陰影衰落信道下多波束衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的動態(tài)信道分配策略*

李　航，趙　明，王　京**

(清華大學 a.電子工程系;b.信息技術研究院，北京 100084)

?

陰影衰落信道下多波束衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的動態(tài)信道分配策略*

李航a，趙明b，王京**a

(清華大學 a.電子工程系;b.信息技術研究院，北京 100084)

摘要：針對已有動態(tài)信道分配策略在陰影衰落環(huán)境中性能損失較大的問題，對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的陰影衰落信道模型進行分析，提出了一種動態(tài)信道分配策略。該策略結合用戶的運動狀態(tài)，通過在用戶的預測運動軌跡上選取抽樣點，將這些抽樣點的平均干擾作為信道分配的指標，并采用鏈路質量約束避免了流量較大時的性能惡化。仿真結果表明提出的動態(tài)信道策略可在不增大阻塞率的前提下，在中低流量時將用戶平均信噪比提高約0.5 dB。該策略可以應用于陰影衰落信道下的地面移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以提高用戶的平均鏈路性能。

關鍵詞：衛(wèi)星移動通信；陰影衰落信道;動態(tài)信道分配；信道模型；鏈路質量約束

1引言

隨著大孔徑、高增益天線技術的發(fā)展，尤其是多波束饋源陣列、大天線反射面和數(shù)字波束成形技術的成熟應用，衛(wèi)星的有效各向同性輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)和接收機品質因數(shù)(G/T)這兩項指標都得到了巨大提高，從而對用戶終端發(fā)送功率的要求大幅度降低[1-3]。同時，對于工作在S頻段的靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，用戶終端可以使用單天線[4]，這使得衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的用戶終端可以和地面移動通信系統(tǒng)中的終端大小相當[5-6]。

在多波束衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，用戶之間如何共享頻率資源是一個關鍵技術挑戰(zhàn)。一種方案是靜態(tài)頻譜分配，其缺點在于衛(wèi)星網(wǎng)絡會受到地面網(wǎng)絡的嚴重干擾[7]。另一種方案是動態(tài)頻譜分配，即衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡使用的頻譜根據(jù)兩者的流量需求被動態(tài)地劃分為互不重疊的兩部分[8]。由于頻率資源的限制，為了保證每一個小區(qū)的帶寬盡可能大，通常選用小的頻率復用因子，這增大了小區(qū)間的干擾，引起了鏈路質量的降低。

為解決此問題，考慮到衛(wèi)星一般具有星型拓撲結構，文獻[8]提出了兩種集中式動態(tài)信道分配策略：基于干擾測量的動態(tài)信道分配策略和基于位置的動態(tài)信道分配策略。這兩種策略的共同點在于衛(wèi)星基站根據(jù)測量到的干擾信息決定如何分配信道。在此基礎上，文獻[9]利用了衛(wèi)星波束的平坦特性，提出了一種基于波束協(xié)作的動態(tài)信道分配策略，改善了小區(qū)邊緣用戶的性能。具體而言，由于衛(wèi)星小區(qū)邊緣相對中心的信號強度衰減不大[10]，衛(wèi)星對接收到的來自相鄰小區(qū)的信號進行合并，從而獲得較大的分集增益。

然而，上述研究都是針對高斯加性白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道進行的，當用戶終端位于城郊等建筑密集的區(qū)域時或仰角較小時，陰影衰落和多普勒效應較為嚴重，如果直接采用該動態(tài)信道分配策略，用戶的鏈路質量性能還需進一步提高。因此，有必要針對陰影衰落情況對動態(tài)信道分配策略作進一步的研究。對于陰影衰落信道，已有信道模型的主要區(qū)別在于大尺度衰落和小尺度衰落概率分布的不同。大尺度衰落通常用對數(shù)正態(tài)分布或Nakagami分布描述，小尺度衰落通常用萊斯分布、瑞利分布、Nakagami分布或Beckmann分布描述[11]。在這些模型中，Loo模型具有參數(shù)相對簡單、適用范圍廣的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛運用于衛(wèi)星信道的分析中[12-13]，并且已在DVB-SH標準中使用[14]。對于Loo模型，視距(Line-of-Sight，LOS)分量受陰影衰落影響，非視距(Non-Line-of-Sight，NLOS)分量不受陰影衰落影響，其大尺度衰落和小尺度衰落分別服從對數(shù)正態(tài)分布和瑞利分布。

本文對Loo模型下的動態(tài)信道分配策略進行了研究：首先介紹信道模型，并分析了天線模型和多普勒效應的影響；接著在該信道模型下，提出了一種新的針對陰影衰落信道的動態(tài)信道分配策略，改善了用戶的平均鏈路性能；最后給出了仿真結果，驗證了所提策略的有效性。

2信號傳播模型

2.1接收信號的組成

為敘述簡潔，本文考慮上行信道的動態(tài)信道分配策略，下行信道可以采用同樣的方法進行分析。衛(wèi)星接收到來自用戶的信號可表示為LOS分量和NLOS分量之和：

r(t)=z(t)Gx(t)+d(t)。

(1)

式中:r(t)表示接收到的信號；x(t)表示發(fā)送的信號；G表示天線增益；z(t)表示衰落因子;s(t)=Gx(t)表示LOS信號分量的幅值;d(t)表示NLOS信號分量的幅值。衰落因子z(t)服從對數(shù)正態(tài)分布，μ和d0分別表示lnz的均值和方差。NLOS分量d(t)的功率保持為常數(shù)2b0。

(2)

2.2天線模型

對于接收信號，式(1)中G的值由天線模型和用戶距離小區(qū)中心點的距離共同決定。不同于蜂窩移動通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的小區(qū)半徑較大，波束具有平坦特性，旁瓣衰落緩慢。為描述實際天線的衰落緩慢特性，文獻[8]提出了一種忽略旁瓣衰減的天線模型，該模型易于分析，但存在近似較為粗略的問題。文獻[15]提出了一種更加精確地描述實際天線的模型，表達式為

(3)

式中：J1和J3分別是一階和三階第一類貝塞爾函數(shù)；θ是天線方向向量的角度；天線的“3 dB角度”Θ3dB指衛(wèi)星指向小區(qū)中心和衛(wèi)星指向小區(qū)邊界的夾角。由于將衰減為3 dB的位置定義為小區(qū)邊界，因此有G(Θ3dB)= -3。相關角度如圖1所示,圖中hGSO表示衛(wèi)星高度，?表示衛(wèi)星的傾角，可根據(jù)文獻[16]求出。

圖1　相關角度示意圖

2.3多普勒分量

對于GEO衛(wèi)星，由于衛(wèi)星與地面相對靜止，因此發(fā)射端和接收端的相對運動也就等效為用戶終端的運動。多普勒頻移引起時延擴展，使得接收信號在時間上產(chǎn)生相關性，這種影響用一個無限沖激響應(Infinite Impulse Response，IIR)濾波器模擬。采樣后的離散接收信號y(n)應為當前時刻接收的信號與前一時刻的接收信號的疊加，即[13,17]

y(n)=r(n)+Ay(n-1)。

(4)

式中：A=exp(-vT/rc)，T是采樣間隔，rc是相干距離。

3衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡中的動態(tài)信道分配

衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡通常為星形拓撲結構，衛(wèi)星具有各移動終端的位置、運動狀態(tài)以及鏈路質量等信息，這使得采用集中式動態(tài)信道分配策略成為可能。文獻[8]中提出了兩種適于衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡的動態(tài)信道分配策略，這兩種策略都是基于對干擾信息直接或間接的觀測進行信道分配，以達到提高用戶或衛(wèi)星的接收信噪比的目的。相對于基于干擾測量的策略，基于位置的策略間接地利用信道狀態(tài)，將對干擾的衡量轉化為對用戶位置的衡量，從而可以利用用戶位置達到比較干擾大小的目的。比較兩種策略可以發(fā)現(xiàn)，基于位置的策略具有延時少、計算簡單、方法靈活的優(yōu)點。

然而，當陰影衰落較為嚴重時，多徑分量的強度增大，信道狀態(tài)對用戶終端的運動敏感，終端位于不同位置、不同時刻時受到的衰落并不相同。如果簡單地把對干擾的測量等效于用戶位置的測量，將會帶來較大的性能損失。因此在陰影衰落信道的情況下，不宜采用基于位置的動態(tài)信道分配策略。

圖2給出了本文提出的動態(tài)信道分配策略。用戶發(fā)起呼叫后，衛(wèi)星首先搜索空閑信道，比較這些空閑信道的干擾值的大小，將具有最小干擾的空閑信道分配給用戶。為減少陰影衰落對用戶性能的影響，需要綜合考慮在一段時間內用戶可能出現(xiàn)位置的信道狀況。衛(wèi)星根據(jù)對用戶運動軌跡的預測，計算在用戶可能的運動范圍內的平均信噪比，而不僅僅是當前時刻用戶位置的信噪比。

圖2　動態(tài)信道分配策略流程圖

在確定待分配信道后，衛(wèi)星還需判斷該信道是否滿足鏈路質量約束，即當待分配信道的信噪比低于系統(tǒng)傳輸?shù)募s束條件時，不再進行信道分配。對于流量較大的情況下，加入鏈路質量限制可以顯著提高信噪比。系統(tǒng)中允許的最低鏈路質量由衛(wèi)星業(yè)務的誤碼率確定。例如，在工程上針對一般話音業(yè)務的應用場景，限定誤碼率不得低于10-4，當采用的信道編碼類型、碼率以及調制一定時，系統(tǒng)要求的誤比特率可以轉化為對信噪比的限制。因此在動態(tài)信道分配算法中，鏈路質量約束表達為信噪比的限制。

4仿真結果

為驗證本文所提動態(tài)信道分配算法的性能，我們進行了計算機仿真。仿真中，所有用戶在小區(qū)內均勻分布。當距離目標小區(qū)的距離超過8倍小區(qū)半徑時，天線增益相對于小區(qū)中心的衰減超過60 dB，位于這些位置的干擾可以忽略。因此，仿真時僅考慮目標小區(qū)外圍4層的干擾，即61小區(qū)模型，如圖3所示。對于Thuraya衛(wèi)星的一種覆蓋情況[18]，假設衛(wèi)星定點于東經(jīng)20°，小區(qū)1的中心位于北緯40°、東經(jīng)2°的位置，可求得照射傾角?為40°。每個小區(qū)的半徑(邊長的一半)為119 km，這樣小區(qū)頂點為天線增益衰減3 dB的位置。仿真中的相關參數(shù)如表1所示。一共進行了105次獨立仿真，并對仿真結果取平均值。

圖3　仿真模型

參數(shù)值參考文獻流量模型M/D/S(0)[8]每一次呼叫的保持時間3個單位時間[8]各小區(qū)信道數(shù)量75[8]總帶寬/MHz30[8]小區(qū)數(shù)量37[8]各小區(qū)用戶數(shù)100[8]天線模型式(3),Θ3dB=0.4°[15]Loo分布參數(shù)(0.1,0.37,-22)[19]高斯噪聲功率/dB15[8]仰角?/(°)40用戶運動速度/(km·h-1)50[14][17]工作頻點/GHz2.618[19]采樣周期T=1/(8f)[14]相干距離/m2[14]選取的點個數(shù)N10鏈路信噪比限制/dB8

表1中，“采樣周期”和“相干距離”對應于多普勒時延擴展的計算,“保持時間”指用戶發(fā)起一次呼叫的時間。假設用戶在各小區(qū)均勻分布，所有小區(qū)的流量相同。為提高頻率利用率，假設所有用戶共享全頻譜，即頻率復用因子為1。仿真中將鏈路質量限制同樣用于文獻[8]中基于干擾測量的策略作為對照。仿真結果將小區(qū)1作為目標小區(qū)，即對小區(qū)1中所有用戶的平均信噪比進行統(tǒng)計。

對目標用戶的平均信噪比的仿真結果如圖4所示。圖4的圖例中，“原方法(AWGN信道)”對應文獻[8]的場景，“原方法(Loo信道)”對應于本文所述的陰影衰落的場景，為便于對比性能，本文在仿真時對該策略加上了相同的鏈路質量約束。從仿真結果可以看出，采用本文所述策略，可以在中低流量時將用戶的平均信噪比提高約0.5 dB，本文所提出的策略對用戶的平均性能起到了改善的作用。

圖4　鏈路質量仿真結果

圖5示出了阻塞率的仿真結果。阻塞是指在圖2中出現(xiàn)了“不分配信道”的情況，即用戶發(fā)起呼叫后不能建立通信。阻塞率按照下式計算：

(5)

和鏈路性能的仿真結果相同，阻塞率僅針對目標小區(qū)。由于引入了鏈路質量約束，當不滿足鏈路質量時用戶不能被分配信道，從而在小區(qū)流量大于10 erl時出現(xiàn)了阻塞。然而本文所提策略僅對干擾計算進行了修正，所以不會進一步引起阻塞率的增加。從仿真結果可見，本文所采用的策略與原策略的阻塞率幾乎相同。

圖5　阻塞率仿真結果

5結束語

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，已有的動態(tài)信道分配算法未考慮陰影衰落下星地鏈路的信道特性。本文基于Loo信道模型，提出了一種新的動態(tài)信道分配策略，該策略在預測用戶的運動范圍內選取抽樣點，將這些抽樣點的平均干擾作為信道分配的指標。仿真結果表明本文所提策略可以在中低流量的情況下將提高用戶平均信噪比約0.5 dB。本文所提策略可用于陰影衰落下的地面移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以提高用戶的平均鏈路性能。多輸入多輸出(Multiple-Input，Multiple-Output，MIMO)技術可以有效抵抗陰影衰落，增大系統(tǒng)容量，下一步的工作可考慮對衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)中的動態(tài)信道分配策略進行研究，以進一步提高系統(tǒng)的性能。

參考文獻：

[1]CHIBA I,KONISHI Y.Development of large earth-station reflector antennas in Japan[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2011,53(6):245-257.

[2]LCEV S D.High-gain mobile satellite antennas[C]//Proceedings of 21th International Crimean Conference on Microwave and Telecommunication Technology(CriMiCo).Sevastopol:IEEE,2011:996-998.

[3]MCLAIN C,GONZALEZ C L.Capacity and coverage planning for networks of small mobile terminals in the C and Ku Bands[C]//Proceedings of 2010 Military Communication Conference.San Jose,CA:IEEE,2010:1526-1532.

[4]MAK K M,LAI H W,LUK K M,et al.Circularly polarized patch antenna for future 5G mobile phones[J].Access IEEE,2014(2):1521-1529.

[5]CHINI P,GIAMBENE G and KOTA S.A survey on mobile satellite systems[J].International Journal of Satellite Communications and Networking,2010,28(1):29-57.

[6]易克初,李怡,孫晨華,等.衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望[J].通信學報,2015,36(6):157-172.

YI Kechu,LI Yi,SUN Chenhua,et al.Recent development and its prospect of satellite communications[J].Journal on Communications,2015,36(6):157-172.(in Chinese)

[7]UMEHIRA M.Feasibility of frequency sharing in satellite/terrestrial integrated mobile communication systems[C]//Proceedings of the 29th AIAA International Communications Satellite Systems Conference(ICSSC 2011).Nara,Japan:IEEE,2011:1-5.

[8]UMEHIRA M,NAITO F.Centralized dynamic channel assignment schemes for multi-beam mobile satellite communications systems[C]//Proceedings of the 30th AIAA International Communications Satellite Systems Conference(ICSSC 2012).Ottawa,Canada:IEEE,2012:1-7.

[9]LI H,UMEHIRA M,ZHU Z,et al.Dynamic channel assignment scheme with cooperative beam forming for multi-beam mobile satellite networks[C]//Proceedings of 2014 6th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing(WCSP 2014).Hefei:IEEE,2014:1-5.

[10]LIU S Y,QIN F,GAO Z,et al.LTE-satellite:chinese proposal for satellite component of IMT-advanced system[J].China Communications,2013,10(10):47-64.

[11]ARAPOLOU P D,LIOLIS K,BERTINELLI M,et al.MIMO over satellite:a review[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2011,13(1):27-51.

[12]FONTAN F P,LAGO I S,CERDEIRA R P,et al.Consolidation of a multi-state narrowband land mobile satellite channel model[C]//Proceedings of the Second European Conference on Antennas and Propagation.Edinburgh:IEEE,2007:1-6.

[13]李明.衛(wèi)星雙極化MIMO信道模型及信號檢測算法[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013.

LI Ming.Channel model and detection algorithm for dual-polarized MIMO communication system[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2013.(in Chinese)

[14]CERDEIRA R P,FONTAN F P,BURZIGOTTI P,et al.Versatile two-state land mobile satellite channel model with first application to DVB-SH analysis[J].International Journal of Satellite Communications and Networking,2010,28(5):291-315.

[15]ITU-R Recommendation S.672-4,Satellite antenna radiation pattern for use as a design objective in the fixed-satellite service employing geostationary satellites[S].

[16]IPPOLITO L J.衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程[M].孫寶升，譯.北京:國防工業(yè)出版社,2012.

IPPOLITO L J.Satellite communications systems engineering:atmospheric effects,satellite link design and system performance[M].Translated by SUN Baosheng.Beijing:National Defense Industry Press,2012:27.(in Chinese)

[17]LIOLIS K P,VILARDEBO J G,CASINI E,et al.Statistical modeling of dual-polarized MIMO land mobile satellite channels[J].IEEE Transactions on Communications,2010,58(11):3077-3083.

[18]Thuraya XT [EB/OL].[2016-04-04].https://www.g1sat.com/products/thuraya-xt/.

[19]FONTAN F P,CASTRO M V,CABADOC E,et al.Statistical modeling of the LMS channel[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2001,50(6):1549-1567.

A Dynamic Channel Assignment Scheme of Multi-beam Satellite Mobile Communication System in Shadowed Fading Channel

LI Hanga,ZHAO Mingb,WANG Jinga

(a.Department of Electronic Engineering; b.Research Institute of Information Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract：The performance of existing dynamic channel assignment schemes is significantly degraded in shadowed fading environment.To solve the problem,the shadowed fading channel model of satellite mobile communication system is analyzed,and a new dynamic channel assignment scheme is proposed.In the proposed scheme,the channel is assigned according to the average interference of the sampling positions,which are chosen by predicting user’s trajectory.Link quality restrict is also applied to avoid performance degradation in case of heavy traffic.Simulation results show that the users’ average signal-to-noise ratio(SNR) is improved by about 0.5 dB in case of low and medium traffic,while the blocking rate is not increased.The proposed scheme can be adopted in land mobile satellite communication system in shadowed fading channel,in order to improve the average link performance for users.

Key words：satellite mobile communication;shadowed fading channel；dynamic channel assignment;channel model;link quality restrict

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.004

收稿日期：2015-11-03；修回日期：2016-04-06Received date:2015-11-03；Revised date：2016-04-06

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA01A502);國家科技重大專項(2013ZX03006001-005)

Foundation Item:The National High-tech R&D Program of China(863 Program)(2012AA01A502);The National Science and Technology Major Project(2013ZX03006001-005)

通信作者：wangj@mail.tsinghua.edu.cnCorresponding author：wangj@mail.tsinghua.edu.cn

中圖分類號：TN927

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0618-06

作者簡介：

李航(1986—)，男，四川成都人，2009年于電子科技大學獲工學學士學位，現(xiàn)為博士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星移動通信；

LI Hang was born in Chengdu,Sichuan Province, in 1986.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.He is currently working toward the Ph.D. degree.His research concerns satellite mobile communication.

趙明(1971—)，男，江蘇人，分別于1993年和1998年獲清華大學工學學士學位和工學博士學位，現(xiàn)為教授，主要研究方向為無線移動通信、數(shù)字信號處理等；

ZHAO Ming was born in Jiangsu Province, in 1971.He received the B.S. degree and the Ph.D. degree from Tsinghua University in 1993 and 1998,respectively.He is now a professor.His research concerns wireless mobile communication.

王京(1958—)，男，北京人，分別于1983年和1986年獲清華大學工學學士學位和碩士學位，現(xiàn)為教授、博士生導師，主要研究方向為無線移動通信。

WANG Jing was born in Beijing,in 1958.He received the B.S. degree and the M.S. degree from Tsinghua University in 1983 and 1986,respectively.He is now a professor and also the Ph.D. supervisor.His research concerns wireless mobile communication.

Email：wangj@mail.tsinghua.edu.cn

引用格式：李航，趙明，王京.陰影衰落信道下多波束衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的動態(tài)信道分配策略[J].電訊技術，2016,56(6):618-623.[LI Hang,ZHAO Ming,WANG Jing.A dynamic channel assignment scheme of multi-beam satellite mobile communication system in shadowed fading channel[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):618-623.]