MIMO技術(shù)與衛(wèi)星通信的結(jié)合及在海上的應(yīng)用分析

張弛 李暉

摘要：衛(wèi)星通信是海洋通信的重要手段，而MIMO技術(shù)與衛(wèi)星的結(jié)合可以在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下提高系統(tǒng)的頻譜效率，本文列舉了三種MIMO與衛(wèi)星的結(jié)合方式，分別是單衛(wèi)星單地面站（雙極化MIMO）;單衛(wèi)星多地面站;多衛(wèi)星多地面站（分布式MIMO），并分析了他們于海上的適用性。

關(guān)鍵詞：MIMO;衛(wèi)星;雙極化;分布式;相關(guān)性;信道容量

一、前言

我國管轄的海洋面積約為300萬平方千米，其中蘊含了豐富的資源。無論是對海洋資源的開發(fā)還是進行海上貿(mào)易，都離不開一個重要的問題，那就是海上通信。目前我國的海上通信在近海主要依靠地面移動通信覆蓋，距離稍遠則通過特高頻（Ultra High Frequency，UHF）及甚高頻（Very High Frequency，VHF）頻段無線電進行廣播[1];在遠海方面通過租用國外的衛(wèi)星系統(tǒng)，如國際移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)[2]。雖然我們擁有自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但其功能主要是定位及導(dǎo)航，其具備的短報文通信能力在通信容量和延遲方面均不能完全滿足要求[3]。

自主衛(wèi)星通信網(wǎng)的建設(shè)有助于解決海上通信的諸多問題，而MIMO技術(shù)可以有效地提升通信容量及頻譜效率，其與衛(wèi)星的結(jié)合將有效提升其性能，本文將列舉MIMO與衛(wèi)星結(jié)合的不同形式并分析其在海上的適用性。

二、MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多輸入多輸出，指在通信系統(tǒng)的發(fā)送端將串行信號進行空時編碼后通過多天線進行并行傳輸，在接收端配置多個天線接收后再進行相應(yīng)的空時譯碼，通過利用空間這一維度來獲得增益的技術(shù)[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示

假設(shè)衛(wèi)星天線之間的距離為10 m，則系統(tǒng)上行鏈路地面站之間需要的最小距離為32.1 km，下行鏈路地面站之間的最小距離為40.9 km[16]。地面站的稀疏部署，在軍事方面對比密集部署的地面基站有著更好的抗軍事打擊能力，即地面站同時遭受攻擊導(dǎo)致通信癱瘓的概率較低。但若是將其應(yīng)用于海上，如此大的距離，對多個地面站位于一個海島、油氣平臺或艦艇來說，會是十分困難，甚至很難實現(xiàn)的。且這種方式下地面端的天線間距大，衛(wèi)星間的天線間距小，信道容量對于衛(wèi)星端天線的變化將會很敏感，衛(wèi)星的運動和偏移很容易造成信道容量的下降，不易于構(gòu)建最大化的信道容量[16]。

（三）多衛(wèi)星多地面站方式

這種方式下通信系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星和多個地面站組成，其結(jié)構(gòu)如圖4。

這種構(gòu)建方式下，每顆衛(wèi)星及地面站通過設(shè)置單天線協(xié)作構(gòu)建MIMO體系，這種方式也被稱為分布式MIMO。為了構(gòu)建正交信道，實現(xiàn)最大信道容量，兩顆衛(wèi)星的軌道間距需要在經(jīng)度上不小于0.5°[16]。

由于衛(wèi)星端天線的間距較大，地面站間的間距就可以相對較小，僅需數(shù)米或者數(shù)十米，可以搭建于海島或者海上作業(yè)平臺上。這種方式較適合于海上。但分布式MIMO的最大化信道容量需要滿足信道的正交性。文獻[16]里面列舉了分布式MIMO信道容量下降的幾種原因，分別為：延遲;衛(wèi)星的運動;地面站天線的偏移。

其中延遲造成的容量下降可以通過系統(tǒng)設(shè)計的方法解決[17]。衛(wèi)星端由于其間距較大，只要其運動的偏移在經(jīng)度±37.5 km，緯度±17.5 km內(nèi)，就不會對信道容量造成較大的影響[13]。地面接收端由于其天線間距較小，容易對信道容量造成影響。文獻[11]指出，天線間距的變化會影響信道容量，如圖5所示。

圖中假設(shè)其他參數(shù)不變，僅考慮地面天線間距的變化對信道容量的影響。其中橫坐標為地面端接收天線的距離，縱坐標為信道容量，可以看到，信道容量隨著天線的間距的改變做周期性變化，在接收天線間距為6 m時達到第一個最大值，以11 m作為信道容量最大值變化的周期。構(gòu)建正交信道，實現(xiàn)分布式MIMO的最大信道容量需要地面站天線較為精確的布置，為了避免地面站天線的偏移造成容量下降，可以適當(dāng)?shù)販p小衛(wèi)星的距離，即通過增大地面站的間距降低其敏感程度。

六、總結(jié)

雙極化MIMO的結(jié)構(gòu)由于海上頻繁降雨易造成去極化，且海上難以進行多徑傳輸，因而不適用于海上;單衛(wèi)星多地面站對地理條件限制較大，相距較遠的地面站在海上難以進行同步;分布式MIMO可以將地面站安裝在海島或者海上工作平臺上，較適合于海上的應(yīng)用，但要實現(xiàn)最大信道容量，還需要滿足信道的正交性，對地面站天線的位置需要進行相應(yīng)的布置。

參考文獻：

關(guān)田靜.多體制融合的海上衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究[J].無線互聯(lián)科技， 2017（18）：5-6.

王文革.海上通信方式選擇[J].中國海事， 2016（08）：47-48+52.

田向陽，喬文長.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在船舶海上航行中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2017（8）：54-56

Ketchum J W，Wallace M，Walton R J，et al.Pilots for MIMO communication systems[J]. 2016.

Tarokh V，Jafarkhani H，Calderbank A R.Space-time block codes from orthogonal designs[J].IEEE Transactions on Information Theory， 1999，45（5）：1456-1467.

Golden G D，F(xiàn)oschini C J，Valenzuela R A，et al.Detection algorithm and initial laboratory results using V-BLAST space-time communication architecture[J].Electronics Letters， 1999，35（1）：14-16.

Paulraj A J，Gore D A，Nabar R U，et al.An overview of MIMO communications-Akey to gigabit wireless.Proceedings of the IEEE.92.198-218.10.1109/JPROC. 2003.821915.

Larsson E，Tufvesson F，Edfors O，Marzetta，et al.Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems.Submitted to IEEE Commun.Mag...52.10.1109/MCOM. 2014.6736761.

Evans B G.Satellite communication systems[M]//Satellite Communication Systems. 1999.

Arapoglou P D，Liolis K，Bertinelli M，et al.MIMO over Satellite：A Review[J].IEEE communications Surveys&Tutorials， 2011，13（1）：0-51.

Schwarz R T，Knopp A，Ogermann D，et al.Optimum-Capacity MIMO Satellite Link for Fixed and Mobile Services[C].Proc.WSA 2008，pp.209-216.

Telatar E.Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J].European Transactions on Telecommunications， 1999，10（6）：585-595.

Tang X，Hua Y.Optimal Design of Non-Regenerative MIMO Wireless Relays[J].IEEE Transactions on Wireless Communications， 2007，6（4）：1398-1407.

Vasseur H.Degradation of availability performance in dual-polarized satellite communications systems[J].IEEE Transactions on Communications， 2000，48（3）：465-472.

Dantona V，Schwarz R T，Lankl B.Uniform Circular Arrays：the Key to Optimum Channel Capacity in Mobile MIMO Satellite Links[C]//Advanced Satellite Multimedia Systems Conference&the Signal Processing for Space Communications Workshop.IEEE， 2010.

Knopp A，Schwarz R T，Ogermann D，et al.Satellite System Design Examples for Maximum MIMO Spectral Efficiency in LOS Channels[C]//IEEE Globecom IEEE Global Telecommunications Conference.IEEE， 2008.

Yamashita F.et al.，Broadband multiple satellite MIMO system.Proc.VTC-2005-Fall，pp.2632-2636.