星地空分復用高通量數(shù)據(jù)傳輸技術

陳 穎，劉 洋，張成偉

(1.敏捷智能計算四川省重點實驗室，四川 成都 610036；2.中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠、通信容量大、覆蓋范圍廣、靈活機動性高等優(yōu)點，其全球通信覆蓋能力和機動性，在軍、民信息領域中發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]。近年來，隨著衛(wèi)星通信技術以及互聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境的發(fā)展與變化，為了進一步滿足軍用/民用對全球無縫覆蓋的寬帶網(wǎng)絡的迫切需求，特別是解決沙漠、海洋以及偏遠地區(qū)等苛刻環(huán)境下的通信問題，各國都開始著力于天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的建設，譬如OneWeb星座系統(tǒng)[3]、SpaceX提出的Starlink星座、加拿大TeleSat公司提出的TeleSat LEO、亞馬遜公司提出的Kuiper、我國航天科工集團提出的虹云工程、航天科技集團提出的鴻雁星座、電子科技集團的天地一體化信息網(wǎng)絡以及銀河航天的銀河Galaxy系統(tǒng)等[4-5]。我國已將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“新基建”范疇，并在2021年成立了中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團有限公司，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將進入密集部署實施階段。

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用場景的不斷深入，衛(wèi)星互連網(wǎng)承載的業(yè)務量越來越大，系統(tǒng)對星地、星星之間的信息傳輸速率要求越來越高[6]。而當前星地高速數(shù)據(jù)傳輸速率約在600 Mbit/s ～ 2 Gbit/s左右，遠不能滿足未來高速發(fā)展的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用需求[7]。星地之間更高速率的數(shù)據(jù)傳輸面臨頻率資源的限制、器件能力等多方面的限制。比如Ka頻段，以28 GHz做為中心頻率，采用16QAM高階調(diào)制，當星地通信速率達40 Gbit/s時，所需信道帶寬高達20 GHz，如此寬的帶寬遠超Ka頻段功率器件、射頻器件、甚至天線組件所能工作的范圍，更不用說AD、DA、FPGA、DSP等其他數(shù)字器件，也就是說傳統(tǒng)的星地單通道數(shù)據(jù)傳輸模式很難實現(xiàn)更高速率的通信傳輸。

空分復用，或者說MIMO技術是解決更高速率星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х椒?，其核心思想是將單通道高?shù)據(jù)碼流分解成多個并行傳輸?shù)牡退俾蚀a流進行傳輸[8]。在地面移動通信中，廣泛采用MIMO技術，降低高速率通信下的符號速率，實現(xiàn)了多徑條件下的高速率通信[9-10]。而星地通信中，如何更好地利用空分復用技術實現(xiàn)更高速率的傳輸面臨著更多的問題：一方面，星地之間通信距離遠、星上資源受限、信道波動大；另一方面，由于衛(wèi)星過頂時間短，星地之間通信速率遠遠高于地面移動通信，其速率要求高達數(shù)十、甚至百Gbit/s，遠超當前器件、計算資源的極限。如何在資源受限、器件能力受限情況下,實現(xiàn)星地更高速率是問題的焦點。

針對未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等高速寬帶網(wǎng)絡的海量數(shù)據(jù)即時傳輸需求，本文提出一種基于空分復用的星地高通量傳輸架構(gòu)，并從系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案、系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信號預處理、寬帶MIMO信道空時均衡等方面進行了詳細分析與設計。

1 空分復用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸總體方案

1.1 空分復用基本原理

根據(jù)香農(nóng)定理，帶限加性高速白噪聲(AWGN)信道容量C可表示為：

(1)

式中，M表示系統(tǒng)獨立信道數(shù)量，B表示系統(tǒng)傳輸帶寬，PS表示接收端信號功率，PN表示接收端噪聲功率。一般的，式(1)也可以用頻譜效率SE(bit/s/Hz)的形式來表示：

C=M·B·SE。

(2)

由式(2)可知，提升系統(tǒng)傳輸容量可以通過如下途徑實現(xiàn)[11]：

① 增加獨立信道個數(shù)：如采用極化復用、空分復用等方式；

② 增加系統(tǒng)帶寬：頻段越高，系統(tǒng)可用帶寬越寬，但是隨著頻段的升高，大氣損耗、雨衰等更加嚴重，將會大大影響系統(tǒng)傳輸性能；

③ 采用頻譜效率更高的信號傳輸方式：如采用16QAM、16APSK、32QAM、64QAM等高階調(diào)制方式，但是隨著調(diào)制階數(shù)的升高，其解調(diào)門限也逐漸升高，需要通過增加發(fā)射功率等方式來保證系統(tǒng)的鏈路余量。

基于空分復用的MIMO通信系統(tǒng)的核心思想是空時信號處理，即在傳統(tǒng)通信的時間維度上，通過收發(fā)兩端均使用多路天線配置，來增加空間維度信息，利用多根天線所帶來的多條獨立傳輸路徑來獲得空間復用增益。與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，基于空分復用的MIMO通信系統(tǒng)在利用頻率、相位、時間等通信系統(tǒng)資源的同時，還充分利用空間資源，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，成倍提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，其工作示意圖如圖1所示。圖中，Nt為發(fā)射天線個數(shù)，Nr為接收天線個數(shù)。理論上，如果天線的空間和成本與射頻通道不受限制，系統(tǒng)就能提供無限大的容量，這也是基于空分復用的高通量MIMO通信系統(tǒng)充分利用了空間維度的結(jié)果。

圖1 MIMO系統(tǒng)傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of MIMO system transmission

1.2 空分復用星地高通量傳輸總體方案

完整的衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)包含衛(wèi)星、地面站兩部分。為構(gòu)成星地MIMO系統(tǒng)，需要在一顆衛(wèi)星上配置多根發(fā)射天線，在地面通過布置多個地面接收天線實現(xiàn)對發(fā)射信號的接收，系統(tǒng)視圖如圖2所示，其中①～④表示4根信號發(fā)射天線?；诔墒斓暮撩撞夹g、高階調(diào)制技術以及MIMO空分復用技術，在衛(wèi)星上搭載4根Ka頻段高效率毫米波天線，與4個地面接收站構(gòu)成一個4×4的MIMO天線，通過16QAM高階調(diào)制，在5 GHz帶寬條件下可實現(xiàn)40 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸能力。如果再利用天線分極能力，可以實現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸通信能力。

圖2 空分復用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of space division multiplexing satellite-to-ground high-throughput data transmission

由于系統(tǒng)需要在單星上布置4個獨立的Ka頻段天線，考慮到星上承載能力，在系統(tǒng)設計時應充分考慮系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、功耗等指標要求。同時，由于系統(tǒng)采用4根發(fā)射天線與4根接收天線來達到空分復用的目的，要實現(xiàn)空間信號的獨立信道傳播，必須滿足瑞利距準則，即空間傳輸距離應小于等于瑞利距。因此，在系統(tǒng)設計時，應統(tǒng)籌考慮射頻信號波長、發(fā)射/接收天線數(shù)量、發(fā)射和接收天線間間距等設計指標。

1.3 設備組成

基于空分復用的星地高通量傳輸鏈路設備組成(下行鏈路)邏輯框圖如圖3所示，由星載數(shù)據(jù)分發(fā)、高速高階實時調(diào)制處理、星載發(fā)射信道、星載發(fā)射天線、地面接收天線、地面接收信道以及地面高通量MIMO信號處理等邏輯模塊組成。

圖3 空分復用高通量設備組成邏輯框圖(下行鏈路)Fig.3 Logical block diagram of space division multiplexing high-throughput equipment (downlink)

星載端，星載數(shù)據(jù)分發(fā)模塊首先將原始數(shù)據(jù)流并行4路送入星載高速高階實時調(diào)制信號處理模塊，星載高速高階實時調(diào)制信號處理模塊完成4路原始數(shù)據(jù)的高階調(diào)制、星座映射、自適應編碼、數(shù)字預失真處理及高速DA，送入星載發(fā)射信道模塊；星載發(fā)射信道模塊對接收到的4路基帶調(diào)制信號進行上變頻，變換到Ka波段，再經(jīng)過Ka波段模擬預失真后送至Ka波段功放模塊進行功率放大，經(jīng)射頻濾波后送至Ka波段發(fā)射天線進行空間無線發(fā)射。

地面接收信道分系統(tǒng)接收到空間傳播的4路射頻信號后，經(jīng)射頻濾波送至4路下變頻模塊進行下變頻，完成下變頻的4路基帶信號送至地面高通量MIMO信號處理模塊。

地面基帶信號處理模塊對接收到的模擬復基帶信號進行10 GHz的高速AD采樣，將采樣后的數(shù)字信號送入4路基帶信號處理模塊進行數(shù)字抗混疊濾波、符號同步及載波頻率補償校正等處理。處理后的數(shù)據(jù)信息送入MIMO信號分離模塊，完成對接收到的4路空分復用信號解復用、寬帶信道均衡、高速解調(diào)等處理。再經(jīng)高速譯碼輸出模塊進行信號譯碼，同時輸出至數(shù)據(jù)整合模塊，完成信號的接收處理[12-13]。

考慮當前器件限制，系統(tǒng)主要參數(shù)可按表1進行設計。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)設計

2 空分復用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸幀格式

對于星地高通量空分復用數(shù)據(jù)傳輸，需要考慮的問題很多，包括多普勒頻率動態(tài)、空間信號接收幅度動態(tài)、空分解復用、空間寬帶信道變化等多種因素[14-15]，但核心問題在于當前芯片的處理能力。按表1涉及參數(shù)，每一路的數(shù)據(jù)傳輸速率是10 Gbit/s，采用16QAM調(diào)制后的符號速率為2.5 GBaud，調(diào)制符號的持續(xù)時間為Ts= 0.4 ns。對如此高數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)進行各種處理，需要平衡各方面的因素，通過合理設計，實現(xiàn)芯片處理能力、計算復雜性、計算能力的均衡[16]。為此，對空分復用星地高通量數(shù)據(jù)傳輸進行幀格式設計，通過發(fā)送端合理的幀格式設計，實現(xiàn)接收端的最簡最優(yōu)計算。

系統(tǒng)幀格式如圖4所示，信號幀由符號同步序列加數(shù)據(jù)段組成，按4路同步發(fā)射。

圖4 系統(tǒng)幀格式Fig.4 System frame format

圖4中，符號同步序列主要用于接收端對該幀數(shù)據(jù)進行頻偏估計、符號同步等處理，按式(3)進行計算。其中R(n)的峰值為最佳符號采樣點處，而收發(fā)之間的頻差可由峰值的I、Q信息計算得出，其中r表示接收信號，UW表示本地符號同步序列序列。

(3)

該部分為流式數(shù)據(jù)，主要運算為相關匹配濾波，計算相對固定，故可方便地采用現(xiàn)場可編程器件(FPGA)進行并行處理。

3 毫米波LOS MIMO信道空時均衡

星地空分復用高速傳輸技術與地面基站間的空分復用技術有較大區(qū)別。地面環(huán)境通常較為復雜，電磁波在傳播過程中會頻繁散射折射，所以接收陣列將接收到大量多徑信號。得益于這些豐富的多徑信號，使得MIMO信道之間互相獨立，確保了空間多數(shù)據(jù)流的并行傳輸。但是衛(wèi)星與地面天線之間的空間屬于自由空間，電磁波傳播幾乎不發(fā)生散射，地面天線接收的是衛(wèi)星直射信號，這種不依賴多徑信號的空分復用技術被稱為視距MIMO(Line-of-sight MIMO，LOS MIMO)。圖5為LOS MIMO一種比較典型的工作模式。

圖5 4×4規(guī)模LOS MIMO系統(tǒng)解復用示意圖Fig.5 Schematic diagram of demultiplexing of 4×4 scale LOS MIMO system

3.1 LOS MIMO信道特征及陣列設計

為了保證信道之間的正交性，LOS MIMO的收發(fā)陣列有嚴格的設計準則。圖5為收發(fā)為互相平行的均勻線性陣列，收發(fā)陣列之間的直線距離為D，發(fā)射陣列中單元間距為dt，接收陣列中單元間距為dr。為了研究的直觀性和便利性，先把問題簡化為平坦衰落信道，此時，信道矩陣建模為：

基于有限元及試驗的發(fā)動機飛輪模態(tài)分 析 ……………………………………… 孟德健，張伯俊，董曉偉（32）

(4)

(5)

式中，σ為常數(shù)。若系統(tǒng)的信道特征嚴格滿足式(5)，則發(fā)射天線互相之間不干擾，此時系統(tǒng)具有最大通信容量。本文后續(xù)使用射線追蹤的方法分析均勻線性天線陣列的最優(yōu)設計。

(6)

則天線i和j之間的距離表達為:

(7)

式中，當陣列間的距離D遠遠大于陣列中的元素間距dt和dr時，約等號成立。對于平坦衰落的信道，天線i，j之間的信道參數(shù)為：

(8)

式(8)考慮平坦衰落情況下的信道增益，再把星地數(shù)傳的信道頻選特性考慮進去，則可得到實際中的LOS MIMO信道為：

(9)

(10)

由式(5)可知，當信道間滿足正交性時，LOS信道矩陣的不同列內(nèi)積必為0，即

(11)

對式(11)化簡最終得到關系為:

(12)

式中，Nr=4。由此可見，LOS MIMO信道的正交性完全由收發(fā)天線陣元的間隔、收發(fā)天線陣列之間的距離以及載波頻率完全確定，對于一個確定的載波λ，選擇合理的間隔dr和dr，完全可以使LOS MIMO系統(tǒng)的容量最大化。

3.2 訓練序列

圖6所示為擬采用的傳輸幀結(jié)構(gòu)，包括獨特字UW和負載數(shù)據(jù)DATA兩部分。均衡算法在時域執(zhí)行，為了保證時域卷積的閉合性，在負載數(shù)據(jù)DATA之間循環(huán)插入兩塊獨特字。此處的獨特字UW主要起到兩個作用：① 與循環(huán)前綴CP功能相似，可以起到保護間隔的作用，防止幀與幀之間在時域上互相干擾；② 由于UW細節(jié)已知，可以作為尋列序列，用以估計均衡器的系數(shù)。Chu序列具有平穩(wěn)的頻率響應和很好的相關特性，比較適合用于信道和均衡器參數(shù)的估計，其生成方式如式(13)，其中的n為1～N之間的整數(shù)，最好取為質(zhì)數(shù)，按式(13)生成的Chu序列在復平面的分布如圖7所示。

(13)

圖6 訓練序列(UW)插入方式Fig.6 Training sequence (UW) insertion method

圖7 時域Chu序列在復平面的分布Fig.7 Distribution of a time-domain Chu sequence in the complex plane

3.3 空時均衡器

MIMO空間解復用及寬帶信道均衡器可以混合在一起進行，本質(zhì)上是FIR形式橫型濾波器，對于4×4的系統(tǒng)其一般形式可以表達為：

(14)

(1) 信道參數(shù)估計階段

將式(14)用矩陣形式表達為：

Xt=YWt,

(15)

式中，Xt為發(fā)射天線t發(fā)射的UW序列，Y為4根接收天線收到的UW信號，由于循環(huán)插入兩塊獨特字UW，所以Y是一個循環(huán)矩陣，而Wt為針對發(fā)射天線t的均衡器系數(shù)，三者具體形式如式(16)～(18)所示，其中N為單塊UW的長度，L為抽頭數(shù)。

(16)

(17)

(18)

信道參數(shù)估計階段Xt和Y均為已知量，基于最小均方差準則的均衡器系數(shù)估計為：

(19)

(2) 信號恢復階段

圖8 4×4 MIMO均衡器的結(jié)構(gòu)Fig.8 Equalizer structure of 4×4 MIMO

4 仿真分析

為了驗證系統(tǒng)的有效性，對4×4規(guī)模的LOS MIMO系統(tǒng)架構(gòu)及關鍵算法進行了仿真驗證。收發(fā)天線陣列之間距離D= 8.0 km，天線陣元間距為dt= 10 m，dr= 10 m。系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方式為16QAM，單根天線符號速率為2.5 GBaud，訓練序列長度為128，數(shù)據(jù)區(qū)長度為16 384?？諘r均衡器的階數(shù)取為L= 16。

4.1 構(gòu)造LOS MIMO信道

首先構(gòu)造LOS MIMO信道矩陣對4組輸入信號進行空時疊加。LOS信道由兩部分組成，一部分是具有頻選特性的大氣信道HRF，如圖9所示；另一部分是基于收發(fā)端天線陣列幾何結(jié)構(gòu)特征的復增益Hg，如式(20)。HRF會使信號出現(xiàn)時域串擾，Hg則會使來自不同發(fā)射天線的信號混疊起來。

(20)

圖9 大氣信道頻域響應HRFFig.9 Frequency domain response HRF of the atmospheric channel

4.2 均衡結(jié)果

圖10為接收端未空間解復用、均衡前直接接收到的信號星座圖，圖11為空間解復用及均衡后輸出的信號星座圖，圖中Eb/N0= 20 dB。圖12為Eb/N0等于2～20 dB時的BER曲線。

(a) 天線1接收信號星座圖

(b) 天線2接收信號星座圖

(a) 天線1恢復信號星座圖

(b) 天線2恢復信號星座圖

(c) 天線3恢復信號星座圖

(d) 天線4恢復信號星座圖圖11 空間解復用及均衡后輸出的信號星座圖(Eb/N0 = 20 dB)Fig.11 Constellation diagram after spatial demultiplexing and equalization (Eb/N0 = 20 dB)

圖12 仿真Eb/N0-BER變化曲線Fig.12 Simulation curve of Eb/N0 -BER

5 結(jié)束語

根據(jù)國家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，衛(wèi)星寬帶已經(jīng)成為與水電路同等重要的基礎設施。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、高通量衛(wèi)星技術的發(fā)展，星地高速數(shù)據(jù)傳輸速率需求已遠超Gbit/s量級?，F(xiàn)有的星地微波傳輸通信系統(tǒng)，受制于頻率資源、天線口徑、器件能力、計算能力等多方面的制約，最高傳輸速率約為600 Mbit/s～2 Gbit/s，遠不能滿足未來星地高速數(shù)據(jù)傳輸需求。為滿足未來星地高通量數(shù)據(jù)傳輸需求，本文給出了一種在頻率、器件、計算等資源條件受限情況下，采用空分復用并行傳輸方案，在5 GHz帶寬條件下，可實現(xiàn)星地40 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸方案，并給出了仿真實驗結(jié)果。該方案可為天地一體化、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、B5G/6G空天地網(wǎng)絡等方面的建設提供有力參考。