MIMO技术在卫星通信系统中的应用

李 锴

（中国交通通信信息中心，北京 100011）

MIMO技术在卫星通信系统中的应用

李 锴

（中国交通通信信息中心，北京 100011）

针对卫星通信系统的特点，提出MIMO技术在单卫星和多卫星场景下的应用。首先分析了MIMO卫星通信系统在采用再生转发和透明转发情况下的系统容量，随后对单卫星及多卫星系统分别提出了采用正交分组码及其分布式改进形式的MIMO系统方案，最后对影响MIMO卫星通信系统的因素进行讨论。相比点对点卫星通信系统，MIMO卫星通信系统能够大大提高系统容量和频谱利用率。设计将正交分组码及其分布式改进形式在单卫星及多卫星系统中进行应用，MIMO卫星通信系统的性能将获得进一步的提升。

MIMO；卫星通信；正交分组码

在当前的信息化社会中，由于卫星通信具有覆盖范围大、受地理条件限制小、频带宽、容量大、机动灵活等特点，因而成为全球通信网络中不可或缺的有效信息传输手段。随着社会经济的发展，民用与军事卫星通信应用愈加广泛，高速高质量的数据传输需求也更加迫切，这就对卫星通信系统的传输带宽提出了更高的要求。

1 MIMO技术

我们可以简单地将MIMO通信系统定义为，在发射端和接收端分别采用多个天线的通信系统。利用MIMO技术可以提高网络的容量、链路性能以及覆盖面积，给网络运营商带来巨大的收益。MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。该技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素转变成对用户通信性能有利的增强因素。

2 MIMO信道理论

2.1信道模型

在一个点对点的MIMO系统中，假设配置N根发射天线和M根接收天线，用离散时间描述复基带线性系统模型，平坦瑞利衰落条件系统模型表达式为

其中发射信号表示为s=[s1，s2，…，sN]T；接收信号表示为y=[y1，y2，…，yM]T；H∈CM×N为信道矩阵，其第i行第j列上的元素hij表示从第j根发送天线到第i根接收天线之间的信道增益，包含服从对数正态分布的大尺度衰落以及服从瑞利分布的小尺度衰落2部分的影响；n∈CM×1为接收端的复加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为σ2的正态分布Nc(0，σ2)。在卫星通信系统中，将由地面发送端到卫星接收端的上行信道记为Hu，由卫星发送端到地面接收端的下行信道记为Hd。在文中以下的分析中，大写粗体字母表示矩阵，小写粗斜体字母表示向量，小写字母表示元素，C表示复数集合。

2.2信道容量

2.2.1再生处理转发

当卫星采用再生处理转发时，系统的上行和下行可以视为2个不同的点对点通信链路，具有不同的信道容量。整个系统的容量由其中较小的信道容量所决定，上下行的容量优化可以独立分别考虑。由对MIMO系统容量的推导得到再生转发MIMO卫星系统的信道容量为

H为上行或下行信道矩阵，(·)H表示共轭转置，RH表示信道矩阵的秩(RH≤min(N，M))，I是单位矩阵，γ为系统上行或下行平均信噪比。当各天线之间信道互不相关时，信道矩阵为正交矩阵，将信道矩阵进行SVD分解后得到的对角线上各行的奇异值为λi，i∈{1，…，min(M，N)}，经推导可得信道容量为

对比单天线点对点系统的香农容量公式，可见MIMO系统在最优情况下能够使系统容量随天线数目线性增长。

2.2.2透明转发

假设上行地面站配置N根发射天线，卫星上配置M根接收天线以及M根发射天线，接收地面站配置P根接收天线，根据推导，当上下行信道矩阵分别为Hu∈CM×N和Hd∈CP×M时，为描述方便，假设M≤N，M≤P，则MIMO信道容量可以计算为

3 MIMO技术应用

3.1单卫星场景

在一颗卫星上配置多个天线或者利用单天线的不同极化，单卫星可与多个地面站组成MIMO通信系统，如图1所示。图中dT，u和dT，d分别为上行地面站之间的距离和下行地面站之间的距离，dS，u和dS，d分别为卫星接收天线之间的距离和发送天线之间的距离。在单卫星场景下，由于天线之间的距离较近，若要获得较大的系统容量，发送或接收的多个地面站之间的距离则应相距较远，因此需要通过地面网络连接进行MIMO数据的发送与接收处理。

图1　单卫星MIMO系统

3.2多卫星场景

在单颗卫星MIMO系统中，要得到较好的MIMO信道，接收天线的距离需相隔较远，并且在卫星上配置多天线需解决硬件复杂度问题。因此当接收多天线放置距离较近，如船载、机载应用时，可以采用已有卫星系统，通过多颗卫星组成MIMO卫星通信系统。

4 影响系统性能的因素

通过对MIMO信道容量的分析可知，信道矩阵的正交性能直接影响系统的容量，对于卫星通信系统而言，影响MIMO信道的因素可以从地面端和卫星端两方面进行讨论。

在地面端首先考虑天线距离的影响，卫星天线间距与地面天线间距成反比关系，而两者的量级也是米与千米的差别。地面端天线距离的设置误差将会导致设计容量的下降，地面天线间距越小，所要求的误差也越小，因此在这方面单卫星MIMO系统体现了优势。在多卫星MIMO系统中增加地面端的天线数目，在保证信道容量性能的容限下，地面端天线间距可适当的增加。另外，地面阵列天线的方向角越大，要求地面天线间距的精确度就越高。

卫星的滚动、偏航、俯仰决定了卫星的姿态变化，随即可能造成MIMO信道的变化，有可能造成系统容量的下降。由仿真结果分析得到的结论，卫星的姿态变化对单卫星MIMO系统性能影响不大，对多卫星MIMO系统则可能造成较大影响。

5 结束语

在地面端采用多天线，在卫星端采用单卫星多天线或者多卫星单天线的形式，可以组成MIMO卫星通信系统。通过对卫星通信系统采用再生转发或透明转发情况下MIMO信道的容量分析可得，MIMO卫星通信系统相比点对点卫星通信系统提升了容量性能，提高了频谱利用率。通过设计的正交分组码及其分布式改进形式在单卫星及多卫星系统中的应用，MIMO卫星通信系统的性能将获得进一步的提高。

[1] 吴学智 何如龙.外军新一代卫星通信系统及关键技术研究[J].通信技术，2012，（9）.

Application of MIMO Technology in Satellite Communication System

Li Kai

According to the characteristics of satellite communication system， the application of MIMO technology in the single satellite and multi satellite scenarios is proposed. Based on the analysis of the multiple input multiple output (MIMO) satellite communication system in the regeneration of forwarding and transparent forwarding system capacity in the case， then the single satellite and satellite system are proposed by orthogonal block code and its improved distributed MIMO system， at last， the factors to affect the MIMO satellite communications systems are discussed. MIMO satellite communication system can greatly improve the system capacity and spectrum effi ciency compared with the point to point satellite communication system. Design orthogonal sub block codes and distributed improved form is applied to the single satellite and satellite system， MIMO satellite communication system performance will be further improved.

MIMO；satellite communication；orthogonal space-time block codes

TN927.2

A

1003-6490（2016）01-0118-02

2016-02-18

李锴（1980—），男，北京人，工程师，研究方向为卫星通信。