丁 丹，姜明勇

(裝備學院 光電裝備系，北京 101416)

【信息科學與控制工程】

變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳技術(shù)

丁 丹，姜明勇

(裝備學院 光電裝備系，北京 101416)

為進一步提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效率，在現(xiàn)有單用戶變速率傳輸方法的基礎上，提出變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳技術(shù)，通過“最佳終端組”的選擇和自適應調(diào)制編碼方式的設定，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星同時對多個地面終端的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，從而提升遙感衛(wèi)星過境窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸容量；分析與仿真結(jié)果顯示：結(jié)合空間復用技術(shù)后，在衛(wèi)星中心角7.5～5.5度區(qū)間內(nèi)，多用戶變速率傳輸方式的容量較現(xiàn)有單用戶變速率方式提高了約60%。

自適應調(diào)制編碼；空間復用；數(shù)據(jù)傳輸；遙感衛(wèi)星本文

為盡可能提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效率，文獻[1-3]借鑒DVB-S2中的ACM (Adaptive Code and Modulation,自適應調(diào)制編碼)思想，進行可變速率傳輸。在遙感衛(wèi)星過境期間，根據(jù)仰角和傳輸距離的變化，自適應地選擇最佳調(diào)制階數(shù)和編碼速率，使得傳輸數(shù)據(jù)率隨著仰角的增加而提高，這樣可以最大限度地利用接收信噪比的變化，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星過境窗口內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸容量最大化。

本文在可變速率傳輸基礎上，突破傳統(tǒng)點對點遙感數(shù)傳模式的束縛，結(jié)合基于MIMO[5](Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出)技術(shù)的空間復用傳輸思想，提出了變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳技術(shù)，進一步提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效率?？臻g復用技術(shù)主要是利用多個地面終端的空間隔離特性，利用遙感衛(wèi)星上的多個發(fā)射天線，同時對多個地面終端遙感數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，從而大幅度提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w容量。

1 系統(tǒng)設計

變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳方法如圖1所示。圖中描述的是同時向4個地面終端發(fā)送遙感數(shù)據(jù)，因此遙感衛(wèi)星上需配備4副天線，分成2對，每一對之間用極化隔離，兩對之間用距離隔離。本系統(tǒng)對天線無特殊要求，地面終端可配備全向天線；星上則采用普通數(shù)傳定向天線即可。多個地面終端分布在不同區(qū)域，遙感衛(wèi)星在過境期間根據(jù)地面終端的信道反饋情況選擇“最佳終端組”用于接收下傳遙感數(shù)據(jù)?！白罴呀K端組”(可能包含1個、2個或4個地面終端)將根據(jù)信道的變化動態(tài)更新；在此基礎上，針對“最佳終端組”內(nèi)每個地面終端的信道情況設計最佳的調(diào)制編碼方案，并在通信過程中進行動態(tài)更新。

圖1 變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳方法示意圖

1.1 系統(tǒng)信道設計

設計3條物理層邏輯信道：前向控制信道、反向反饋信道和前向業(yè)務信道。

前向信令信道：用于向地面終端傳輸用戶選擇和各用戶的調(diào)制編碼方式信息；

反向反饋信道：用于地面終端向遙感衛(wèi)星傳輸信道測量信息；

前向業(yè)務信道：用于遙感衛(wèi)星向選中的地面終端進行遙感數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 遙感衛(wèi)星發(fā)送流程

遙感衛(wèi)星一方面通過前向控制信道發(fā)送導頻信號，另一方面通過反向反饋信道首先收集多個地面終端的信道反饋信息，包括信道響應和信噪比估計；經(jīng)過信道分析選擇“最佳終端組”，即挑選“組合信道狀況”最好的1個、2個或4個地面終端作為數(shù)據(jù)傳輸對象，通過前向控制信道通知用戶選擇結(jié)果。

根據(jù)“最佳終端組”中每個地面終端反饋的SINR估計值選擇最佳調(diào)制編碼方式，并通過前向控制信道告知對應的地面終端；根據(jù)所確定的調(diào)制編碼方式，對每個地面終端的比特流分別進行調(diào)制編碼；當終端個數(shù)為2個或4個時，對多個數(shù)據(jù)流進行多用戶預編碼；1個、2個或4個數(shù)據(jù)流分別經(jīng)過IFFT和加CP操作后，形成最終1路、2路或4路信號，通過前向業(yè)務信道下傳至地面。

1.3 地面終端接收流程

所有待選擇地面終端接收前向信道，進行去CP和FFT操作，變換到頻域；所有待選擇地面終端在頻域進行信道估計和信噪比估計，并通過反向反饋信道反饋給遙感衛(wèi)星；被選擇的地面終端通過前向控制信道收到選中通知及調(diào)制編碼方式的選擇信息；被選擇的地面終端轉(zhuǎn)向前向業(yè)務信道，首先進行去CP和FFT操作，變換到頻域；每個被選擇的地面終端根據(jù)所指定調(diào)制編碼方式進行解調(diào)和解碼，最終恢復出各自的比特流。

1.4 關鍵問題

變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳系統(tǒng)中，多用戶預編碼、導頻設計、信道測量、信道反饋等方法可借鑒地面移動通信或DVB-S2中的做法，本文不再贅述。下面重點對“最佳終端組”和自適應調(diào)制編碼方式的選擇進行描述。

2 “最佳終端組”選擇

2.1 方法

在地面移動通信系統(tǒng)中，每個終端有著獨立的數(shù)據(jù)接收任務，用戶選擇需要考慮任務性、公平性。在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸場景下，多個終端分布在不同地點，共同承擔遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務。用戶選擇以傳輸速率最大化為原則，系統(tǒng)在任何時候都是選擇最佳的1個或多個終端進行數(shù)據(jù)傳輸，目標是系統(tǒng)容量最大。這樣有利于更加充分地發(fā)揮“用戶分集”效應，基本決策步驟如下：

針對單終端情況：在所有反饋的SINR估計值中選擇最大者，根據(jù)自適應調(diào)制編碼表計算出其對應的傳輸效率(η1bit/s/Hz)；

針對2終端情況：將待選終端兩兩配對，在總功率保持不變的前提下，根據(jù)每個終端反饋的信道信息計算出各自的SINR，根據(jù)自適應調(diào)制編碼表計算各自的最大傳輸效率η21bit/s/Hz和η22bit/s/Hz，最終得到η2=(η21+η22)bit/s/Hz；

針對4終端情況：將待選終端四四配對，在總功率保持不變的前提下，根據(jù)每個終端上報的信道信息計算出各自的SINR，根據(jù)自適應調(diào)制編碼表計算各自的最大傳輸效率η41bit/s/Hz、η42bit/s/Hz、η43bit/s/Hz和η44bit/s/Hz，最終得到η4=(η41+η42+η43+η44)bit/s/Hz；

根據(jù)η1、η2和η4中的最大值，同時確定“最佳終端組”及其對應的調(diào)制編碼方式。

2.2 實例

若某個終端A的接收信道條件足夠好，則將所有衛(wèi)星功率用于向該終端傳輸，接收SINR可以超過30 dB，從而實現(xiàn)最高階調(diào)制和最高碼率的組合，如16QAM+4/5碼率，達到3.2 bit/s/Hz的傳輸效率；

若還存在另外一個終端B，最大接收SINR為20 dB，可以組成兩路空間復用系統(tǒng)，最終兩個終端的接收信干噪比(SINR)分別為23 dB和13 dB，可分別支持16QAM+1/3和BPSK+1/3，從而使總的傳輸效率變?yōu)?.33 bit/s/Hz；

比較以上情形下單鏈路傳輸和兩鏈路復用，發(fā)現(xiàn)空間復用并沒有提高總的傳輸效率，最佳終端組即為單用戶A。

總之，空間復用并不是總能提高系統(tǒng)傳輸效率，是否使用空間復用、選擇多少用戶，取決于具體的地面終端分布和多終端的信道狀態(tài)。

3 自適應調(diào)制編碼方式設定

在DVB-S2中，自適應調(diào)制編碼調(diào)制方式設定的依據(jù)是信噪比SNR；而在本文中，結(jié)合了空間復用技術(shù)后，由于多用戶并行傳輸會相互引入干擾，因此自適應調(diào)制編碼方式的確定依據(jù)應為信干噪比SINR。

除此之外，DVB-S2中，各種調(diào)制編碼方式組合所對應的SINR門限是在高斯信道條件下計算得到的。本文則考慮復雜地形、終端運動等特點，在3GPP SCM(Third Generation Partnership Project Spatial Channel Model,第三代伙伴協(xié)議計劃空間信道模型)[6]信道模型條件下進行分析，得到了所有16種調(diào)制編碼組合對應的解碼門限，剔除不可能被選擇的方案(相對于某些傳輸效率更高的方案有近似或更高的解碼門限)。最終，共有7種調(diào)制編碼組合可以選擇，如表1所示。SINR的跨度為0～20 dB，且相鄰傳輸方案的SINR之差都在2 dB以上，因此具有較好的區(qū)分度。

表1 基于3GPP SCM信道模型的自適應調(diào)制編碼方式

4 性能分析

4.1 場景構(gòu)建

選擇遙感衛(wèi)星過境時段內(nèi)的一個區(qū)間建立場景，如圖2所示。2個地面終端分別位于遙感衛(wèi)星星下點兩側(cè)，仰角分別為20°和150°。假設遙感衛(wèi)星從畫面右側(cè)向左側(cè)飛行，選擇一個區(qū)間：隨著遙感衛(wèi)星的移動，左側(cè)終端的仰角從20°變成30°，右側(cè)終端的仰角從150°變成160°。其間衛(wèi)星掃過中心角區(qū)間為7.5°～5.5°，持續(xù)時間為整個過境時間的1/14。若遙感衛(wèi)星轉(zhuǎn)過1°中心角的時間為T，則這個區(qū)間總耗時為2T。遙感數(shù)傳的符號率表示為Bsps。

圖2 場景構(gòu)建

仿真所需參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

4.2 終端接收信噪比

對于地面終端而言，在中度陰影衰落條件下，遙感衛(wèi)星過境期間的接收信噪比如圖3所示?？梢钥闯觯簝蓚€地面終端的接收信噪比分別為5 dB和10 dB。隨著遙感衛(wèi)星的移動，左側(cè)終端的接收信噪比將從5 dB增加到10 dB，而右側(cè)終端的接收信噪比則從10 dB降低至5 dB。

圖3 遙感衛(wèi)星過境期間的終端接收信噪比

4.3 單用戶傳輸容量

假設地面只有左側(cè)的終端，遙感衛(wèi)星只配備單天線，傳輸方式包括恒定速率傳輸方式和變速率傳輸方式兩種。

若使用單用戶恒定速率傳輸方式，為了保證衛(wèi)星整個過境期間穩(wěn)定通信，需選擇QPSK+1/3的傳輸方式，效率為2/3 bit/s/Hz，則這段區(qū)間內(nèi)總的傳輸容量為4/3 BT；

若使用單用戶可變速率傳輸方式，則可在接收信噪比為5～9 dB區(qū)間內(nèi)采用QPSK+1/3的傳輸方式，效率為2/3 bit/s/Hz；在9～10 dB區(qū)間內(nèi)采用QPSK+1/2的傳輸方式，效率為1 bit/s/Hz。其中5～9 dB區(qū)間對應的中心角區(qū)間為7.5°～6°，故傳輸容量為2/3×1.5 BT=1 BT；9～10 dB區(qū)間對應的中心角變化為6°～5.5°，故傳輸容量為1×0.5 BT =0.5 BT；這段區(qū)間內(nèi)總的傳輸容量為1.5 BT。

4.4 多用戶傳輸容量

假設地面部署左側(cè)和右側(cè)兩個終端，星上配置1對交叉極化天線。此種情況下，有可能在自適應調(diào)制編碼的基礎上加入兩終端復用傳輸，但是否使用復用傳輸取決于信道條件。下面具體分析：

1) 右側(cè)終端接收信噪比在9～10 dB子區(qū)間。若“最佳終端組”數(shù)量為1，則右邊終端信道條件相對更好，采用QPSK+1/2方式，傳輸效率為1 bit/s/Hz；若“最佳終端組”數(shù)量為2，則考慮左側(cè)終端選擇BPSK+1/3或者更高。然而，由于信道相關性較強，兩路復用傳輸為每條鏈路都引入干擾，得到誤碼率曲線如圖4所示。可以看出，由于相互干擾，左側(cè)鏈路BPSK+1/3的解碼門限從0 dB增加到了2 dB，而右側(cè)鏈路QPSK+1/2的解碼門限從9 dB增加到了18 dB。由此可知，這階段使用BPSK+1/3與QPSK+1/2并行的方案是不可行的。

基于上述分析，考慮對右側(cè)終端降低碼率，選擇QPSK+1/3，得到誤碼率曲線如圖5所示。可以看出，此時QPSK+1/3的解碼門限從單用戶情況下的4 dB惡化為6 dB，但仍然小于10 dB。這說明左側(cè)終端BPSK+1/3與右側(cè)終端QPSK+1/3復用的方案是可行的。但是，此時總傳輸效率為1/3+2/3=1 bit/s/Hz，與采用QPSK+1/2方式的單鏈路情況相同?？紤]系統(tǒng)復雜度，此時仍應選擇采用QPSK+1/2方式的單用戶傳輸方式。

基于上述分析，在2個子區(qū)間內(nèi)：左側(cè)終端接收信噪比處于9～10 dB子區(qū)間以及右側(cè)終端接收信噪比處于9～10 dB子區(qū)間，選擇QPSK+1/2方式的單用戶傳輸方式。這2個子區(qū)間內(nèi)的總?cè)萘繛?×(0.5+0.5)=1 BT。

圖4 右側(cè)終端接收信噪比在9～10 dB子區(qū)間，使用兩路復用傳輸?shù)男阅?不可行方案)

圖5 右側(cè)終端接收信噪比在9～10 dB子區(qū)間，使用兩路復用傳輸?shù)男阅?可行方案)

2) 左、右側(cè)終端接收信噪比均在9～6 dB子區(qū)間。當右側(cè)終端接收信噪比從10 dB降到9 dB之后，左側(cè)終端的接收信噪比從5 dB增加到了6 dB。若“最佳終端組”數(shù)量為1，則右邊終端信道條件相對更好，采用QPSK+1/3方式，傳輸效率為2/3 bit/s/Hz；

若“最佳終端組”數(shù)量為2。由于兩個終端的接收信噪比都處于6～9 dB之間，2終端均選擇QPSK+1/3方式，誤碼率曲線如圖6所示。可以看出，由于相互干擾，QPSK+1/3的解碼門限從4 dB增加到了6 dB，此時的信噪比條件剛好滿足要求，說明兩路復用QPSK+1/3的傳輸方案是可行的。此時，并行傳輸系統(tǒng)總的傳輸效率為2/3+2/3=4/3 bit/s/Hz，大于單用戶傳輸方案。

圖6 左、右兩側(cè)終端接收信噪比均在6～9 dB子區(qū)間，使用兩路復用傳輸?shù)男阅?可行方案)

基于上述分析，當左、右兩側(cè)終端接收信噪比均在6～9 dB子區(qū)間時，最佳方案為兩路QPSK+1/3復用。這個子區(qū)間對應的中心角約為1度，因此總的傳輸容量為4/3 BT。

綜合以上兩個區(qū)間的分析，結(jié)合自適應調(diào)制編碼、用戶選擇以及空間復用技術(shù)后，系統(tǒng)在該時間段內(nèi)的總傳輸容量為1+4/3=2.33 BT。

4.5 傳輸容量比較

將上述各種傳輸方案的容量匯總，形成表3。可以看出：變速率傳輸方式下的容量相對于固定速率傳輸方案提高約13%，而結(jié)合空間復用技術(shù)后，多用戶變速率傳輸方式的容量較單用戶變速率方案提高約60%。

值得注意的是，多用戶變速率傳輸方式帶來的性能增益實際上來自于兩部分：一部分是10～9 dB信噪比區(qū)間內(nèi)單用戶情況下對用戶的選擇帶來的增益；第二部分是9～6 dB信噪比區(qū)間內(nèi)空間復用技術(shù)帶來的增益?？梢姡词共挥每臻g復用技術(shù)，多個地面終端仍然可以為單用戶傳輸系統(tǒng)帶來“用戶選擇增益”，提高系統(tǒng)整體的傳輸效率。

表3 三種系統(tǒng)方案的傳輸容量

5 結(jié)論

變速率傳輸方式與空間復用技術(shù)的結(jié)合可以大幅度提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效率，且兩種技術(shù)在不同情況下相互補充。在地面終端分布較分散，衛(wèi)星仰角較低的情況下，自適應調(diào)制編碼的發(fā)揮空間有限，但空間復用技術(shù)的作用明顯；當手持終端地面分布較為集中，衛(wèi)星仰角較高情況下，自適應調(diào)制編碼將大幅度提高傳輸效率，但空間復用的效果將明顯降低；而當多個地面終端高低仰角皆有時，自適應調(diào)制編碼和空間復用的效果都適中，將共同作用提高系統(tǒng)傳輸效率。研究還發(fā)現(xiàn)，即使采用單用戶傳輸方式，多個地面終端也將為系統(tǒng)帶來“用戶選擇增益”，同樣可以用于提高系統(tǒng)的整體傳輸效率。

遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)做法是為地面終端配備伺服天線，傳輸容量隨著天線口徑的擴大而提高；但只能進行單路數(shù)據(jù)傳輸，而且地面終端的成本、體積、復雜度也較高。本文方法適用于低成本、便攜式地面終端，可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸。

[1] 張佳鵬,黃普明,陳泓.基于DVB-S2的遙感衛(wèi)星自適應編碼調(diào)制分析與仿真[J].中國空間科學技術(shù),2010(5)：74-82.

[2] 朱麗亞,梁玉梅,余軍,等.基于RCS的遙感數(shù)據(jù)傳輸中ACM的分析與仿真[J].計算機工程與應用,2013,49(22):77-81.

[3] 張旭.基于VCM的對地探測衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸體制分析[J].電訊技術(shù),2014,54(1):12-16.

[4] ETSI EN 302 307 V1.3.1.Second Generation Framing Structure,Channel Coding and Modulation Systems for Broadcasting,Interactive Services,News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2)[S].2013.3.

[5] SESIA S,TOUFIK I,BAKER M.LTE-The UMTS Long Term Evolution from Theory to Practice[M].New York:John Wiley & Sons,2009:249-276.

[6] 3GPP TR 25.996.3rdGeneration Partnership Project,Technical Specification Group Radio Access Network,Spatial Channel Model for MIMO simulations[S].2012.9.

(責任編輯 楊繼森)

Remote Sensing Data Transmission Combining Variable Rate and Spatial Multiplexing

DING Dan, JIANG Ming-yong

(Photoelectric Equipment Department, Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

In order to further increase the efficiency of remote sensing data transmission, based on single user variable rate transmission, a remote sensing data transmission technique combining variable rate and spatial multiplexing was proposed. Through “best terminal combination” choosing and Adaptive Modulation and Coding (ACM) setting, concurrent data transmission from a remote sensing satellite to several ground terminals was realized, thus improving the overall transmission capacity during the transit window. Analysis and simulation result shows that: by combining spatial multiplexing, the capacity of multi-user variable rate data transmission during 7.5～5.5 degree central angle intervalis is about 60% higher than the existing single user variable rate data transmission.

Adaptive Modulation and Coding (ACM); spatial multiplexing; data transmission; remote sensing satellite

2016-10-27；

2016-12-10 基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”)(2015AA7026085)

丁丹(1980—)，男，講師，主要從事衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸研究。

10.11809/scbgxb2017.03.028

format:DING Dan, JIANG Ming-yong.Remote Sensing Data Transmission Combining Variable Rate and Spatial Multiplexing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):120-124.

V249.3

A

2096-2304(2017)03-0120-05

丁丹，姜明勇.變速率與空間復用相結(jié)合的遙感數(shù)傳技術(shù)[J].兵器裝備工程學報，2017(3):120-124.