衛(wèi)星地面無(wú)線通信增強(qiáng)技術(shù)研究

楊松楠

【摘要】? ? 科技的進(jìn)步使得地面無(wú)線通信技術(shù)也取得了新的突破，使用衛(wèi)星進(jìn)行通信技術(shù)就是其中之一。該技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)在傳播區(qū)域和傳播效率上的缺陷，還實(shí)現(xiàn)了固定數(shù)量通信對(duì)象的大范圍通信目標(biāo)，是真正意義上的全球化通訊技術(shù)。地面無(wú)線限通信技術(shù)仍然多應(yīng)用在具有一定規(guī)模的城市中，而偏遠(yuǎn)的地區(qū)無(wú)線信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全覆蓋。衛(wèi)星通信系統(tǒng)利用地面和衛(wèi)星之間的傳播角度，有效地規(guī)避了地面障礙，極大地提高了通信的質(zhì)量和效果，還能克服地面通信環(huán)境惡劣的困難。隨著人們對(duì)通信質(zhì)量要求的不斷提升，未來(lái)衛(wèi)星地面無(wú)線通信的應(yīng)用性需要繼續(xù)加強(qiáng)，這就進(jìn)一步催生了本文將要研究的衛(wèi)星地面無(wú)線通信增強(qiáng)技術(shù)的誕生和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 無(wú)線通信? ? 衛(wèi)星地面? ? 增強(qiáng)技術(shù)

引言：

通信技術(shù)的發(fā)展是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一，也是科學(xué)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)力的飛速進(jìn)步，人們對(duì)于交流的需求不斷增加，各類(lèi)通信手段層出不窮，甚至開(kāi)始突破地域和空間的限制，帶來(lái)人們更加豐富和真實(shí)的通信享受。當(dāng)前地面的無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)第四代，系統(tǒng)的上行和下行數(shù)據(jù)處理效率達(dá)到了驚人的500Mbps—1000Mbps。在這個(gè)通信速率下，即使遠(yuǎn)距離也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延遲的信息傳輸。但是一旦遇到地面障礙，通信效果還是會(huì)受到影響。因此人們開(kāi)始將目光放在了廣闊的地外空間，嘗試用衛(wèi)星作為通信補(bǔ)充設(shè)備，為遠(yuǎn)距離、多障礙環(huán)境通信提供支持。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)工作，衛(wèi)星通信已經(jīng)形成了基本的數(shù)據(jù)陣列，具有覆蓋區(qū)域?qū)拸V、通訊時(shí)間長(zhǎng)、通信基數(shù)強(qiáng)大的特點(diǎn)，可以滿足任何惡劣環(huán)境下的通信需求。唯一的問(wèn)題在于衛(wèi)星通信的成本較高，目前還無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)民用普及，只能用于軍事通信和緊急通訊領(lǐng)域。如何在保證通訊效果的基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星通信技術(shù)完美移植到地面通訊系統(tǒng)中，并且有效地降低使用成本，是本文所要研究的重點(diǎn)所在。希望通過(guò)本文對(duì)多天線技術(shù)的研究，能夠?yàn)樾l(wèi)星地面無(wú)線增強(qiáng)技術(shù)的研究提供一些有益的參考。

一、多天線技術(shù)的概念

所謂的多天線技術(shù)，就是增加天線數(shù)量來(lái)獲得通信效果增益的方法。這種技術(shù)雖然看似簡(jiǎn)單，但是在實(shí)踐化的過(guò)程中會(huì)面臨巨大的考驗(yàn)。早在無(wú)線通訊剛剛問(wèn)世的時(shí)候，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基站天線數(shù)目趨于無(wú)窮大時(shí)，線路中的負(fù)面影響如假性高斯白噪聲和瑞利衰落等會(huì)趨于無(wú)窮小，直至可以忽略不計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)通訊效率的大幅度提高。但是當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量的基站建設(shè)，因此多天線技術(shù)的研究始終停滯不前。一般的無(wú)線通訊只需要兩個(gè)固定位置的接發(fā)終端，而多天線技術(shù)就是將多個(gè)接發(fā)終端連接在一起，形成一個(gè)密集型的天線配置，以此來(lái)獲得更多的傳輸空間和數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)。因此在實(shí)際環(huán)境中，接發(fā)終端的選址就成為了首要難題。其次就是多個(gè)天線的連接發(fā)射會(huì)出現(xiàn)多制式共存的情況出現(xiàn)，這就進(jìn)一步加劇了信號(hào)干擾和頻段碎片化的問(wèn)題。再加上節(jié)能環(huán)保與公共安全的需求，簡(jiǎn)單的多天線技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的無(wú)線通信需求。也正是在這樣的背景下，通訊技術(shù)才從過(guò)去的2G、3G升級(jí)到了現(xiàn)在的4G乃至5G。很多人并不理解這個(gè)升級(jí)過(guò)程，其實(shí)這個(gè)過(guò)程就是多天線技術(shù)的應(yīng)自我完善和技術(shù)升級(jí)，是開(kāi)發(fā)人員和運(yùn)用商在用戶需求、安裝環(huán)境與技術(shù)條件之間不斷求取平衡的過(guò)程。當(dāng)前4G技術(shù)已經(jīng)完成了普及應(yīng)用，成為了地面基礎(chǔ)通信技術(shù)的核心支撐。

未來(lái)5G和6G技術(shù)的應(yīng)用則對(duì)基站尺寸和通信質(zhì)量提出了進(jìn)一步的要求，其中還伴隨著通信頻率的增長(zhǎng)與天線數(shù)量的增加，由此可見(jiàn)多天線技術(shù)的研究和實(shí)施都具有較高的難度。

二、多天線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

多天線技術(shù)在地面通訊中具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這也是研究人員會(huì)投入大量時(shí)間精力進(jìn)行研究的動(dòng)力之一。在研究過(guò)程中技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，地面的多天線技術(shù)雖然能夠增強(qiáng)通信效果，但是多支天線的連接會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)多徑衰落，即造成信號(hào)干擾。如果想要在不改變基站發(fā)射功率的前提下改善衰落信道的損耗，就需要采用分集技術(shù)。分集技術(shù)的含義是分散傳輸和集中接收，因此被簡(jiǎn)稱(chēng)為分集技術(shù)。分散傳輸時(shí)為了有效降低信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生衰落的概率，而集中接收則是針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)一定程度衰落的信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)處理，降低信號(hào)電平起伏，因此來(lái)改善信號(hào)傳輸?shù)淖罱K質(zhì)量。當(dāng)前的分集技術(shù)主要有三種，時(shí)間分集、頻率分集和空間分集。

時(shí)間分集是借助信號(hào)傳播的時(shí)間間隙來(lái)進(jìn)行傳送，使同樣的信號(hào)能夠形成多頻次的傳輸效果。每個(gè)信號(hào)都會(huì)經(jīng)歷固定的衰落過(guò)程，但是在接收端接收到的信號(hào)卻是因?yàn)榘l(fā)送時(shí)間有差異而導(dǎo)致衰落程度不同的同一個(gè)信號(hào)，接收端將這些信號(hào)整理合并之后形成一個(gè)完整的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了該信號(hào)的最有效傳輸。時(shí)間分集準(zhǔn)確地利用了信道傳播的時(shí)間差異特性，且編碼技術(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使得接收端在接收信號(hào)之后也可以完整地進(jìn)行復(fù)原，有效地降低了衰落的影響。

頻率分集則是利用信號(hào)傳播的不同頻段之間的差異來(lái)進(jìn)行傳送，每個(gè)頻段發(fā)送的信號(hào)都是相同的。這樣在接收端接收到的不同頻段信號(hào)也會(huì)同時(shí)間分集一樣，形成不同程度的衰落。接收端只需要將這些信號(hào)源載體進(jìn)行合并，就可以獲得完整的初始信號(hào)。與時(shí)間分集一樣，頻率分集的最小間隔不得小于信道的帶寬，否則會(huì)造成信號(hào)干擾或丟失。不同的是，時(shí)間分集采用編碼技術(shù)將信號(hào)進(jìn)行合并，而頻率分集則是采用多載波調(diào)制和跳頻的方法來(lái)進(jìn)行合并。

空間分集是對(duì)一定范圍的空間內(nèi)的所有信號(hào)進(jìn)行分集合并，它的分集方式有極化分集、發(fā)射分集和接受分集。空間分集是最為復(fù)雜的技術(shù)，它需要將不同空間的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行合并增強(qiáng)，還要保證相鄰的天線之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。這是因?yàn)榈孛嫣炀€的設(shè)置會(huì)因?yàn)槠涓叨纫约爸車(chē)h(huán)境的影響而出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，如果兩股波動(dòng)頻率相近，就會(huì)形成近波干擾，使信號(hào)出現(xiàn)缺失。因此在設(shè)置天線時(shí)會(huì)保證相鄰的距離不小于半個(gè)載波的長(zhǎng)度，以此來(lái)保證基本的信號(hào)安全。

三、多天線技術(shù)的分類(lèi)

隨著多天線技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成了十分成熟的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)種類(lèi)，并且衍生出了各自的技術(shù)體系，例如當(dāng)前火熱的5G技術(shù)就是以多天線技術(shù)為基礎(chǔ)的新型技術(shù)?？紤]到篇幅限制，本文僅介紹兩種最為常見(jiàn)的類(lèi)型。

3.1多輸入多輸出技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)又被稱(chēng)為增強(qiáng)的多輸入多輸出技術(shù)，顧名思義可知該技術(shù)就是多天線技術(shù)的增強(qiáng)版本。它可以在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的前提下充分利用有限的空間來(lái)提高信道容量，是信號(hào)的接發(fā)效率得到顯著增加，這也是5G技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的基本要素。

當(dāng)前多輸入多輸出技術(shù)已經(jīng)在地面通訊系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其廣闊的信號(hào)覆蓋維度和簡(jiǎn)便的信號(hào)接發(fā)裝置獲得了業(yè)內(nèi)人士的一致認(rèn)可，也打開(kāi)了人們?cè)谛l(wèi)星地面無(wú)線通信中采用該技術(shù)的新思路。當(dāng)前的研究核心在于如何統(tǒng)一衛(wèi)星和地面接發(fā)裝置的信道，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)差異傳輸。地面通訊由于空間充足，因此可以采用空間分集將天線的所有散射路徑進(jìn)行充分利用，形成獨(dú)立的子信道，這些子信道的存在使得整個(gè)通信系統(tǒng)的容量得到了極大提升。而衛(wèi)星所處的近地環(huán)境的傳播空間有限，信號(hào)基本只能保持直線傳播，無(wú)法采用這種空間分集的方法進(jìn)行信道構(gòu)建。如果單純?cè)黾犹炀€不僅會(huì)導(dǎo)致直線信道彼此之前出現(xiàn)干擾，還會(huì)對(duì)衛(wèi)星形成安全隱患。

3.2預(yù)編碼和功率分配技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用，預(yù)編碼技術(shù)和功率分配技術(shù)派上了用場(chǎng)。預(yù)編碼技術(shù)能夠根據(jù)不同信道傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行預(yù)處理，從而保證了信號(hào)傳輸?shù)膹?qiáng)度和完整性。功率分配技術(shù)是針對(duì)不同類(lèi)型的信號(hào)端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證接入系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低頻譜效率和能量損耗。這對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)有著重要意義。

因?yàn)樾l(wèi)星只能通過(guò)太陽(yáng)能供電，控制系統(tǒng)能量損耗是第一要求，功率分配技術(shù)可以保證衛(wèi)星運(yùn)行壽命更長(zhǎng)，同時(shí)保證不同類(lèi)型信號(hào)端傳送的信號(hào)在最低功耗下得到最有效的處理。而預(yù)編碼技術(shù)能夠使固定范圍內(nèi)的信號(hào)端實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，這樣有助于衛(wèi)星將信號(hào)處理器維持在一個(gè)固定的頻率段進(jìn)行工作，目的也是延長(zhǎng)其使用壽命，提高信號(hào)處理的效率。

四、多天線技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

為了增強(qiáng)衛(wèi)星地面無(wú)線通信效果，可以嘗試將多天線技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)通信效果的改善。除了多天線技術(shù)之外，多波束技術(shù)也可以應(yīng)用于衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)。它是通過(guò)多種天線形式來(lái)產(chǎn)生多個(gè)元波束，這些元波束能夠覆蓋一定的空間范圍，在范圍內(nèi)保證信號(hào)傳播的有效性。

然而多波束技術(shù)之間會(huì)存在比多天線技術(shù)更加顯著的干擾，特別是在增加信號(hào)傳輸速度的時(shí)候，波束間的干擾已經(jīng)影響到了信號(hào)的正常傳輸。雖然可以通過(guò)預(yù)編碼和功率分配技術(shù)來(lái)減少干擾，但是消除效果并不如天線傳輸顯著。由此可知，簡(jiǎn)單的多天線技術(shù)是無(wú)法直接應(yīng)用于衛(wèi)星的，這是因?yàn)樾l(wèi)星體積有限，單純地增加天線數(shù)量只會(huì)導(dǎo)致信道之間增加干擾，不僅降低了信號(hào)的準(zhǔn)確性，也給衛(wèi)星的平穩(wěn)運(yùn)行造成了不利影響。我們可以采用多輸入多輸出技術(shù)，使一定數(shù)量的天線按照需求形成對(duì)應(yīng)程度的極化，然后安置在衛(wèi)星上。這樣不僅解決了天線數(shù)量所造成的各種問(wèn)題，也實(shí)現(xiàn)了地面衛(wèi)星信號(hào)端的完全同步。

具體實(shí)踐過(guò)程如下：

首先確定衛(wèi)星地面的通信結(jié)構(gòu)，即地面和衛(wèi)星雙向都是極化型天線，保證通信信號(hào)的穩(wěn)定性。極化后的天線可以在接收信號(hào)之后進(jìn)行復(fù)用處理，有效消除天線之間的干擾。當(dāng)需要多個(gè)衛(wèi)星協(xié)同通信時(shí)，為了避免極化天線之間產(chǎn)生干擾，需要利用空間分集來(lái)發(fā)射信號(hào)以提高傳輸?shù)耐暾省Ｍ瑔误w天線一樣，極化天線也可以看做是一個(gè)獨(dú)立天線，一旦出現(xiàn)關(guān)聯(lián)性干擾，就會(huì)對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確性造成破壞。

最后，為了進(jìn)一步保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，還要在衛(wèi)星和地面的信號(hào)端設(shè)置編碼系統(tǒng)，利用預(yù)編碼技術(shù)來(lái)消除可能存在的干擾。為了滿足全球通訊的需求，系統(tǒng)的預(yù)編碼應(yīng)當(dāng)以多個(gè)衛(wèi)星終端為模板進(jìn)行設(shè)置，以此來(lái)保證系統(tǒng)中存在的多個(gè)衛(wèi)星天線干擾可以得到有效消除。這是因?yàn)轭A(yù)編碼技術(shù)存在固定的數(shù)量限制，想要保證消除效果就要考慮衛(wèi)星極化天線的數(shù)量，兩者之間呈正相關(guān)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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