卫星移动终端的协作分集技术研究

钮长珍



卫星移动终端的协作分集技术研究

钮长珍

厦门九华通信设备厂，福建 厦门 361022

新一代卫星移动通信系统需要实现更高的数据速率和频谱利用率来满足传输多种业务的需求。多输入多输出技术能够在有限功率和频谱资源的条件下空域资源的充分挖掘利用，对系统性能的进一步提高意义重大。然而，由于收发两端，特别是地面终端的功耗、体积和硬件复杂度受限，单个终端上多天线的实现目前仍然比较困难，严重阻碍了MIMO技术的发展。此时，协作分集通过多个单天线终端之间相互协作，实现了多天线的虚拟MIMO。需要研究适用于卫星系统的协作分集传输技术，以增强卫星移动系统信号传输的可靠性与有效性。

卫星移动；终端；协作分集；技术研究

1 卫星移动通信系统研究现状

1.1 协作终端选择问题

当源节点周围存在潜在的协作终端时，如何对协作伙伴进行选择，选择哪一个或多个协作伙伴来辅助通信，是协作分集技术中重点关注和研究的问题之一。一般情况下，不同终端用户之间的无线信道状态有较大的差异，然而移动通信系统中的功率、频谱等资源十分有限，因此应当根据信道状态的差异，合理选择协作终端，使有限的可用资源得到更加高效的利用。利用瞬时的信道状态信息[1]，在不考虑网络的拓扑结构情况下提出了中继选择策略，同时进一步分析了利用和协议时基于最优中断概率的中继选择方案。Mahinthan等人考虑将局部最优的算法应用在实际系统中，并采用算法来提高系统的总体性能。此外，考虑统计信道信息的情况下，可将其等效为地理位置信息进行协作伙伴的选择。考虑效用函数的协作终端选择方案，主要以最大化总效用为目标来提高系统效率。目前，在协作终端选择算法中，较为关注的是联合经济学模型以及博弈论的思想。一些研究将斯塔克尔伯格模型、古诺模型等经济学中的经典模型算法引入协作终端选择方案中，利用纳什均衡算法，来选择最优的协作终端[2]。

1.2 协作分集的功率分配方案

近年来，越来越多的文献关注协作通信中源节点和协作节点之间的功率资源分配问题，功率分配已成为协作通信中研究的热点之一。目前，较多的功率分配方案是在源节点和协作节点的总发射功率受限时，以提升系统的可靠性为目标进行功率分配，例如最小化中断概率或误码率等目标，从而建立数学模型，找出最优解即为所求的最佳功率分配方案。此外，提出的方案将功率分配与协作终端选择进行联合考虑，提出了一种集中式效率最大化的优化功率分配方案。如今，学术界考虑将博弈论引入协作通信的功率分配方案中。基于分布式网络中各个终端节点地位相同的特点，Z.Zhang等人考虑纳什讨价还价博弈理论，对频谱分配策略进行了研究。在文献中，作者考虑价格对来判断资源如何分配，并且提供激励的机制，从而获得全局最优解。

2 协作分集技术的提出和发展

技术越来越引起人们的关注，被认为是未来无线通信的关键技术之一，它可以有效的抵抗多径衰落。由于上一节讲的多种原因现在还不能应用到现实的通信中，所以如何将分集和现实实现相结合是个热门的研究课题[3]。

Sendonaris等人根据中继信道模型第一次提出了这种新的概念—协作分集，通过单天线用户的协作可以获得类似的空间分集增益。在通信中每个单天线用户周围都存在若干个协作用户，协作的思想就是通过一定的方式使各个协作用户共享彼此的天线，形成一个虚拟的天线系统，获得分集增益。继而他们在信息论方面对协作的中断概率、系统容量以及遍历概率做了深入的分析，这些都证实了协作分集技术不仅可以提高系统的传输速率还有降低误码率、中断概率、提高系统容量的能力。通过多名学者的继续研究，提出了多种协作分集方案比如放大中继、选择中继和增强中继。还有一部分学者将协作中继和信道编码相结合，这样就可以获得更好的信道带宽。协作是一种新的实现方式，所以中继信道的技术也可以应用到协作中，空时编码的引入极大地提高了协作系统的性能，特别是中断概率和误码率方面。网络编码可以极大提高系统的吞吐量和频谱利用率，应用到协作中可以使两个以上的用户进行协作打破了原来只能两用户协作方案的壁垒。中继系统可以提高边缘用户的服务质量，但是有时一个用户多个中继为其服务，这样可能造成能源的浪费和系统的复杂度。为此一些学者提出了将位置信息、系统容量、中断概率和瞬时信道状态信息等作为评价函数的协同中继选择方法来提高传输可靠性。功率分配技术可以用较低的系统功耗提高系统的容量，实现绿色通信。协作分集的最初阶段都假设各个节点等功率，显然这种功率分配算法不是最优的，一些学者提出了基于信道容量和频率效率、中断概率和错误概率的算法。通过协作节点功率的二次分配实现了系统性能的提高，也降低了功率消耗。

3 结束语

空域分集给现代通信日益紧张的频带资源带来了革命性的突破，而协作分集技术给空域分集的实现提供了一条有效和实用的途径。在本文中我们介绍了几种主要的协作分集协议，在此基础上也不断有新的改进协议提出，但是还有一些具体的问题并未解决。例如，如何实现用户间的同步，如何有效的进行协作阶段的功率分配，如何将其适用于空间一时间选择性衰落信道中，如何进一步改进服务中断概率的性能等。总之，随着协作分集协议的完善，协作技术的不断成熟，必将给通信领域带来新的活力。

[1]邢天璋，陈天，白莹琦.协作分集技术研究与展望[J].电子科技，2010（3）：107-110.

[2]铁晓磊，洪佩琳，薛开平，唐浩.一种基于协作分集技术的切换机制[J].电子与信息学报，2011（5）：1178-1185.

[3]李国彦，张合庆.协作通信技术在卫星移动通信中的应用[J].通信技术，2015（1）：56-60.

Research on Cooperative Diversity of Satellite Mobile Terminals

Niu Changzhen

Xiamen Jiuhua Communication Equipment Factory，Fujian Xiamen 361022

A new generation of satellite mobile communication system needs to realize higher data rate and spectrum utilization rate to meet the needs of transmission of multiple services. Multi-input multi-output（MIMO） technology can fully exploit the airspace resource under the condition of limited power and spectrum resources，which is significant to the further improvement of system performance. However，due to the limited power consumption， volume and hardware complexity of the two ends of the transceiver，especially the terrestrial terminal，the implementation of multiple antennas on a single terminal is still difficult，which hinders the development of MIMO technology. In this case，cooperative diversity achieves multi-antenna virtual MIMO by cooperating with multiple single antenna terminals. It is necessary to study the cooperative diversity transmission technology applicable to satellite systems in order to enhance the reliability and effectiveness of satellite mobile system signal transmission.

satellite mobile；terminal；cooperative diversity

TN927.23

A

1009-6434（2017）01-0013-02