衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作通信技術(shù)

張 艷,胡小麗,宋維君

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 210046)

1 引 言

隨著軍事航天、通信等技術(shù)的發(fā)展,戰(zhàn)爭空間正在向更高方向延伸,外層空間成為關(guān)系國家安全和奪取戰(zhàn)爭勝利的重要戰(zhàn)場。航天技術(shù)的發(fā)展特別是航天器在軍事領(lǐng)域的深入應(yīng)用,對國家安全產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。

衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行在一個圓形或橢圓形軌道上,按照軌道高度可以分為:低軌道(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星,軌道高度在500～1500km;中軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星,軌道高度在10000～12000km;高橢圓軌道(High Elliptical Orbit,HEO)衛(wèi)星,軌道高度在20000km以上[1]。其中對地球同步衛(wèi)星使用中繼通信機(jī)制,可以獲得免費(fèi)冗余上行鏈路和下行鏈路的資源,這樣衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠得到更好的資源分配和管理。

在協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,通過中繼信道在源端和目的端建立不同的獨(dú)立路徑。該中繼通道可以被認(rèn)為是一個多跳傳輸,其作為一個輔助渠道,是源端和目的端之間的直接通道。協(xié)作通信過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是中繼處理重傳源端的接收信號,不同的中繼處理過程導(dǎo)致不同的協(xié)作傳輸協(xié)議。

按照中繼對接收信號的處理方式,中繼協(xié)作策略可分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward,AF)[2]、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward,DF)[2]和編碼協(xié)作(Coded Cooperation)3種基本類型。

本文分析了用于點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信鏈路協(xié)同通信技術(shù)的使用,通過設(shè)計一個簡單的中繼模型來分析多節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信方式。符號錯誤率(SER)是評估各種中繼方案的性能指標(biāo),通過觀察SER曲線,可以預(yù)測放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信系統(tǒng)的最佳的能量分配。對于多衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng),必須考慮使用多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)性能分析。在多節(jié)點(diǎn)或多跳情況下,帶寬效率也起著重要的作用,并可以通過符號錯誤率分析和對 N個中斷的中斷概率分析來確定。

2 單中繼模型

在本文中,假設(shè)有兩個用戶的協(xié)作模型,用戶1是源端,用戶2是中繼,如圖1所示,這樣的系統(tǒng)可分解為兩個階段:第一階段是廣播信道,源端將信息同時傳輸給目的端和中繼;第二階段是協(xié)作階段,中繼重傳接收到源端的信號給目的端[3]。

圖1 單中繼模型Fig.1 Single relay model

在第一階段,當(dāng)源端將信息傳輸?shù)侥康亩撕椭欣^時,在中繼端接收到的信號ys,r與在目的端接收到的信號ys,d可以分別用公式表示為

式中,Ps,r和Ps,d是源端的傳輸能量,m是傳輸?shù)男畔?ns,r和ns,d分別是源端到中繼信道的噪聲和源端到目的端信道噪聲,Js,r和Js,d分別是源端到中繼的信道衰減系數(shù)和源端到目的端的信道衰減系數(shù),s,d和s,r是源端到目的端和源端到中繼的多普勒頻移函數(shù)。

同樣考慮路徑損失、陰影和多普勒效應(yīng)的影響。依據(jù)統(tǒng)計學(xué)知識,信道衰落可以用概率密度函數(shù)來表征3種不同分布:萊斯分布、瑞利分布和對數(shù)正態(tài)分布。信號的包絡(luò)可以用r表示,x和y是正交向量:

設(shè)fd是多普勒頻移(單位Hz),α是漫射部分的到達(dá)角度,

根據(jù)這些約束條件,可以設(shè)計如下中繼協(xié)議。

(1)放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)

在放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下,中繼用戶第一步接收到其伙伴所發(fā)射的被噪聲污染的信號,在第二步放大并轉(zhuǎn)發(fā)這些信號;目的端則以一定的準(zhǔn)則合并中繼用戶轉(zhuǎn)發(fā)的和源端所發(fā)送的信息,形成最終的判決。J.N.Laneman在文獻(xiàn)[4]中,以中斷概率(Outage Probability)為指標(biāo),分析了兩個用戶以時分半雙工方式進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作的性能。分析結(jié)果表明,當(dāng)信噪比較高時,系統(tǒng)可以獲得二階的分集增益。此處,分集階數(shù)(Diversity Order)可以看作空間不相關(guān)信道的個數(shù)(需要注意的是,分集階數(shù)并不簡單地等于天線個數(shù)或參與協(xié)作的用戶數(shù))。盡管在放大中繼過程中,噪聲也被放大并轉(zhuǎn)發(fā),但由于基站接收到兩個獨(dú)立衰落的信號,因而可以作出更好的判決和檢測。

在中繼端得到的信噪比可以表示為

中繼的傳輸信號fAF(ys,r)=Pr×ys,r,Pt是源端傳輸信號的能量,uc取決于信道特性。

對于放大轉(zhuǎn)發(fā)模式,它是假定目的端知道用戶間信道系數(shù)來做最佳解碼的。在此模式下,同時交換或估計信道信息是有必要的。該信道的信息可以通過計算目的端的總瞬時信噪比來獲得。目的端的信噪比是源端的信噪比與中繼的信噪比之和。

在協(xié)作階段,目的端接收到的信號為

通過對目的端和中繼鏈接,以及從源端到目的端的鏈接,目的端接收到信號m兩個副本,如果平均能量為1,在輸出端瞬時信噪比等于接收到信號的兩個階段的信噪比之和:

式中,K和H是獨(dú)立的信道常數(shù)。放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下的瞬時互信息可表示為

將SNR的值代入上式可得到:

(2)解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)

解碼轉(zhuǎn)發(fā)中,中繼用戶試圖接收并檢測其伙伴的比特信息,并在第二步轉(zhuǎn)發(fā)判決后的比特信息。雖然解碼轉(zhuǎn)發(fā)比放大轉(zhuǎn)發(fā)模式在減少中繼端的加性噪聲的影響有優(yōu)勢,但當(dāng)用戶間信道質(zhì)量較差時,用戶有可能對其伙伴的信息做出錯誤判決,錯誤地將檢測到的信號轉(zhuǎn)發(fā)到目的地,造成錯誤的傳播,此時協(xié)作傳輸不能達(dá)到完全分集,從而降低了系統(tǒng)的性能[5]。根據(jù)解碼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸過程中信道衰減的特性,可以得到互信息為

中斷概率可以用公式表示為

放大轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作能力能否達(dá)到預(yù)期效果取決于中繼用戶能否正確解碼接收到的信號,因此,隨著信道信噪比提高與錯誤的概率降低,可以得到較高的解碼率。如果調(diào)整中繼端的信號傳輸功率,就可以達(dá)到較低的中斷概率。

本文采用平均功率分配和完全功率分配兩種方法對放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的中斷概率進(jìn)行仿真比較,如圖2所示。從仿真結(jié)果中可以看出,當(dāng)信噪比足夠高時,放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的中斷概率優(yōu)于解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,信號的傳輸功率分配增加,導(dǎo)致中斷概率的減小,完全功率分配比平均功率分配方法提高約3dB的信噪比。

圖2 放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)兩種協(xié)議的中斷概率Fig.2 Outage probability performance of AF protocol and DF protocol

3 中繼站的影響因素

衛(wèi)星與星載平臺和地面基站都是不斷運(yùn)動的,這使得設(shè)計一個保持固定路徑到目的地的分布式網(wǎng)絡(luò)變得非常困難。中繼選擇成為幫助確定網(wǎng)絡(luò)容量和分集的一個關(guān)鍵因素。星載平臺是由太陽能電池板供電,因此每次傳輸最需要考慮設(shè)計的一個條件是盡量減少電力消耗。針對特定的吞吐量而要達(dá)到空間分集的網(wǎng)絡(luò),使用MIMO技術(shù)可以大大降低發(fā)射功率。

中繼選擇的策略是基于距離的估計或信道的強(qiáng)度來選擇。在分布式方案中,選擇協(xié)作中繼用戶的策略是選擇最接近從源端到目的端的用戶。在選擇性的協(xié)作方案中,瞬時的信道強(qiáng)度起著決定因素。要計算信道強(qiáng)度,就要研究與空間直視關(guān)聯(lián)的信道模型——自由空間傳播損耗模型。一般來說,衛(wèi)星與星載平臺和地面基站是直視距離,只是間隔的距離很大。如果設(shè)發(fā)送端與接收端的距離為d,那么此模型引入一個復(fù)合參數(shù),則接收信號可以表示為

式中,GT為發(fā)射天線增益,λ是工作波長,fc為工作頻率。

傳輸信號功率為

接收功率與距離d和載波頻率fc是成反比的。因此,載波頻率越高所需的功率越低。接收天線的有效面積取決于頻率,接收功率(單位dBm)可以表示為

信道信息和功率的要求,可以通過源端和中繼之間的全雙工鏈路控制通道來傳遞給源端。

4 點(diǎn)對多點(diǎn)的協(xié)作通信

點(diǎn)對多點(diǎn)的協(xié)作通信系統(tǒng)仍然分為兩個階段:信源廣播和中繼轉(zhuǎn)發(fā)。在信源廣播階段,發(fā)射節(jié)點(diǎn)首先廣播要發(fā)送的符號向量,所有中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收。然后,所有中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號進(jìn)行中繼處理?？紤]到在源端附近有多個中繼節(jié)點(diǎn),以及發(fā)送端的廣播特性,源端發(fā)送的信息可能會被附近的其它節(jié)點(diǎn)接收[6]。假設(shè)任意兩個節(jié)點(diǎn)之間無線鏈接的是加性高斯白噪聲的瑞利窄帶信道,每個鏈路的衰落特性在統(tǒng)計學(xué)上是獨(dú)立的,每個中繼節(jié)點(diǎn)都使用獨(dú)立的中繼策略[7]。每個中繼節(jié)點(diǎn)都能計算接收到的信噪比,如果接收到的信噪比的值高于指定的閾值,則將信息轉(zhuǎn)發(fā)給下個節(jié)點(diǎn)。每個中繼節(jié)點(diǎn)合并從源端的信號與L(1≤L≤N-1)個之前的中繼節(jié)點(diǎn)接收的信號,目的節(jié)點(diǎn)將合并從源端節(jié)點(diǎn)與所有中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號,這樣可以得到接收端的信號與每個中繼節(jié)點(diǎn)的信號表達(dá)式分別為

在中繼協(xié)作階段,第 i個中繼節(jié)點(diǎn)將信息解碼后以Pi的功率轉(zhuǎn)發(fā)到下個節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)最后接收到的信號可表示為

點(diǎn)對多點(diǎn)的協(xié)作模式可認(rèn)為是源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的多址方式,在空間上形成類似多跳無線網(wǎng)絡(luò),中繼節(jié)點(diǎn)可以用預(yù)設(shè)的信噪比門限作為怎樣處理接收到的信號的準(zhǔn)則。圖3的仿真結(jié)果表明,中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,系統(tǒng)的誤碼率越低,但是要想達(dá)到有效的和無差錯的中繼節(jié)點(diǎn)選擇,只有借助納什均衡實現(xiàn)應(yīng)用層的資源分配,這也是下一步的工作。

圖3 中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)與BER的關(guān)系曲線Fig.3 The number of relay vs.BER

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