，還能夠借助中間結(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送和接收。通信信道可以是以下傳輸設(shè)備中的一個(gè)，同時(shí)也可以是幾個(gè)的組合，例如電話線路、電報(bào)線路、衛(wèi)星、微波、光纖以及同軸電纜。移動(dòng)通信的信道是所有通信信道運(yùn)行環(huán)境中最為復(fù)雜的一種，在移動(dòng)通信的信道運(yùn)行過程中，多徑衰落和復(fù)雜惡劣的電波環(huán)境不僅會(huì)加大移動(dòng)通信信號(hào)的傳輸難度，還會(huì)影響通信的質(zhì)量。在典型的城市環(huán)境中，一輛快速行駛的車輛上的移動(dòng)臺(tái)所接收到的無線電信號(hào)在1s之內(nèi)的顯著衰落能夠達(dá)到10次，衰落的深度也能夠達(dá)到20~30dB。這種衰落現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重降低接收信號(hào)的質(zhì)量，從而影響通信的可靠性。針對(duì)這種情況，現(xiàn)階段比較常見的應(yīng)用于移動(dòng)通信技術(shù)中的抗摔落技術(shù)以分集接收技術(shù)和糾錯(cuò)編碼技術(shù)為主。這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)減少衰落對(duì)移動(dòng)通信正常運(yùn)行的影響具有重要的作用.

3星地移動(dòng)系統(tǒng)MIMO信道建模

3.1地面無線通信中分集技術(shù)

分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，通常通過兩個(gè)或更多的接收天線來實(shí)現(xiàn)。在移動(dòng)通信中，基站和移動(dòng)臺(tái)的接收機(jī)都可以采用分集技術(shù)。分集技術(shù)主要是通過將應(yīng)用無線電波傳輸?shù)男l(wèi)星信號(hào)集中接收之后，再將其分散傳輸?shù)倪^程。在應(yīng)用分集技術(shù)的過程中，由于不同的信道傳輸?shù)男l(wèi)星信號(hào)和傳輸特性存在一定的區(qū)別，因而產(chǎn)生的衰落情況也有一定的差異。分集技術(shù)在模擬電路和數(shù)字電路中有所體現(xiàn)，主要表現(xiàn)為增加信噪比、降低誤碼率。在有較大噪聲、信道情況不佳時(shí)，一般通過加強(qiáng)發(fā)射機(jī)功率確保鏈路的運(yùn)行正常。然而，接收設(shè)備功率經(jīng)常受到限制，且形成電磁干擾。因此，可以采用空間分集的方法保證鏈路運(yùn)行。其中，接收分集是在無線通信系統(tǒng)發(fā)射部位使用單根天線（見圖1），接收部位使用多根天線接收數(shù)據(jù)流副本，再對(duì)其進(jìn)行組合進(jìn)而增強(qiáng)信號(hào)的接收強(qiáng)度。在接收端接收不同副本信號(hào)并進(jìn)行不同形式合并，以此獲取的接收信噪比會(huì)有很大程度的提升。分集合并目前存在3種方法：第一，最大比值合并在接收端設(shè)有n個(gè)分集支路，信號(hào)較強(qiáng)的支路對(duì)應(yīng)加權(quán)也就越大，信號(hào)較弱支路加權(quán)越小。第二，等增益合并。這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中只校正信道的相位偏移情況，不會(huì)對(duì)偏移的幅度大小進(jìn)行校正。第三，選擇式合并。使用該技術(shù)時(shí)，N個(gè)接收機(jī)輸出信號(hào)送入選擇邏輯，再從中選出具有高基帶信噪比的信號(hào)作為輸出。在實(shí)際應(yīng)用過程中，信噪比不易測量，用（S+N）/N為參考。

3.2地面無線系統(tǒng)信道容量

近年來，無線通信隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展在社會(huì)的發(fā)展過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。無線通信在實(shí)際應(yīng)用的過程中會(huì)受到無線信道的限制而影響質(zhì)量和效率。對(duì)于現(xiàn)階段越來越快的無線網(wǎng)絡(luò)和信息數(shù)據(jù)傳輸要求，無線通信的這種缺陷會(huì)對(duì)無線通信市場的發(fā)展產(chǎn)生一定的阻礙。通過信息論研究可以說明，在無線通信中使用多輸入多輸出技術(shù)能夠明顯加大通信的容量，除此之外，這種技術(shù)在應(yīng)用的過程中還能對(duì)現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)存在的性能缺陷進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于無線通信在實(shí)際應(yīng)用過程中不可避免的衰落環(huán)境來說，應(yīng)用這種技術(shù)能夠使無線信道的衰落系統(tǒng)始終處于變化的過程。因此，系統(tǒng)容量也會(huì)成為一個(gè)隨機(jī)變量。MIMO系統(tǒng)在衰落環(huán)境中信道容量為：

3.3影響星地移動(dòng)信道建模的因素

3.3.1多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是針對(duì)物體在運(yùn)動(dòng)過程中的輻射波長變化而導(dǎo)致波源、波長、波的運(yùn)動(dòng)頻率等因素存在一定數(shù)量變化關(guān)系的物理現(xiàn)象。在衛(wèi)星無線通信系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，無線電波的變化可以應(yīng)用多普勒效應(yīng)來進(jìn)行解釋。從這方面來說，由于前面在分析衛(wèi)星無線通信系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)影響無線電波和衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)乃ヂ洵h(huán)境，在建立衛(wèi)星地面移動(dòng)信道模型的過程中也要考慮多普勒效應(yīng)對(duì)這種衰落環(huán)境以及受到衰落環(huán)境影響的無線電波和衛(wèi)星信號(hào)會(huì)產(chǎn)生的影響。具體來說，由于衛(wèi)星地面移動(dòng)信道本身就是為地面通信需求建立的，在建立衛(wèi)星地面移動(dòng)信道模型的過程中，不僅要考慮波源的位置和速度，還要對(duì)波源的運(yùn)動(dòng)頻率進(jìn)行及時(shí)的檢測和計(jì)算。在衛(wèi)星地面移動(dòng)信道模型中，移動(dòng)臺(tái)可以被看作正處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波源，基站則是波源在運(yùn)動(dòng)過程中的相對(duì)參照物，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)靠近基站時(shí)，波源的運(yùn)動(dòng)頻率就會(huì)變高。波源運(yùn)動(dòng)頻率的變化又會(huì)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。3.3.2時(shí)間相關(guān)性時(shí)間相關(guān)性又被稱為幀間相關(guān)性。時(shí)間序列的自相關(guān)性可以理解為時(shí)間序列自己與自己（不同滯后項(xiàng)）之間的相關(guān)性，有時(shí)需要研究不同時(shí)間序列之間的相關(guān)性。在信道建模過程中，時(shí)間相關(guān)性對(duì)其有直接影響。

4結(jié)束語

綜上所述，構(gòu)建星地MIMO鏈路是增強(qiáng)星地?zé)o線通信系統(tǒng)性能的方法之一。在研究星地移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)、特征以及相關(guān)典型模型的基礎(chǔ)上，通過研究影響星地移動(dòng)信道建模的因素、LMS系統(tǒng)MIMO信道以及地面無線系統(tǒng)信道容量等內(nèi)容進(jìn)行MIMO信道建模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地面無線通信增強(qiáng)。

作者：姚鵬 王俊峰 杜吉慶 單位：南京熊貓漢達(dá)科技有限公司