基于2×2 MIMO的星地双圆极化通信系统验证

宁 强，赵 鹏，陈 宁，曾心凡，武明星

(1. 北京遥感设备研究所，北京 100854；2. 北京理工大学 集成电路与电子学院，北京 100081)

0 引言

卫星通信系统具备通信覆盖范围广、适用范围广、传输性能稳定等优点，在诸如新闻报道、海洋、军事和救灾服务等市场上广受欢迎[1]。目前卫星通信主要受到通信质量、频谱效率、成本这3个因素影响。通信距离长、各种环境对信号的阻塞以及高的链路延迟，都会对通信质量造成影响，常用的提高信号质量降低误码率的方法有以下两种：

一、在单天线系统中，通常提高信号的发射功率。采用提高发射信号功率的方式可以降低误码率，但是对人体健康有影响[2]，且增加资源消耗，此外高功率的射频器件线性特性也难以设计。

二、采用MIMO通信技术。MIMO技术中具有空间分集与空间复用特点。其空间分集通过多个收发天线，在不增加发射功率与信号带宽的前提下，改善无线通信的信号质量[3-4]。

根据电磁场理论，电磁波除了有相位、幅度和频率特性，还具备极化特性。由于线极化信号在卫星通信中信号经过电离层导致信号极化旋转(法拉第旋转)而圆极化卫星通信链路不需要关注此效应[5]，且左旋圆极化波与右旋圆极化波相互正交，因此利用该特性能够实现在同一载频空间路径上相互独立。

我们注意到，文献[6]未对使用空时编码技术改善误码率进行研究，文献[7]未考虑极化对通信信道的影响。本文将在考虑上述条件的情况下对卫星极化分集收发进行研究。

1 卫星极化分集收发验证平台设计

1.1 卫星极化分集收发验证总体设计

本文在地面上模拟双圆极化卫星通信系统中个人终端上行链路建立的过程，因此星载平台硬件系统与终端硬件系统设计可保持一致。系统各个模块组成如图1所示：

图1 卫星双圆极化分集收发验证平台组成Fig.1 Composition of satellite dual-circle polarization diversity transceiver and receiver verification platform

图1系统模块组成中双圆极化收发天线、收发组件不仅模拟双圆极化卫星通信系统中个人终端硬件设备，而且模拟了星载设备。其中发射天线采用双圆极化全向天线，接收天线采用定向天线模拟实际卫星天线。收发组件主要实现信号的功率放大和信号收发。收发组件通过千兆以太网与计算机(PC)相连，PC 进行收发端信号处理与收发组件的载波频率与功率控制。

1.2 卫星双圆极化分集信号处理

通信信号处理过程分为接收端信号处理过程和发射端信号处理过程两部分，具体包含的内容如图2中所示，下面对其主要实现方案进行阐述。

图2 双圆极化分集信号处理过程Fig.2 Processing of dual-circle polarization diversity signal

发射端的信号主要有以下过程：

1)生成信源，信源以帧的形式发射，信号帧包括同步头和有效信息；

2)QPSK调制，在卫星通信中通常采用QPSK 调制方式，本文采用Gray编码形式的QPSK调制；

3)为实现2×2 MIMO技术，发射端采用Alamouti编码；

4)上采样过程，因为USRP的基带采样率最低为 520.841kHz，根据采样率与符号速率的关系，因此信号需要上采样；

接收端的信号主要有以下过程：

1)AGC输出功率设置为定值，以确保相位和定时误差检测器的等效增益随时间保持恒定;

2)载波同步，主要纠正频偏；

3)为了降低数据处理量，将进行下采样，本文将采样CIC滤波器与HB滤波器结合的多级抽取滤波器进行抽取；

4)符号同步完成之后，进行帧同步的获取；

5)启动信道估计模块，利用前导码完成信道估计，而后进行空时解码；

6)QPSK解调，解调后的数据与信源数据对比，计算误码率。

2 卫星双极化MIMO信道模型

2.1 双极化信道模解析模型

目前对卫星衰落信道特性进行研究主要有3种方法[8]：衰落信道特性测量、衰落信道特性理论分析和衰落信道特性的仿真分析。

衰落信道特性测量方法，在不同环境下进行无线通信的数据测试，通过分析测试数据拟合出衰落信道的特征量, 总结出真实的卫星衰落信道特性[9]。

2005年英国萨里大学的King博士等[10-11]在吉尔福德进行低仰角下的卫星双极化MIMO信道测量，该实验分别在3种不同环境(开阔、城市、郊区)下进行，将定向的具备双极化的天线放置在山顶模拟实际的卫星，全向的双极化天线放置在小车上模拟实际的移动设备，而后对测试数据进行了完整的分析，通过经验统计方法归纳出窄带和宽带的双极化单卫星2×2 MIMO信道模型。2011年Brown等[12]针对双圆极化卫星MIMO信道的小尺度信道进行了测量，通过测试数据与小尺度模型对比，将相关衰落应用于同极化和交叉极化信道中，弥补了之前小尺度模型的不足。2014 年Lacoste等[13]利用直升机模拟实际卫星，测试的仰角范围从200～700, 测试环境包括：小村庄、树木繁茂街道、郊区、城市、住宅、商业区、工业区，得到的测试数据弥补了之前缺乏高仰角卫星双极化MIMO信道数据，覆盖的场景更加全面。

双极化信道的解析模型通常有3类[14]：1)单极化空间 MIMO；2)空间共置极化MIMO；3)空间分离极化MIMO。

空间共置极化MIMO信道解析模型中，发射端和接收端的极化天线极化方式相互正交，空间上不分离，利用相互正交的极化波实现空间分离效果。考虑收发设备小型化与卫星信道存在长距离的直射信道，因此通常选择空间共置极化MIMO解析模型。

2.2 双极化信道概率统计模型

本文在窄带单星卫星系统前提下，以卫星与地面发射站同时搭载一副双圆极化天线的背景下，建立卫星双极化2×2 MIMO信道模型。

卫星端和地面终端均配置双圆极化天线，因此该通信信道可以建模为2×2 MIMO信道，信道矩阵如式(1)所示：

(1)

式(1)中hRR为地面终端的右旋圆极化天线与卫星右旋圆极化天线之间的信道增益，hRL为地面终端的右旋圆极化天线与卫星左旋圆极化天线之间的信道增益，hLR为地面终端的左旋圆极化天线与卫星右旋圆极化天线之间的信道增益，hLL为地面终端的左旋圆极化天线与卫星左旋圆极化天线之间的信道增益。

C.Loo模型常作为卫星通信系统中信道概率统计模型[15]，通过参数的变化可以描述不同场景下卫星通信等特点。该模型的接收信号由受到阴影作用的直射信号与不受阴影作用的多径信号分量构成，受到阴影作用的直射信号服从对数正态分布，不受阴影作用的多径信号分量服从瑞利分布。因此接收到的信号可以表示为：

y(t)=z(t)s(t)+d(t)

(2)

式(2)中，y(t)为接收信号，s(t)为直波信号，z(t)为多径信号，d(t)表示阴影衰落，在直射信号分量的幅度保持不变的条件下，接收信号的包络服从莱斯分布，即满足如下关系：

(3)

式(3)中，I(·)为第1类零阶修正贝塞尔函数；受到阴影遮蔽的作用，直射信号分量的幅度z服从对数正态分布，满足：

(4)

式(4)中，u和2σ12是fz(z)的均值和方差。由此可以推导出fy(y)概率分布函数：

(5)

结合上述卫星移动通信信道C.Loo (α,ψ,MP) 模型[16]，并且每个信道增益包含了阴影衰落和多径衰落，因此窄带卫星移动双极化MIMO通信系统的信道矩阵H2×2，可以表示为：

(6)

(7)

(8)

2.3 极化对通信信道的影响

双极化给信道功率带来的影响通常由极化鉴别度(cross-polar discrimination,XPD)和环境耦合度(cross-polar coupling,XPC)来描述。其中XPD由天线轴比决定，不理想的XPD会带来去极化效应；XPC表示环境对极化的耦合作用，建模时只考虑其对小尺度衰落的影响。

XPD定义: 本信道传输的主极化功率ELL或ERR与另外一个传输信号在本信道产生的交叉极化干扰ELR或ERL之比，如式(9)、式(10)所示：

(9)

(10)

式(9)中XPDL表示左旋天线的交叉极化鉴别率； 式(10)中XPDR表示右旋天线的交叉极化鉴别率。

XPD对大尺度衰落分量的功率影响表示为：

(11)

(12)

其中，β∈[0,1]是极化鉴别度XPD的因子，E{g}表示平均功率。XPD与XPC对小尺度分量的影响表示为：

(13)

(14)

2.4 空时分组编码与解码处理

双圆极化天线构建的MIMO信道被视为一种能有效提供极化分集的资源。为了能够有效利用空间自由度，需要在发射端进行空时编码保证接收端能够根据接收信号来进行正确译码。考虑到极化分集系统为一个两发射、两接收的系统，在发射端可以采用经典的Alamouti时空编码方案，而在接收端，则可以采用最小二乘法进行信道估计。

发射端根据Alamouti时空编码，形成2×2 Alamouti 系统，如图3所示：

图3 2×2 Alamouti 系统Fig.3 2×2 Alamouti system

推导接收信号等于：

(15)

2.5 最小二乘信道估计

信道估计方法可以分为3类：1)基于训练帧的估计；2)盲估计；3)半盲估计。基于训练帧的估计通过设计训练序列或者在发送数据中周期性插入导频序列进行信道估计，由于在发送数据中插入了导频序列，因此也使用该类方法的系统存在数据传输效率低，但设计简单计算量少而广泛使用。盲估计和半盲估计虽然频谱效率高，但是计算方法复杂，且有可能出现相位模糊。本文基于训练帧的信道估计。

在卫星通信系统中虽然实际的传输数据流是未知的，但接收器知道训练符号的频率相位信息，因此根据该信息来估计信道中每个时间点和频率上赋予的增益和相位旋转，这为基于训练帧的估计。这类估计不仅能提高估计的准确性，而且可以大大简化算法的复杂度。在窄带MIMO信道中，假定训练帧的长度为p,位置如图4所示：

图4 信道估计帧Fig.4 Channel estimation frame

Sp为Nt×p发射导频矩阵，接收端矩阵Rp为Nr×p矩阵，发射导频矩阵与接收端矩阵关系如下式(16)所示：

(16)

(17)

(18)

选择最小二乘估计之后，需要规定训练帧Sp属性，通常有下面两个属性：

(19)

根据式(19)可知，训练帧Sp的长度最小应大于发射天线的个数，并且相互正交。通常随着训练帧Sp的长度的增加，信道估计会变得越来越精确，但传输效率降低。

3 卫星双极化信道模型仿真

3.1 仿真方案

图5为窄带卫星双极化2×2 MIMO信道模型仿真具体步骤图。

信道模型的建立是整个信道仿真的关键，具体根据以下步骤：

1)定义马尔科夫状态转移模型。根据在开阔和城市环境下，得到特定俯仰角的转移矩阵P和状态概率向量W。

图5 卫星双极化信道模型建立过程Fig.5 Modeling of dual polarization satellite channel

2)计算不同状态的C.Loo统计参数(α,ψ,MP)。由于信道状态时刻变化，每次到达新的信道状态，针对特定的物理环境，需从相应的联合分布中得出C.Loo统计参数(α,ψ,MP)。

3)生成大尺度衰落分量。对于每个状态和不同的XPD，利用高斯随机序列产生相应极化相关的大尺度衰落分量。

4)生成小尺度衰落分量。小尺度衰落需要考虑多普勒效应和XPC对信号的影响。

5)合成大尺度衰落分量和小尺度衰落分量，合成之后的衰落分量即可描述不同环境下信号通过极化分集传输之后的状态。

根据上述双极化信道模型建模步骤，进行不同环境(开阔、城市)下的误码率仿真，讨论采用双极化MIMO对比SISO获取的极化增益。

3.2 仿真结果

图6和图7描述了生成信道矩阵，其中信道处于好状态时为2，信道处于坏状态时为1。

图6 2×2 MIMO开阔和城市地区信道状态Fig.6 2×2 MIMO channel status in open and urban areas

图7 2×2 MIMO开阔和城市地区信道增益Fig.7 2×2 MIMO channel gain in open and urban areas

由图6、图7可知在开阔环境下，好状态的持续时间比坏状态持续时间长；在城市地区，好与坏状态持续时间基本相同，状态之间转换频繁。对比可清晰得到城市环境好状态持续时间短，因此城市环境下信号质量比开阔地区差。

在已生成的开阔环境信道矩阵与城市环境信道矩阵的基础上，分别进行单收单发与2×2 MIMO的误码率仿真。信号调制方式为QPSK，MIMO编码为Alamouti空时编码，得到两种环境下得误码率结果，误码率仿真如图8所示：

图8 2×2窄带卫星双极化误码率仿真Fig.8 2×2 bipolarization error rate simulation for narrow band satellites

图8中可以得到两种环境下，开阔环境下信号质量较好，随着信噪比的提高，误码率能够达到10-4。在开阔环境下，当误码率为10-4时，2×2 MIMO所需信噪比约为8.9dB，而SISO所需信噪比为12.4dB，因此采用2×2 MIMO极化分集技术可获得3.5dB的改善。在城市环境下，误码率为10-1时，2×2 MIMO所需信噪比约为14dB，而SISO所需信噪比约为17dB，因此获得3dB的改善。

4 误码率仿真校验

4.1 硬件平台

本文采用USRP E310作为收发组件。USRP E310主要完成射频信号的功率放大、载波频率的设置、数模转换等功能。有两个独立控制的收发通道，通过选择USRP收发通道数量，实现2×2 MIMO系统。

USRP E310通过一个可编辑的硬件/软件平台，可配置在一个大的频率范围内接收各种调制信号的无线电通信系统[17], 通过修改相应软件配置更改 USRP的发射功率、载波频率和接收增益，无需更改射频硬件平台[18]。随着软件无线电技术的发展， 因其价格低、适用范围广、控制简单等优点，广泛应用在移动通信、雷达、测试和卫星通信移动终端中。USRP E310由AD9361+Zynq 7020组成，其中内部框架如图9所示。

图9 USRP E310内部框架Fig.9 Internal framework of USRP E310

4.2 实验方案

为模拟卫星双圆极化分集技术应用的实际场景，需要设计相应的外场实验方案，基于该方案证明卫星双圆极化分集收发验证平台可行性。测试环境主要有开阔的郊区环境和城市环境。外场测试方案设计如图10所示。

图10 外场实验方案场景图Fig.10 Scene diagram of field experiment scheme

通过该设计方案可以验证以下内容：

1)单收单发通信系统中误码率与双极化天线 XPD关系；

2)通过云台调节接收天线的俯仰角，双圆极化分集极化2×2 MIMO 与接收天线俯仰角的关系；

3)验证不同环境下的双圆极化分集极化2×2 MIMO相比于SISO的信噪比改善状况。

4.3 极化分集收发设备系统测量

本小节测试极化分集收发设备的各个指标，主要包括发射功率和数据传输速率。通过对参数的测试了解整个极化分集收发设备可实现的功能。

1)发射功率测试

发射功率测试的方法为：

a)极化分集收发设备中发射通道连接频谱仪，通过频谱仪测量其功率；

b)PC 端通过配置USRP E310中的发射增益控制发射功率，发射增益控制范围为0～89dB, 配置发射增益步进为1dB。通过多次测量，得到发射功率测试如图11所示：

图11 极化分集设备发射功率测试图Fig.11 Test diagram of transmitting power of polarization diversifier

从图11可得到发射功率范围为-64.4～13dBm。参数配置1dB增加时，实际发射功率增加约为1dB，发射端具备良好的线性增益特性。

2)数据传输速率测试

数据传输速率的测试主要通过测试载波信号的频谱带宽，推导系统的数据传输速率。实际信号频谱如图12所示，信号的带宽分别为1.2kHz与192kHz，根据QPSK调制的信号符号速率等于信号带宽且为数据传输率的一半关系，图中的信号数据传输速率分别为2.4kbps与384kbps。因此该收发设备可发射不同数据传输速率的信号。

图12 2.4kbps/384kbps数据传输速率频谱图Fig.12 Data transfer rate spectrum of 2.4kbps/384kbps

4.4 双圆极化分集误码率测试

基于卫星双圆极化分集收发验证平台，进行误码率测试，信号数据传输数率为2.4kbps，通过双圆极化分集2×2 MIMO与SISO多次实际测量得到误码率曲线图13，任务需求在误码率10-4条件下，根据图13中，采用双圆极化分集的2×2 MIMO所需信噪比11dB，SISO为14dB，因此获得3dB的信噪比改善。

图13 SISO与MIMO误码率实测图Fig.13 Bit error rate map for SISO and MIMO

基于卫星双圆极化分集收发验证平台进行实际测量，卫星双圆极化分集2×2 MIMO技术能够在相同误码率情况下，相比于SISO获得信噪比的改善，证明该平台具备可行性。

5 结论

对于卫星通信系统，本文给出了一种双圆极化的分集收发方法，按照这种方法设计出的通信系统对比传统的单收单发系统有明显的误码率改善，文中给出的仿真实例说明了该方法的有效性。