協作通信技術在衛星移動通信中的應用*

李國彥，張合慶

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191)

0 引言

衛星移動通信以其覆蓋范圍大、受地理條件限制小、容量大等特點，成為全球通信網絡中不可或缺的有效信息傳輸手段，在民用、軍用衛星通信領域發揮著越來越重要的作用。然而，衛星移動通信信道是典型的時變衰落信道，其存在的多徑效應、多普勒效應和陰影效應嚴重影響信號傳輸的可靠性，嚴重時可能導致通信中斷。因此，需要采用有效的通信技術以保證一定的通信服務質量。

協作通信技術利用不同節點間的相互協作，可以引入空間分集優勢，能夠有效對抗信道衰落，提高通信質量。各協作節點在發送自己信息的同時也共享自身的天線、功率等資源來協助其他的節點傳輸信息，這樣就可以形成一種虛擬的多入、多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信系統，從而可以利用MIMO技術的優勢來改善協作系統的傳輸性能。因此，協作通信技術作為一種新的通信方式，將能夠為衛星移動通信系統帶來顯著的性能增益，不僅能夠提供空間分集增益，對抗多徑、陰影衰落引起的系統接收誤碼率、中斷概率增大的影響，同時能夠有效挖掘協作節點的信息處理能力，提高網絡吞吐量［1－3］。

協作通信技術在地面無線通信系統中的應用研究成果較為豐富［4－5］，然而在衛星移動通信系統中的應用研究成果相對較少，目前還處于起步階段。文獻［6］分析了協作通信技術在衛星移動通信中的適用性，給出了一個簡單的衛星協作移動通信模型及相應的協作分集實現方案，并與Globalstar系統中的多衛星接收分集、MIMO分集進行了分析對比，得出結論:在衛星移動通信系統中，使用協作分集技術可以有效改善系統的性能，同時系統的硬件只需較少改動。文獻［7］對采用放大轉發(Amplify－and－Forward，AF)協議的三節點衛星協作傳輸系統進行了性能分析，給出了系統符號差錯概率的解析表達式及分集階數。文獻［8］對采用譯碼轉發(Decode－and－Forward，DF)協議的三節點衛星協作傳輸系統進行了性能分析，給出了系統中斷概率的解析表達式，同時分析了衛星仰角對系統性能的影響。

總體來說，協作通信技術在衛星移動通信領域的研究正在逐步開展和深入，如何利用該技術推動衛星移動通信系統的發展亟待研究。

1 協作通信技術

協作通信技術的原理如圖1所示，源節點S在協作節點R的幫助下將信息發送到目的節點D。源節點S到目的節點D的信息傳輸由兩個階段完成:在第一個階段，源節點S發送信息，協作節點R和目的節點D接收源節點信息;在第二個階段，協作節點R將接收到的源節點信息經某種轉發方式(放大轉發、譯碼轉發、編碼協作)處理后再發送到目的節點D，目的節點D將接收到的第一、第二階段的信號通過某種方式進行合并(最大比合并、等增益合并、選擇合并)后檢測。

圖1 協作通信原理Fig.1 Principle of cooperative communication

2 衛星協作通信技術

衛星移動通信系統的饋電鏈路中，地面站能力較強，其信道特性相對較好，因此，通常只考慮用戶鏈路進行協作傳輸的情況。圖2給出了一星兩用戶協作傳輸的系統模型。

圖2 衛星協作傳輸模型Fig.2 Model of satellite cooperative transmission

對于圖2所示的一星兩用戶協作傳輸系統，在上行鏈路傳輸過程中，協作節點首先將接收到的源節點信號進行相應處理(放大、譯碼、編碼)后再轉發到衛星，衛星將源節點、協作節點的信號進行合并后發送到信關站。在下行鏈路傳輸過程中，協作節點首先將接收到的源節點(衛星)信號進行處理(放大、譯碼、編碼)后再發送到目的節點，目的節點將接收到的源節點、協作節點的信號進行合并后檢測。

目前，研究者多是基于三節點的衛星協作傳輸模型展開研究［6－9］，取得了一些研究成果，但仍有不少問題需要進一步深入研究。

3 衛星多節點協作傳輸

在衛星多節點協作傳輸系統中，所有節點都參與協作傳輸，衛星下行鏈路多節點協作傳輸的系統模型如圖3所示。

圖3 衛星下行鏈路多節點協作傳輸Fig.3 Downlink multi－ relay cooperative transmission in satellite mobile communication

在圖3所示的衛星多節點協作傳輸系統中，源節點S的發送信號可以經多個協作節點Ri(i=1，2，…，M)轉發到目的節點D。由于協作節點在地域上的分散，經不同協作節點轉發到目的節點的信號可以認為是獨立的，因此，對這些信息進行合并后檢測可以有效提高目的節點的接收性能。

假設參與協作傳輸的節點數為M，在第1個時隙，源節點S發送信息，各個協作節點Ri(i=1，2，…，M)和目的節點D接收源節點信息;在接下來的M個時隙內，各個協作節點將第1個時隙接收到的源節點信號經放大處理后再發送到目的節點D，目的節點采用最大比合并(Maximal Ratio Combing，MRC)方式合并各路接收信號，其接收信噪比γ可以表示為:

式(1)中，γsd為 S→D 鏈路的信噪比，γsri為 S→Ri鏈路的信噪比，γrid為Ri→D鏈路的信噪比。

圖4給出了二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調制，參與協作傳輸的節點數M=1、2、3的情況下，衛星協作傳輸系統與直接傳輸系統的差錯性能對比。

由圖4可以看出，與直接傳輸系統相比，在衛星移動通信系統中采用協作傳輸可以有效改善系統的傳輸性能。隨著參與協作傳輸的節點數的增加，系統的差錯性能得到明顯改善。這也意味著，系統可以提供更多的鏈路余量來抵抗信道衰落的影響。

圖4 衛星多節點協作傳輸與直接傳輸的差錯性能對比Fig.4 SER comparison of the multi－ relay cooperative transmission and direct transmission

然而，由于采用了正交傳輸，系統的頻譜效率隨著參與協作傳輸的節點數的增加有所降低。因此，在多節點協作傳輸系統中，如何選擇合適的協作節點數，使得系統的差錯性能與有效性能達到良好的折中是需要進一步研究的問題。

4 衛星協作節點選擇

針對多節點衛星協作傳輸系統中由于參與協作傳輸節點數的增加而導致的系統頻譜效率下降問題，衛星協作節點選擇技術通過選擇信道條件較好的節點參與協作傳輸，合理利用系統資源，可以有效改善系統的頻譜效率性能。此外，在衛星移動通信系統中，由于協作節點的移動，不同節點對應的信道衰落不同，這也意味著選擇不同的協作節點將會導致不同的系統傳輸性能。衛星協作節點選擇的系統模型如圖5所示。

圖5 衛星協作節點選擇系統模型Fig.5 System model of the satellite relay selection

在如圖5所示的衛星協作節點選擇傳輸系統中，下行的信息傳輸由兩個時隙完成。第1個時隙的數據傳輸過程與前述的衛星多節點協作傳輸系統類似;在第2個時隙，僅由目的節點選出的協作節點參與數據的處理與轉發，其它協作節點則進入空閑狀態。可以看出，協作節點選擇技術通過選擇最佳的節點參與協作傳輸，可以減少對通信資源的消耗。這種情況下，目的節點的接收信噪比γ可以表示為:

在系統總功率一定，參與協作傳輸的節點間采用等功率分配，圖6給出了協作節點數M=3的情況下，衛星協作節點選擇與直接傳輸、多節點協作傳輸系統的差錯性能對比。

圖6 衛星協作節點選擇系統的差錯性能(M=3)Fig.6 SER of the satellite relay selection system

圖6中最下面的曲線為采用協作節點選擇技術后的系統差錯性能。由圖6可以看出，與直接傳輸系統相比，采用協作節點選擇技術可以有效改善衛星移動通信系統的傳輸性能。同時，與多節點協作傳輸相比，協作節點選擇技術可以進一步提升系統的差錯性能。例如，在誤碼率(Symbol Error Rate，SER)為10－5時，協作節點選擇相對于3個節點參與協作傳輸的方案能夠獲得約2dB的性能增益。

在實際的衛星移動協作無線傳輸系統中，由于受到傳輸距離、地形、建筑物遮擋、節點移動性等因素的影響，協作節點間的信道衰落不同，這意味著根據信道衰落特性在參與協作傳輸的節點間進行優化功率分配可以改善系統的傳輸性能，同時，優化的功率分配可以減小協作節點的能耗，延長協作節點的使用壽命。因此，針對衛星移動協作無線傳輸系統，如何優化分配系統的功率等資源，以進一步提升衛星協作傳輸系統的性能是需要進一步研究的問題。

5 衛星混合協作傳輸

在衛星協作無線傳輸系統中，協作節點可工作于AF或DF模式，相對于DF協作傳輸，AF方式不需要協作節點進行信號解調、譯碼等處理，實現較簡單，能夠降低協作節點的信號處理復雜度。然而，協作節點在放大有用信號的同時也會對源節點到協作節點的信道中引入的噪聲進行放大，因此AF方式存在噪聲放大效應。而對于DF方式，在協作節點正確譯碼的情況下，系統能夠獲得較好的性能，然而在協作節點譯碼出現錯誤的情況下，會出現錯誤傳播效應，從而影響到系統的分集效果。因此，將AF方式和DF方式相結合，協作節點根據其譯碼結果來決定是采用AF方式還是DF方式進行協作傳輸，若正確譯碼，則采用DF方式，否則，采用AF方式，以充分利用兩種方式的優勢，提升系統的傳輸性能。混合協作傳輸的衛星移動通信系統模型如圖7所示。

圖7 衛星混合協作傳輸系統模型Fig.7 System model of the satellite hybrid cooperative transmission

在如圖7所示的衛星混合協作傳輸系統中，信息傳輸通過兩個時隙完成:在第一個時隙，源節點S發送信息，協作節點R和目的節點D接收源節點的信息;在第二個時隙，協作節點R根據譯碼情況采用AF或DF方式轉發接收到的源節點信息到目的節點，目的節點對兩個時隙的接收信號進行合并后檢測。這種情況下，目的節點的接收信噪比γ可以表示為:

在系統總功率一定，協作節點間采用等功率分配的情況下，圖8給出了衛星混合協作傳輸系統與其它協作傳輸系統及直接傳輸的差錯性能對比。

圖8 衛星混合協作傳輸系統的差錯性能Fig.8 SER of the satellite hybrid cooperative transmission system

由圖8可以看出，相對于AF和DF協作傳輸，混合協作傳輸能夠獲得最好的差錯性能。在SER為10－4時，混合協作傳輸相對于AF協作傳輸方式能夠獲得約1dB的性能增益。此外，還可以結合多節點協作傳輸、功率等資源的優化分配來進一步改善衛星混合協作傳輸系統的性能。

6 結語

協作通信技術在地面無線通信中的應用已得到廣泛研究，取得了大量研究成果，顯示了該技術在提升系統性能方面的優勢，而在衛星移動通信領域中的研究起步較晚，研究成果較少，因此具有較大的發展空間。本文提出了協作通信技術在衛星移動通信中的一些應用思路及方式，給出了相應的仿真結果與分析，并對后續可研究的一些問題進行了探討。該技術的引入，將對衛星移動通信的發展產生較大影響，為提高系統的傳輸性能提供很好的解決思路。

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