卫星网络的协作通信技术

张 艳,胡小丽,宋维君

(南京信息职业技术学院,南京 210046)

1 引 言

随着军事航天、通信等技术的发展,战争空间正在向更高方向延伸,外层空间成为关系国家安全和夺取战争胜利的重要战场。航天技术的发展特别是航天器在军事领域的深入应用,对国家安全产生了重大而深远的影响。

卫星围绕地球运行在一个圆形或椭圆形轨道上,按照轨道高度可以分为:低轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星,轨道高度在500～1500km;中轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星,轨道高度在10000～12000km;高椭圆轨道(High Elliptical Orbit,HEO)卫星,轨道高度在20000km以上[1]。其中对地球同步卫星使用中继通信机制,可以获得免费冗余上行链路和下行链路的资源,这样卫星网络能够得到更好的资源分配和管理。

在协作的网络结构中,通过中继信道在源端和目的端建立不同的独立路径。该中继通道可以被认为是一个多跳传输,其作为一个辅助渠道,是源端和目的端之间的直接通道。协作通信过程中的关键环节是中继处理重传源端的接收信号,不同的中继处理过程导致不同的协作传输协议。

按照中继对接收信号的处理方式,中继协作策略可分为放大转发(Amplify-and-Forward,AF)[2]、解码转发(Decode-and-Forward,DF)[2]和编码协作(Coded Cooperation)3种基本类型。

本文分析了用于点对点和点对多点通信链路协同通信技术的使用,通过设计一个简单的中继模型来分析多节点协作通信方式。符号错误率(SER)是评估各种中继方案的性能指标,通过观察SER曲线,可以预测放大转发和解码转发协作通信系统的最佳的能量分配。对于多卫星网络系统产生的多普勒效应,必须考虑使用多节点系统性能分析。在多节点或多跳情况下,带宽效率也起着重要的作用,并可以通过符号错误率分析和对 N个中断的中断概率分析来确定。

2 单中继模型

在本文中,假设有两个用户的协作模型,用户1是源端,用户2是中继,如图1所示,这样的系统可分解为两个阶段:第一阶段是广播信道,源端将信息同时传输给目的端和中继;第二阶段是协作阶段,中继重传接收到源端的信号给目的端[3]。

图1 单中继模型Fig.1 Single relay model

在第一阶段,当源端将信息传输到目的端和中继时,在中继端接收到的信号ys,r与在目的端接收到的信号ys,d可以分别用公式表示为

式中,Ps,r和Ps,d是源端的传输能量,m是传输的信息,ns,r和ns,d分别是源端到中继信道的噪声和源端到目的端信道噪声,Js,r和Js,d分别是源端到中继的信道衰减系数和源端到目的端的信道衰减系数,s,d和s,r是源端到目的端和源端到中继的多普勒频移函数。

同样考虑路径损失、阴影和多普勒效应的影响。依据统计学知识,信道衰落可以用概率密度函数来表征3种不同分布:莱斯分布、瑞利分布和对数正态分布。信号的包络可以用r表示,x和y是正交向量:

设fd是多普勒频移(单位Hz),α是漫射部分的到达角度,

根据这些约束条件,可以设计如下中继协议。

(1)放大转发(AF)

在放大转发模式下,中继用户第一步接收到其伙伴所发射的被噪声污染的信号,在第二步放大并转发这些信号;目的端则以一定的准则合并中继用户转发的和源端所发送的信息,形成最终的判决。J.N.Laneman在文献[4]中,以中断概率(Outage Probability)为指标,分析了两个用户以时分半双工方式进行放大转发协作的性能。分析结果表明,当信噪比较高时,系统可以获得二阶的分集增益。此处,分集阶数(Diversity Order)可以看作空间不相关信道的个数(需要注意的是,分集阶数并不简单地等于天线个数或参与协作的用户数)。尽管在放大中继过程中,噪声也被放大并转发,但由于基站接收到两个独立衰落的信号,因而可以作出更好的判决和检测。

在中继端得到的信噪比可以表示为

中继的传输信号fAF(ys,r)=Pr×ys,r,Pt是源端传输信号的能量,uc取决于信道特性。

对于放大转发模式,它是假定目的端知道用户间信道系数来做最佳解码的。在此模式下,同时交换或估计信道信息是有必要的。该信道的信息可以通过计算目的端的总瞬时信噪比来获得。目的端的信噪比是源端的信噪比与中继的信噪比之和。

在协作阶段,目的端接收到的信号为

通过对目的端和中继链接,以及从源端到目的端的链接,目的端接收到信号m两个副本,如果平均能量为1,在输出端瞬时信噪比等于接收到信号的两个阶段的信噪比之和:

式中,K和H是独立的信道常数。放大转发模式下的瞬时互信息可表示为

将SNR的值代入上式可得到:

(2)解码转发(DF)

解码转发中,中继用户试图接收并检测其伙伴的比特信息,并在第二步转发判决后的比特信息。虽然解码转发比放大转发模式在减少中继端的加性噪声的影响有优势,但当用户间信道质量较差时,用户有可能对其伙伴的信息做出错误判决,错误地将检测到的信号转发到目的地,造成错误的传播,此时协作传输不能达到完全分集,从而降低了系统的性能[5]。根据解码转发传输过程中信道衰减的特性,可以得到互信息为

中断概率可以用公式表示为

放大转发的协作能力能否达到预期效果取决于中继用户能否正确解码接收到的信号,因此,随着信道信噪比提高与错误的概率降低,可以得到较高的解码率。如果调整中继端的信号传输功率,就可以达到较低的中断概率。

本文采用平均功率分配和完全功率分配两种方法对放大转发和解码转发协议的中断概率进行仿真比较,如图2所示。从仿真结果中可以看出,当信噪比足够高时,放大转发协议的中断概率优于解码转发协议,信号的传输功率分配增加,导致中断概率的减小,完全功率分配比平均功率分配方法提高约3dB的信噪比。

图2 放大转发和解码转发两种协议的中断概率Fig.2 Outage probability performance of AF protocol and DF protocol

3 中继站的影响因素

卫星与星载平台和地面基站都是不断运动的,这使得设计一个保持固定路径到目的地的分布式网络变得非常困难。中继选择成为帮助确定网络容量和分集的一个关键因素。星载平台是由太阳能电池板供电,因此每次传输最需要考虑设计的一个条件是尽量减少电力消耗。针对特定的吞吐量而要达到空间分集的网络,使用MIMO技术可以大大降低发射功率。

中继选择的策略是基于距离的估计或信道的强度来选择。在分布式方案中,选择协作中继用户的策略是选择最接近从源端到目的端的用户。在选择性的协作方案中,瞬时的信道强度起着决定因素。要计算信道强度,就要研究与空间直视关联的信道模型——自由空间传播损耗模型。一般来说,卫星与星载平台和地面基站是直视距离,只是间隔的距离很大。如果设发送端与接收端的距离为d,那么此模型引入一个复合参数,则接收信号可以表示为

式中,GT为发射天线增益,λ是工作波长,fc为工作频率。

传输信号功率为

接收功率与距离d和载波频率fc是成反比的。因此,载波频率越高所需的功率越低。接收天线的有效面积取决于频率,接收功率(单位dBm)可以表示为

信道信息和功率的要求,可以通过源端和中继之间的全双工链路控制通道来传递给源端。

4 点对多点的协作通信

点对多点的协作通信系统仍然分为两个阶段:信源广播和中继转发。在信源广播阶段,发射节点首先广播要发送的符号向量,所有中继节点和目的节点进行接收。然后,所有中继节点将接收到的信号进行中继处理。考虑到在源端附近有多个中继节点,以及发送端的广播特性,源端发送的信息可能会被附近的其它节点接收[6]。假设任意两个节点之间无线链接的是加性高斯白噪声的瑞利窄带信道,每个链路的衰落特性在统计学上是独立的,每个中继节点都使用独立的中继策略[7]。每个中继节点都能计算接收到的信噪比,如果接收到的信噪比的值高于指定的阈值,则将信息转发给下个节点。每个中继节点合并从源端的信号与L(1≤L≤N-1)个之前的中继节点接收的信号,目的节点将合并从源端节点与所有中继节点接收到的信号,这样可以得到接收端的信号与每个中继节点的信号表达式分别为

在中继协作阶段,第 i个中继节点将信息解码后以Pi的功率转发到下个节点和目的节点。目的节点最后接收到的信号可表示为

点对多点的协作模式可认为是源节点与中继节点之间的多址方式,在空间上形成类似多跳无线网络,中继节点可以用预设的信噪比门限作为怎样处理接收到的信号的准则。图3的仿真结果表明,中继节点数越多,系统的误码率越低,但是要想达到有效的和无差错的中继节点选择,只有借助纳什均衡实现应用层的资源分配,这也是下一步的工作。

图3 中继节点数与BER的关系曲线Fig.3 The number of relay vs.BER

[1] 刘国梁,荣昆璧.卫星通信[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1987.LIU Guo-liang,RONG Kun-bi.Satellite Communication[M].Harbin:Heilongjiang Science and Technology Press,1987.(in Chinese)

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

[3] Ray Liu K J,Sadek A K,Weifeng Su,et al.Cooperative Communications and Net working[M].Cambridge:Cambridge University Press,2009.

[4] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(12):3062-3079.

[5] Foschini G J,Gans M J.On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment When Using Multiple Antennas[J].Wireless Personal Communications,1998,6(3):311-335.

[6] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity-Part I and Part II[J].IEEE Transactions on Communications,2003,51(11):1927-1948.

[7] Huang Jian-wei,Zhu Han,Mung Chiang,et al.Auction Based Resource allocation for Cooperative Communication[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2004,26(7):1226-1236.