地空通信傳輸中空間調(diào)制的適應(yīng)性分析

李志明，石 榮，肖 悅

(1.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731； 2.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610036)

地空通信傳輸中空間調(diào)制的適應(yīng)性分析

李志明1,2，石 榮2，肖 悅1

(1.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731； 2.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610036)

空間調(diào)制是一種新型多天線傳輸技術(shù)，在隱蔽通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)傳統(tǒng)空間調(diào)制主要集中在地面通信場(chǎng)景下，而極少涉及地空?qǐng)鼍皯?yīng)用研究的現(xiàn)狀，在對(duì)空間調(diào)制通信模型簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的空間調(diào)制系統(tǒng)地空通信信道模型，并分別研究了此信道模型中空對(duì)地通信傳輸場(chǎng)景和地對(duì)空通信傳輸場(chǎng)景的信道相關(guān)性，以及應(yīng)用空間調(diào)制的適應(yīng)性。并對(duì)上述理論分析的有效性及傳輸性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從而為空間調(diào)制在地空通信中的工程應(yīng)用提供了重要參考。

MIMO；空間調(diào)制；地空通信；相關(guān)信道；信道建模

0 引言

地空通信利用無(wú)人機(jī)、熱氣球等升空平臺(tái)搭載通信載荷，相對(duì)地面通信傳輸來(lái)講，具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積廣、傳輸帶寬大、易于組網(wǎng)和機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，特別適用于空地聯(lián)合作戰(zhàn)中編隊(duì)迅速推進(jìn)時(shí)的寬帶通信聯(lián)絡(luò)及城市巷戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)通信保障。根據(jù)空中平臺(tái)的升空高度，通信覆蓋半徑可達(dá)幾十千米至數(shù)百千米[1]。另外，隨著航空技術(shù)的不斷進(jìn)步，小型飛機(jī)也將逐步普及到一般居民的生活中，地空通信在日常生活中的重要性也正日趨明顯。

空間調(diào)制是一種新型多天線傳輸技術(shù)[2-3]。相較于傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)，空間調(diào)制的計(jì)算復(fù)雜度和天線復(fù)雜度低，并且有著更低的峰均比(Peak to Average Ratio，PAPR)及更強(qiáng)的抗相位噪聲能力。目前對(duì)空間調(diào)制的研究大部分集中在地對(duì)地通信場(chǎng)景[4-5]，文獻(xiàn)[6]雖然討論了空間調(diào)制在飛機(jī)對(duì)地通信中的應(yīng)用，但信道模型依然建立在低空多徑信道的基礎(chǔ)上，且沒(méi)有給出信道相關(guān)性與空地距離間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]針對(duì)SISO-OFDM提出了2種空地信道模型：FLYModel-1 和FLY Model-2，并分別針對(duì)不同的萊斯因子和信道帶寬進(jìn)行了仿真分析，但沒(méi)有多天線信道相關(guān)性方面的結(jié)論。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了改進(jìn)的空間調(diào)制的空地信道模型，分析了空對(duì)地通信和地對(duì)空通信場(chǎng)景下的信道相關(guān)性，得到了信道相關(guān)性與空地距離以及散射體半徑之間的關(guān)系，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了上述理論推導(dǎo)的正確性。

1 空間調(diào)制通信模型

輸入二進(jìn)制bit數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換為矩陣dL×N，其中L=log2(T)+log2(Mary)為每個(gè)時(shí)刻發(fā)送的bit數(shù)，T為天線數(shù)，Mary為QAM調(diào)制階數(shù)?？臻g調(diào)制的過(guò)程就是把矩陣DL×N映射為矩陣XT×N，矩陣XT×N的每列有且僅有一個(gè)非零元素，對(duì)應(yīng)的行號(hào)為發(fā)送天線的索引。如圖1所示，假設(shè)收發(fā)端天線數(shù)均為2，輸入bit序列為0,1,1T,bit 0表示天線索引1，而后2 bit[11]則用來(lái)調(diào)制QPSK星座點(diǎn)符號(hào)s1，此時(shí)天線2不激活，發(fā)送符號(hào)0。

圖1 空間調(diào)制原理框圖

SM系統(tǒng)的接收符號(hào)頻域表達(dá)式為：

y=HX+N，

(1)

y=HX+N=hls+N，

(2)

2 地空通信空間調(diào)制信道模型

地面與空中平臺(tái)通信時(shí)，在高空的天線周圍散射體分布很少[9]，幾乎可以忽略不計(jì)，而在地面的移動(dòng)終端四周則分布有豐富的散射體。假設(shè)散射體分布在以移動(dòng)用戶為中心的圓周上，且信號(hào)只經(jīng)過(guò)一次反射到達(dá)用戶的接收天線。圖2為改進(jìn)的基于單環(huán)幾何統(tǒng)計(jì)信道模型[10-11]，地面終端周圍不同高度的散射體分布于半徑為R的半圓弧上，貼近地表的散射體分布在圓的弦上[12-13]。

圖2 地空通信信道模型

升空臺(tái)與地面站距離為D，且空地距離D與散射半徑R均遠(yuǎn)大于收發(fā)端的天線單元間隔，地面終端發(fā)出的信號(hào)只在[-Δ,+Δ]范圍內(nèi)可以被高空站接收。

為分析方便，模型中的升空臺(tái)[14]和地面終端的天線單元個(gè)數(shù)均為2。若通信雙方均采用全向天線，發(fā)送天線元BSp到接收天線元Ul之間的信道增益hlp(t)可以表示為直射分量和散射分量的和，即：

(3)

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信道的空時(shí)相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)性能有著非常重要的影響，下面分析空間調(diào)制系統(tǒng)空地信道的空時(shí)相關(guān)性。信道空時(shí)互相關(guān)函數(shù)可定義為：

(4)

3 信道相關(guān)性分析

3.1 空對(duì)地信道相關(guān)性

升空臺(tái)的2個(gè)天線到地面端的單個(gè)天線的信道可以表示為lp、lq，由式(4)可得2個(gè)信道間的相關(guān)函數(shù)為[15]:

(5)

(6)

假設(shè)散射體在半圓和弦上均勻分布，借助三角函數(shù)公式代入距離參數(shù)后得到兩信道間散射分量的相關(guān)函數(shù)為：

(7)

式中，a為角度AOUy，且：

直射分量的相關(guān)函數(shù)為：

3.2 地對(duì)空信道相關(guān)性

地面端的2個(gè)天線到升空臺(tái)的單個(gè)天線的信道可以表示為lp、mp，由式(4)可得兩信道間的相關(guān)函數(shù)為：

(8)

類似式(6)可將式(8)中散射分量的相關(guān)函數(shù)變形為：

(9)

假設(shè)散射體均勻分布于半圓和弦上，借助三角函數(shù)公式代入距離參數(shù)后得到兩信道間的相關(guān)函數(shù)為：

(10)

3.3 信道相關(guān)性分析的結(jié)論

為了更好地描述前面所推導(dǎo)公式的物理意義，在此通過(guò)仿真來(lái)對(duì)上述信道相關(guān)性分析的結(jié)論進(jìn)行展示。考慮地面端離地面高度為1.5 m，升空平臺(tái)天線單元間距0.2 m，地面終端天線單元間距0.15 m(大于載頻單個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度)，升空平臺(tái)相對(duì)于地面終端仰角90°，萊斯因子為1，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到空對(duì)地信道的相關(guān)性曲線，如圖3所示。

圖3 空對(duì)地信道相關(guān)性與散射體半徑和空地距離之間的關(guān)系

由圖3可見，從空中向地面?zhèn)鬏斝畔r(shí)，信道間的相關(guān)性很強(qiáng)，在空地距離大于4 km時(shí)，信道相關(guān)系數(shù)幾乎接近于1，此時(shí)若使用空間調(diào)制，地面端將很難通過(guò)信道的差別分辨出發(fā)送天線的索引位置；而在空地距離小于2 km時(shí)，隨著散射體半徑的增大，信道相關(guān)性逐漸降低，最終能過(guò)渡到適宜空間調(diào)制傳輸?shù)南嚓P(guān)性范圍。

從式(8)可以看出，地對(duì)空信道的接收相關(guān)性與空地距離D沒(méi)有關(guān)系。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到地對(duì)空信道的相關(guān)性與散射體半徑之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 地面終端對(duì)升空臺(tái)傳輸信道的相關(guān)性與散射體半徑的關(guān)系

由圖4可見，從地面向空中傳輸信息時(shí)，信道間的相關(guān)性比較弱。隨著散射半徑的增加，地面終端天線單元間距離與散射半徑比值變小，相關(guān)性呈略微上升趨勢(shì)。在散射體半徑大于200 m時(shí)，信道相關(guān)系數(shù)小于0.21，此時(shí)若使用空間調(diào)制，升空臺(tái)可以比較容易分辨出發(fā)送天線的索引位置。

從上述空對(duì)地信道和地對(duì)空信道的相關(guān)性分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論：在地對(duì)空傳輸中適于采用空間調(diào)制，而在空對(duì)地傳輸中不適于采用空間調(diào)制。

4 仿真驗(yàn)證

在仿真過(guò)程中，考慮地面移動(dòng)通信與地空通信的融合，且地面終端與升空平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小于200 km/h，所以仿真所用的OFDM系統(tǒng)采用了類似LTE系統(tǒng)中帶寬為10 MHz時(shí)的參數(shù)設(shè)置[16-17]:IFFT長(zhǎng)度為1 024，循環(huán)前綴cp長(zhǎng)度為128個(gè)采樣點(diǎn)，采用QPSK調(diào)制方式，收發(fā)天線數(shù)均為2。作為仿真對(duì)比的獨(dú)立信道為EVA信道，各天線間不相關(guān)。在空對(duì)地通信和地對(duì)空?qǐng)鼍跋拢煌纳⑸潴w半徑和空地距離得到的BER曲線如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，在空對(duì)地傳輸時(shí)，空地距離與散射體半徑對(duì)空間調(diào)制的BER性能影響都很大。當(dāng)空地距離為1 km時(shí)，散射體半徑由100 m增加到400 m，空間調(diào)制的性能有了較明顯的改善，說(shuō)明散射體半徑與BER值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)固定散射體半徑為400 m，空地距離從5～3 km，再降低到1 km，最后到600 m，BER性能逐漸提高，即空地距離與BER值呈正相關(guān)。而當(dāng)空地距離大于5 km后，即使在散射半徑為400 m時(shí)，BER曲線依然沒(méi)有下降的趨勢(shì)。

從空間調(diào)制空對(duì)地傳輸場(chǎng)景的BER仿真性能可以看出，隨著空地距離的減小或者散射體半徑的增大，信道的相關(guān)性都有減弱的趨勢(shì)，這與本文前一節(jié)中空對(duì)地信道的接收相關(guān)性結(jié)論相同。但在空地距離大于1 km時(shí)，空間調(diào)制的性能與獨(dú)立信道的對(duì)照曲線的差距還是很大的，而當(dāng)空地距離小于1 km時(shí)，升空平臺(tái)周圍的散射體逐漸增多，空地通信退化為地面通信。所以，在空對(duì)地傳輸信息的場(chǎng)景下，空地距離大于1 km后，空間調(diào)制的應(yīng)用有很大的障礙。

圖5 空間調(diào)制空對(duì)地場(chǎng)景不同參數(shù)下的仿真比較

圖6 空間調(diào)制地對(duì)空?qǐng)鼍安煌瑓?shù)下的仿真比較

由圖6可見，在地對(duì)空通信場(chǎng)景下，當(dāng)散射體半徑固定為400 m時(shí)，空地距離2 km和4 km的2條BER曲線相差很小，空地距離2 km和1 km的曲線幾乎重合，說(shuō)明不同的空地距離對(duì)空間調(diào)制的BER性能影響不大。固定空地距離為2 km，隨著散射體半徑從400 m減小到50 m時(shí)，BER性能有些許改善，在BER為10-3時(shí)性能提升了大約1 dB。從整體上看，空間調(diào)制在地對(duì)空傳輸信道下的BER曲線在10-3時(shí)，僅比對(duì)照曲線差2 dB左右，說(shuō)明空間調(diào)制能夠在地對(duì)空通信場(chǎng)景下正常發(fā)揮性能。

空間調(diào)制在地對(duì)空傳輸場(chǎng)景下的BER性能隨空地距離的減小而有小幅的提高，與本文前一節(jié)中地對(duì)空傳輸信道的接收相關(guān)性結(jié)論相符。而地對(duì)空信道下的BER性能隨空地距離增大而略微降低，所以可得出如下結(jié)論：相比于常規(guī)的瑞利信道環(huán)境，空間調(diào)制能夠在損失些許性能的情況下應(yīng)用于地對(duì)空通信傳輸中。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)空間調(diào)制在地空通信場(chǎng)景下研究的缺失，首先構(gòu)建了空間調(diào)制地空通信模型，對(duì)基于單環(huán)幾何統(tǒng)計(jì)信道模型進(jìn)行了改進(jìn)，并根據(jù)改進(jìn)的信道模型推導(dǎo)了地對(duì)空通信和空對(duì)地通信場(chǎng)景下的接收相關(guān)性。通過(guò)對(duì)兩個(gè)場(chǎng)景下空間調(diào)制的BER進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，BER曲線變化趨勢(shì)與相關(guān)性結(jié)論吻合，從而得到如下結(jié)論：空間調(diào)制能夠應(yīng)用于地對(duì)空通信傳輸中，而在空對(duì)地通信場(chǎng)景下，空間調(diào)制只能在一定的空地距離下發(fā)揮作用，從而為空間調(diào)制在未來(lái)無(wú)人機(jī)等飛行器的空地通信系統(tǒng)研制中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)與參考依據(jù)。

[1] 高自新，徐文娟.地空信道傳輸特性與技術(shù)分析[J].無(wú)線電工程，2012，42(2) :10-12.

[2] MeslehR Y,Haas H,Ahn C W,et al.Spatial Modulation- A New Low Complexity Spectral Efciency Enhancing Technique[C]∥in Proc.IEEE Int.Conf.Commun.Netw.China,Beijing,China,2006:1-5.

[3] MeslehR Y,Haas H,Sinanovic S,Ahn C W,et al.Spatial Modulation[J].IEEE Trans.Veh.Technol.,2008,57(4):2228-2241.

[4] RenzoM D,Haas H,Grant P M.Spatial Modulation for Multiple-antenna Wireless Systems:A survey[J].IEEE Commun.Mag.,2011,49(12):182-191.

[5] Yang P,Xiao Y,Guan Y L,et al.Single-carrier SM-MIMO:A Promising Design for Broadband Large-scale Antenna Systems[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2016,18(3):1687-1716.

[6] Raddadi B,Thomas N,Poulliat C,et al.On the Use of Spatial Modulation in Aeronautical Communications[C]∥Wireless and Mobile Computing,Networking and Communications (WiMob),2016 IEEE 12th International Conference on.IEEE,2016:1-8.

[7] Jun M,Chunsheng Z,Liang T,et al.AeronauticalChannel Modeling and Simulation[C]∥Control Conference (CCC),2012 31st Chinese.IEEE,2012:5577-5581.

[8] Rappaort T S.Wireless Communication Principles and Practice[M].北京:電子工業(yè)出版社，1999.

[9] 習(xí)靖，習(xí)強(qiáng)，鄭淑梅.地空信道二徑模型及仿真[J].無(wú)線電工程，2007，37(7) :58-60.

[10] Abdi A,Kaveh M.A Space-time Correlation Model for Multielement Antenna Systems in Mobile Fading Channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in communications,2002,20(3):550-560.

[11] Samad A M,Kamarulzaman N,Hamdani M A,et al.The Potential of Unmanned Aerial Vehicle (uav) for Civilian and Mapping Application[C]∥in System Engineering and Technology (ICSET),2013 IEEE 3rd International Conference on,Aug 2013:313-318.

[12] 楊大成.移動(dòng)傳播環(huán)境[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[13] Perahia E,Cox D C,Ho S.Shadow Fading Cross Correlation Between Basestations[C]∥Vehicular Technology Conference,2001.VTC 2001 Spring.IEEE VTS 53rd.IEEE,2001,1:313-317.

[14] Blandino S,Kaltenberger F,Feilen M.Wireless Channel Simulator Testbed for Airborne Receivers[C]∥Globecom Workshops (GC Wkshps),IEEE,2015:1-6.

[15] 李忻,聶在平.MIMO 信道中衰落信號(hào)的空域相關(guān)性評(píng)估[J].電子學(xué)報(bào),2004,32(12):1949-1953.

[16] 韓宜君.高速移動(dòng)場(chǎng)景下基于TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的信道估計(jì)技術(shù)[D].北京：北京交通大學(xué),2014.

[17] 朱秋明.非均勻散射空時(shí)頻相關(guān)MIMO信道建模與仿真研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2012.

AdaptabilityAnalysisofSpatialModulationinAir-groundCommunications

LI Zhi-ming1,2，SHI Rong2，XIAO Yue1

(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China; 2.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu Sichuan 610036,China)

Spatial modulation is a new multi-antenna transmission technology,which has a great promise for covert communication.Conventional studies on spatial modulation mainly concentrate on ground communication scene,while the application in air-ground scene is rarely discussed.Considering the above fact,an improved air-ground communication channel model of spatial modulation is constructed on the base of a simple spatial modulation channel model.Furthermore,the channel correlations of air-to-ground and ground-to-air scenes are also discussed.Besides,the practicability of applying spatial modulation in air-ground communication is also analyzed.With respect to the above theoretical analysis,the effectiveness and transmission performance of spatial modulation are validated through simulation,which gives an important reference to the application of spatial modulation in air-ground communication.

MIMO;spatial modulation;air-ground communications;correlated channel;channel modeling

TN92

A

1003-3114(2017)06-31-6

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.08

李志明，石榮，肖悅.地空通信傳輸中空間調(diào)制的適應(yīng)性分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):31-36.

[LI Zhiming，SHI Rong，XIAO Yue.Adaptability Analysis of Spatial Modulation in Air-ground Communications[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):31-36.]

2017-07-25

國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(JS17041403811)

李志明(1993―)，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線與移動(dòng)通信。石 榮(1974—)，男，博士，研究員，主要研究方向：電子對(duì)抗、通信與雷達(dá)系統(tǒng)。