MIMO技術在衛星通信系統中的應用

李 鍇

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

MIMO技術在衛星通信系統中的應用

李 鍇

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

針對衛星通信系統的特點，提出MIMO技術在單衛星和多衛星場景下的應用。首先分析了MIMO衛星通信系統在采用再生轉發和透明轉發情況下的系統容量，隨后對單衛星及多衛星系統分別提出了采用正交分組碼及其分布式改進形式的MIMO系統方案，最后對影響MIMO衛星通信系統的因素進行討論。相比點對點衛星通信系統，MIMO衛星通信系統能夠大大提高系統容量和頻譜利用率。設計將正交分組碼及其分布式改進形式在單衛星及多衛星系統中進行應用，MIMO衛星通信系統的性能將獲得進一步的提升。

MIMO；衛星通信；正交分組碼

在當前的信息化社會中，由于衛星通信具有覆蓋范圍大、受地理條件限制小、頻帶寬、容量大、機動靈活等特點，因而成為全球通信網絡中不可或缺的有效信息傳輸手段。隨著社會經濟的發展，民用與軍事衛星通信應用愈加廣泛，高速高質量的數據傳輸需求也更加迫切，這就對衛星通信系統的傳輸帶寬提出了更高的要求。

1 MIMO技術

我們可以簡單地將MIMO通信系統定義為，在發射端和接收端分別采用多個天線的通信系統。利用MIMO技術可以提高網絡的容量、鏈路性能以及覆蓋面積，給網絡運營商帶來巨大的收益。MIMO技術的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結合起來進行信號處理。該技術的關鍵是能夠將傳統通信系統中存在的多徑影響因素轉變成對用戶通信性能有利的增強因素。

2 MIMO信道理論

2.1信道模型

在一個點對點的MIMO系統中，假設配置N根發射天線和M根接收天線，用離散時間描述復基帶線性系統模型，平坦瑞利衰落條件系統模型表達式為

其中發射信號表示為s=[s1，s2，…，sN]T；接收信號表示為y=[y1，y2，…，yM]T；H∈CM×N為信道矩陣，其第i行第j列上的元素hij表示從第j根發送天線到第i根接收天線之間的信道增益，包含服從對數正態分布的大尺度衰落以及服從瑞利分布的小尺度衰落2部分的影響；n∈CM×1為接收端的復加性高斯白噪聲，服從均值為0，方差為σ2的正態分布Nc(0，σ2)。在衛星通信系統中，將由地面發送端到衛星接收端的上行信道記為Hu，由衛星發送端到地面接收端的下行信道記為Hd。在文中以下的分析中，大寫粗體字母表示矩陣，小寫粗斜體字母表示向量，小寫字母表示元素，C表示復數集合。

2.2信道容量

2.2.1再生處理轉發

當衛星采用再生處理轉發時，系統的上行和下行可以視為2個不同的點對點通信鏈路，具有不同的信道容量。整個系統的容量由其中較小的信道容量所決定，上下行的容量優化可以獨立分別考慮。由對MIMO系統容量的推導得到再生轉發MIMO衛星系統的信道容量為

H為上行或下行信道矩陣，(·)H表示共軛轉置，RH表示信道矩陣的秩(RH≤min(N，M))，I是單位矩陣，γ為系統上行或下行平均信噪比。當各天線之間信道互不相關時，信道矩陣為正交矩陣，將信道矩陣進行SVD分解后得到的對角線上各行的奇異值為λi，i∈{1，…，min(M，N)}，經推導可得信道容量為

對比單天線點對點系統的香農容量公式，可見MIMO系統在最優情況下能夠使系統容量隨天線數目線性增長。

2.2.2透明轉發

假設上行地面站配置N根發射天線，衛星上配置M根接收天線以及M根發射天線，接收地面站配置P根接收天線，根據推導，當上下行信道矩陣分別為Hu∈CM×N和Hd∈CP×M時，為描述方便，假設M≤N，M≤P，則MIMO信道容量可以計算為

3 MIMO技術應用

3.1單衛星場景

在一顆衛星上配置多個天線或者利用單天線的不同極化，單衛星可與多個地面站組成MIMO通信系統，如圖1所示。圖中dT，u和dT，d分別為上行地面站之間的距離和下行地面站之間的距離，dS，u和dS，d分別為衛星接收天線之間的距離和發送天線之間的距離。在單衛星場景下，由于天線之間的距離較近，若要獲得較大的系統容量，發送或接收的多個地面站之間的距離則應相距較遠，因此需要通過地面網絡連接進行MIMO數據的發送與接收處理。

圖1　單衛星MIMO系統

3.2多衛星場景

在單顆衛星MIMO系統中，要得到較好的MIMO信道，接收天線的距離需相隔較遠，并且在衛星上配置多天線需解決硬件復雜度問題。因此當接收多天線放置距離較近，如船載、機載應用時，可以采用已有衛星系統，通過多顆衛星組成MIMO衛星通信系統。

4 影響系統性能的因素

通過對MIMO信道容量的分析可知，信道矩陣的正交性能直接影響系統的容量，對于衛星通信系統而言，影響MIMO信道的因素可以從地面端和衛星端兩方面進行討論。

在地面端首先考慮天線距離的影響，衛星天線間距與地面天線間距成反比關系，而兩者的量級也是米與千米的差別。地面端天線距離的設置誤差將會導致設計容量的下降，地面天線間距越小，所要求的誤差也越小，因此在這方面單衛星MIMO系統體現了優勢。在多衛星MIMO系統中增加地面端的天線數目，在保證信道容量性能的容限下，地面端天線間距可適當的增加。另外，地面陣列天線的方向角越大，要求地面天線間距的精確度就越高。

衛星的滾動、偏航、俯仰決定了衛星的姿態變化，隨即可能造成MIMO信道的變化，有可能造成系統容量的下降。由仿真結果分析得到的結論，衛星的姿態變化對單衛星MIMO系統性能影響不大，對多衛星MIMO系統則可能造成較大影響。

5 結束語

在地面端采用多天線，在衛星端采用單衛星多天線或者多衛星單天線的形式，可以組成MIMO衛星通信系統。通過對衛星通信系統采用再生轉發或透明轉發情況下MIMO信道的容量分析可得，MIMO衛星通信系統相比點對點衛星通信系統提升了容量性能，提高了頻譜利用率。通過設計的正交分組碼及其分布式改進形式在單衛星及多衛星系統中的應用，MIMO衛星通信系統的性能將獲得進一步的提高。

[1] 吳學智 何如龍.外軍新一代衛星通信系統及關鍵技術研究[J].通信技術，2012，（9）.

Application of MIMO Technology in Satellite Communication System

Li Kai

According to the characteristics of satellite communication system， the application of MIMO technology in the single satellite and multi satellite scenarios is proposed. Based on the analysis of the multiple input multiple output (MIMO) satellite communication system in the regeneration of forwarding and transparent forwarding system capacity in the case， then the single satellite and satellite system are proposed by orthogonal block code and its improved distributed MIMO system， at last， the factors to affect the MIMO satellite communications systems are discussed. MIMO satellite communication system can greatly improve the system capacity and spectrum effi ciency compared with the point to point satellite communication system. Design orthogonal sub block codes and distributed improved form is applied to the single satellite and satellite system， MIMO satellite communication system performance will be further improved.

MIMO；satellite communication；orthogonal space-time block codes

TN927.2

A

1003-6490（2016）01-0118-02

2016-02-18

李鍇（1980—），男，北京人，工程師，研究方向為衛星通信。