协作通信技术在卫星移动通信中的应用*

李国彦，张合庆

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191)

0 引言

卫星移动通信以其覆盖范围大、受地理条件限制小、容量大等特点，成为全球通信网络中不可或缺的有效信息传输手段，在民用、军用卫星通信领域发挥着越来越重要的作用。然而，卫星移动通信信道是典型的时变衰落信道，其存在的多径效应、多普勒效应和阴影效应严重影响信号传输的可靠性，严重时可能导致通信中断。因此，需要采用有效的通信技术以保证一定的通信服务质量。

协作通信技术利用不同节点间的相互协作，可以引入空间分集优势，能够有效对抗信道衰落，提高通信质量。各协作节点在发送自己信息的同时也共享自身的天线、功率等资源来协助其他的节点传输信息，这样就可以形成一种虚拟的多入、多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信系统，从而可以利用MIMO技术的优势来改善协作系统的传输性能。因此，协作通信技术作为一种新的通信方式，将能够为卫星移动通信系统带来显著的性能增益，不仅能够提供空间分集增益，对抗多径、阴影衰落引起的系统接收误码率、中断概率增大的影响，同时能够有效挖掘协作节点的信息处理能力，提高网络吞吐量［1－3］。

协作通信技术在地面无线通信系统中的应用研究成果较为丰富［4－5］，然而在卫星移动通信系统中的应用研究成果相对较少，目前还处于起步阶段。文献［6］分析了协作通信技术在卫星移动通信中的适用性，给出了一个简单的卫星协作移动通信模型及相应的协作分集实现方案，并与Globalstar系统中的多卫星接收分集、MIMO分集进行了分析对比，得出结论:在卫星移动通信系统中，使用协作分集技术可以有效改善系统的性能，同时系统的硬件只需较少改动。文献［7］对采用放大转发(Amplify－and－Forward，AF)协议的三节点卫星协作传输系统进行了性能分析，给出了系统符号差错概率的解析表达式及分集阶数。文献［8］对采用译码转发(Decode－and－Forward，DF)协议的三节点卫星协作传输系统进行了性能分析，给出了系统中断概率的解析表达式，同时分析了卫星仰角对系统性能的影响。

总体来说，协作通信技术在卫星移动通信领域的研究正在逐步开展和深入，如何利用该技术推动卫星移动通信系统的发展亟待研究。

1 协作通信技术

协作通信技术的原理如图1所示，源节点S在协作节点R的帮助下将信息发送到目的节点D。源节点S到目的节点D的信息传输由两个阶段完成:在第一个阶段，源节点S发送信息，协作节点R和目的节点D接收源节点信息;在第二个阶段，协作节点R将接收到的源节点信息经某种转发方式(放大转发、译码转发、编码协作)处理后再发送到目的节点D，目的节点D将接收到的第一、第二阶段的信号通过某种方式进行合并(最大比合并、等增益合并、选择合并)后检测。

图1 协作通信原理Fig.1 Principle of cooperative communication

2 卫星协作通信技术

卫星移动通信系统的馈电链路中，地面站能力较强，其信道特性相对较好，因此，通常只考虑用户链路进行协作传输的情况。图2给出了一星两用户协作传输的系统模型。

图2 卫星协作传输模型Fig.2 Model of satellite cooperative transmission

对于图2所示的一星两用户协作传输系统，在上行链路传输过程中，协作节点首先将接收到的源节点信号进行相应处理(放大、译码、编码)后再转发到卫星，卫星将源节点、协作节点的信号进行合并后发送到信关站。在下行链路传输过程中，协作节点首先将接收到的源节点(卫星)信号进行处理(放大、译码、编码)后再发送到目的节点，目的节点将接收到的源节点、协作节点的信号进行合并后检测。

目前，研究者多是基于三节点的卫星协作传输模型展开研究［6－9］，取得了一些研究成果，但仍有不少问题需要进一步深入研究。

3 卫星多节点协作传输

在卫星多节点协作传输系统中，所有节点都参与协作传输，卫星下行链路多节点协作传输的系统模型如图3所示。

图3 卫星下行链路多节点协作传输Fig.3 Downlink multi－ relay cooperative transmission in satellite mobile communication

在图3所示的卫星多节点协作传输系统中，源节点S的发送信号可以经多个协作节点Ri(i=1，2，…，M)转发到目的节点D。由于协作节点在地域上的分散，经不同协作节点转发到目的节点的信号可以认为是独立的，因此，对这些信息进行合并后检测可以有效提高目的节点的接收性能。

假设参与协作传输的节点数为M，在第1个时隙，源节点S发送信息，各个协作节点Ri(i=1，2，…，M)和目的节点D接收源节点信息;在接下来的M个时隙内，各个协作节点将第1个时隙接收到的源节点信号经放大处理后再发送到目的节点D，目的节点采用最大比合并(Maximal Ratio Combing，MRC)方式合并各路接收信号，其接收信噪比γ可以表示为:

式(1)中，γsd为 S→D 链路的信噪比，γsri为 S→Ri链路的信噪比，γrid为Ri→D链路的信噪比。

图4给出了二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制，参与协作传输的节点数M=1、2、3的情况下，卫星协作传输系统与直接传输系统的差错性能对比。

由图4可以看出，与直接传输系统相比，在卫星移动通信系统中采用协作传输可以有效改善系统的传输性能。随着参与协作传输的节点数的增加，系统的差错性能得到明显改善。这也意味着，系统可以提供更多的链路余量来抵抗信道衰落的影响。

图4 卫星多节点协作传输与直接传输的差错性能对比Fig.4 SER comparison of the multi－ relay cooperative transmission and direct transmission

然而，由于采用了正交传输，系统的频谱效率随着参与协作传输的节点数的增加有所降低。因此，在多节点协作传输系统中，如何选择合适的协作节点数，使得系统的差错性能与有效性能达到良好的折中是需要进一步研究的问题。

4 卫星协作节点选择

针对多节点卫星协作传输系统中由于参与协作传输节点数的增加而导致的系统频谱效率下降问题，卫星协作节点选择技术通过选择信道条件较好的节点参与协作传输，合理利用系统资源，可以有效改善系统的频谱效率性能。此外，在卫星移动通信系统中，由于协作节点的移动，不同节点对应的信道衰落不同，这也意味着选择不同的协作节点将会导致不同的系统传输性能。卫星协作节点选择的系统模型如图5所示。

图5 卫星协作节点选择系统模型Fig.5 System model of the satellite relay selection

在如图5所示的卫星协作节点选择传输系统中，下行的信息传输由两个时隙完成。第1个时隙的数据传输过程与前述的卫星多节点协作传输系统类似;在第2个时隙，仅由目的节点选出的协作节点参与数据的处理与转发，其它协作节点则进入空闲状态。可以看出，协作节点选择技术通过选择最佳的节点参与协作传输，可以减少对通信资源的消耗。这种情况下，目的节点的接收信噪比γ可以表示为:

在系统总功率一定，参与协作传输的节点间采用等功率分配，图6给出了协作节点数M=3的情况下，卫星协作节点选择与直接传输、多节点协作传输系统的差错性能对比。

图6 卫星协作节点选择系统的差错性能(M=3)Fig.6 SER of the satellite relay selection system

图6中最下面的曲线为采用协作节点选择技术后的系统差错性能。由图6可以看出，与直接传输系统相比，采用协作节点选择技术可以有效改善卫星移动通信系统的传输性能。同时，与多节点协作传输相比，协作节点选择技术可以进一步提升系统的差错性能。例如，在误码率(Symbol Error Rate，SER)为10－5时，协作节点选择相对于3个节点参与协作传输的方案能够获得约2dB的性能增益。

在实际的卫星移动协作无线传输系统中，由于受到传输距离、地形、建筑物遮挡、节点移动性等因素的影响，协作节点间的信道衰落不同，这意味着根据信道衰落特性在参与协作传输的节点间进行优化功率分配可以改善系统的传输性能，同时，优化的功率分配可以减小协作节点的能耗，延长协作节点的使用寿命。因此，针对卫星移动协作无线传输系统，如何优化分配系统的功率等资源，以进一步提升卫星协作传输系统的性能是需要进一步研究的问题。

5 卫星混合协作传输

在卫星协作无线传输系统中，协作节点可工作于AF或DF模式，相对于DF协作传输，AF方式不需要协作节点进行信号解调、译码等处理，实现较简单，能够降低协作节点的信号处理复杂度。然而，协作节点在放大有用信号的同时也会对源节点到协作节点的信道中引入的噪声进行放大，因此AF方式存在噪声放大效应。而对于DF方式，在协作节点正确译码的情况下，系统能够获得较好的性能，然而在协作节点译码出现错误的情况下，会出现错误传播效应，从而影响到系统的分集效果。因此，将AF方式和DF方式相结合，协作节点根据其译码结果来决定是采用AF方式还是DF方式进行协作传输，若正确译码，则采用DF方式，否则，采用AF方式，以充分利用两种方式的优势，提升系统的传输性能。混合协作传输的卫星移动通信系统模型如图7所示。

图7 卫星混合协作传输系统模型Fig.7 System model of the satellite hybrid cooperative transmission

在如图7所示的卫星混合协作传输系统中，信息传输通过两个时隙完成:在第一个时隙，源节点S发送信息，协作节点R和目的节点D接收源节点的信息;在第二个时隙，协作节点R根据译码情况采用AF或DF方式转发接收到的源节点信息到目的节点，目的节点对两个时隙的接收信号进行合并后检测。这种情况下，目的节点的接收信噪比γ可以表示为:

在系统总功率一定，协作节点间采用等功率分配的情况下，图8给出了卫星混合协作传输系统与其它协作传输系统及直接传输的差错性能对比。

图8 卫星混合协作传输系统的差错性能Fig.8 SER of the satellite hybrid cooperative transmission system

由图8可以看出，相对于AF和DF协作传输，混合协作传输能够获得最好的差错性能。在SER为10－4时，混合协作传输相对于AF协作传输方式能够获得约1dB的性能增益。此外，还可以结合多节点协作传输、功率等资源的优化分配来进一步改善卫星混合协作传输系统的性能。

6 结语

协作通信技术在地面无线通信中的应用已得到广泛研究，取得了大量研究成果，显示了该技术在提升系统性能方面的优势，而在卫星移动通信领域中的研究起步较晚，研究成果较少，因此具有较大的发展空间。本文提出了协作通信技术在卫星移动通信中的一些应用思路及方式，给出了相应的仿真结果与分析，并对后续可研究的一些问题进行了探讨。该技术的引入，将对卫星移动通信的发展产生较大影响，为提高系统的传输性能提供很好的解决思路。

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