一種用戶級多波束衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)編碼算法

陶 凱，孫 哲

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.海軍駐邯鄲地區(qū)軍事代表室，河北 邯鄲 056000)

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)在軍事通信中發(fā)揮著重要作用[1-4]，波束間頻率復(fù)用可有效地提高頻帶利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的高吞吐量通信[5-6]。基于全頻率復(fù)用方案的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)可建模為一種分布式多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系統(tǒng)[7]，因此可將陸上MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼相關(guān)技術(shù)用于多波束衛(wèi)星系統(tǒng)前向鏈路，以提高前向鏈路的容量。現(xiàn)有基于信漏噪比(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio，SLNR)[8]和塊對角化(Block Diagonalization，BD)的預(yù)編碼[9]方案雖然可有效地降低同道干擾，且對接收天線數(shù)目沒有限制，但接收矩陣的求解需要獲知預(yù)編碼矩陣。為此可利用臟紙編碼(Dirty Paper Coding，DPC)的思想，來抵消同一用戶的碼流間互擾。文獻(xiàn)[10]提出一種基于連續(xù)信漏噪比(Successive Signal-to-Leakage-Plus-Noise Ratio，SSLNR)的BLR-SSLNR-THP算法，但當(dāng)用戶有多個(gè)碼流時(shí)，其第一個(gè)碼流的信道增益最大，最后一個(gè)碼流的信道增益最小，導(dǎo)致系統(tǒng)誤比特率(Bit Error Rate，BER)性能較差。為此，文獻(xiàn)[11]提出一種基于各天線的PA-SSLNR算法，在每個(gè)用戶的各天線上獨(dú)立計(jì)算SSLNR值。本文在PA-SSLNR算法的基礎(chǔ)上，基于對多波束衛(wèi)星系統(tǒng)信道特性的分析，提出了用戶級的SSLNR算法——US-SSLNR算法，能夠有效地降低各用戶間的增益差，從而有效提高預(yù)編碼算法的誤比特率性能，且計(jì)算法復(fù)雜度較低。

1 系統(tǒng)模型

1.1 波束輻射方向圖建模

現(xiàn)對Ka波段多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的前向鏈路建模。由于地面站采用大功率天線且無遮擋，因此該傳輸路徑可視為理想路徑。因此只需考慮衛(wèi)星到用戶的下行鏈路。假定衛(wèi)星一簇波束共有K個(gè)，多波束衛(wèi)星系統(tǒng)一簇19波束示意如圖1所示，單波束的輻射方向圖函數(shù)如式(1)所示[12]。

圖1 多波束衛(wèi)星系統(tǒng)一簇19波束示意Fig.1 Diagram of multi-beam satellite system with 19 beams in a cluster

(1)

式中，

可見，波束19中發(fā)送的信號對波束1中的用戶影響很小，可忽略不計(jì)。

1.2 系統(tǒng)建模

若多波束衛(wèi)星系統(tǒng)采用全頻率復(fù)用方案及時(shí)分多址方式，即每個(gè)波束共用一個(gè)頻段，且采用TDMA方式隨機(jī)選擇一個(gè)用戶進(jìn)行通信。因此，多波束衛(wèi)星系統(tǒng)可建模為衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)。

(2)

T=[T1T2...TN]，

(3)

(4)

則式(2)可以表示為：

yk=HkTs+nk。

(5)

2 算法原理

借鑒文獻(xiàn)[11]提出的陸地MIMO系統(tǒng)基于各天線的PA-SSLNR算法，在衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)中，對用戶分組以后，當(dāng)組內(nèi)碼流數(shù)和其用戶數(shù)相等時(shí)，通過式(2)，可以得到第k組的第j個(gè)用戶的接收信號為：

式中，

因此，預(yù)編碼矩取自矩陣對{Hk(j：)，HHk(j：)，Hkj，HHkj+σ2nINT}的最大的廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，同時(shí)滿足發(fā)送功率限制tr(Wk(：j)，HWk(：j))=1。

假設(shè)對K=19情形分為3組：

則第1組用戶的接收信號為：

(6)

(7)

因此，式(5)變?yōu)椋?/p>

得到預(yù)編碼矩陣之后，需要從發(fā)端抵消掉已知的泄漏。所有用戶的預(yù)編碼矩陣聯(lián)合起來得到：

W=[W1…WN]。

經(jīng)過預(yù)編碼之后所有用戶等效的信道矩陣為：

最大化SSLNR之后，R的上三角元素的值相對于R的其他元素的值是比較小的，可以近似認(rèn)為R是一個(gè)下三角矩陣。

因此，與THP類預(yù)編碼一樣，可得：

采用THP預(yù)編碼方法，在發(fā)送端抵消掉已知的泄漏，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 US-SSLNR預(yù)編碼系統(tǒng)框圖Fig.2 System diagram of US-SSLNR precoding algorithm

3 復(fù)雜度分析

表1 各種預(yù)編碼算法的復(fù)雜度
Tab.1 Complexities of several precoding algorithms

運(yùn)算步驟運(yùn)算復(fù)雜度SLNRO(KN3T)THPO(N3T)SLNR-THPO(KN3T)SSLNR-THPO(KN3T)PA-SSLNRO(NRN3T)US-SSLNRO(Ni∑Ni=1NT-ri()3)

由表1可以看出，相比SSLNR-THP算法和PA-SSLNR算法，US-SSLNR算法有較低的計(jì)算復(fù)雜度，且隨著分組數(shù)的增大或參數(shù)ri的增大而減小。

4 算法性能仿真

對多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)采用蒙特卡洛方法進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真，仿真模型參數(shù)[14]如表2所示。

表2 多波束衛(wèi)星系統(tǒng)模型參數(shù)
Tab.2 Model parameters of multi-beam satellite system

參數(shù)取值衛(wèi)星軌道高度35 786 km頻帶Ka (20 GHz)波束數(shù)19半功率波束寬度0.6°降雨衰落均值-2.6 dB降雨衰落方差1.63 dB調(diào)制方式16QAM

對K=19個(gè)用戶按第2節(jié)的方式進(jìn)行分組，并將仿真結(jié)果與SSLNR-THP算法、PA-SSLNR進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 算法性能仿真Fig.3 Simulation diagram of algorithm performance

由圖3可知，在低信噪比區(qū)域，3種算法的誤碼性能相當(dāng)。隨著信噪比的提升，在中信噪比區(qū)域，本文算法和PA-SSLNR算法的誤碼率性能相當(dāng)，均優(yōu)于SSLNR-THP算法。在高信噪比區(qū)域，本文算法和PA-SSLNR算法的誤碼率性能仍然相當(dāng)，均優(yōu)于SSLNR-THP算法，性能提升大約4.7 dB。這是由于本文算法和PA-SSLNR算法能有效降低各個(gè)用戶之間的增益差。

5 結(jié)束語

本文提出一種適用于多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的US-SSLNR預(yù)編碼算法，該算法在每個(gè)用戶上進(jìn)行SSLNR值得計(jì)算，有效降低了各用戶碼流間的增益差，并充分利用多波束衛(wèi)星系統(tǒng)信道特點(diǎn)，降低算法復(fù)雜度。分析表明，相比SSLNR-THP及PA-SSLNR算法，本文算法通過引入ri，有效降低了運(yùn)算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明與SSLNR-THP相比，本文算法及PA-SSLNR算法有效提高了誤碼性能，在高信噪比區(qū)域誤碼率性能提升大約4.7 dB。