郭道省，張曉凱，張邦寧，齊　帥

(陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

0　引言

衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信的重要方式，具有覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活、通信頻帶寬、通信容量大、可靠性高、便于多址連接等優(yōu)點，所以在眾多領域具有廣泛的運用[1]。

根據(jù)電磁學理論，電磁波除了幅度、相位和頻率特性之外，還具有極化這一基本特性。事實上，電磁波作為無線信號的傳播載體，極化特性也是信號處理中可利用的重要資源。極化[2-3]是電磁波的電場矢量在傳播截面上隨時間變化的軌跡。充分利用電磁波的這一物理特性，能夠打開衛(wèi)星通信中一個新維度。通過對電磁波極化特性進一步分析、處理，可以豐富信號傳輸理論，提高傳輸可靠性，緩解當前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻譜資源緊張、能耗高、干擾嚴重等問題[4]，可為未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量提升、能耗降低、干擾消除等熱點問題開辟新的途徑[5]。

本文對信號極化特性在衛(wèi)星通信傳輸中的應用現(xiàn)狀進行分析，結(jié)合當前極化信息理論和最新研究成果，分析極化特性在衛(wèi)星通信中的發(fā)展趨勢。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

極化信息處理在衛(wèi)星通信中的應用起源于解決衛(wèi)星天線與地球站天線對齊后匹配接收問題。衛(wèi)星通過極化匹配來最大化接收有用信號，否則接收效果會很差[6]。地球在不斷地做自轉(zhuǎn)，微弱的衛(wèi)星信號要被及時地捕捉，除了地球站對準衛(wèi)星以外，還需要極化角的數(shù)值調(diào)整饋源輸出波導口的方向，從而使得有用信號不泄露。例如目前仍在活躍研究的雙頻段、雙頻率圓極化天線[7-8]等。

隨著衛(wèi)星功能的不斷擴展和數(shù)量的不斷增加，電磁波的頻率資源越發(fā)緊張，衛(wèi)星的頻段從4/6 GHz不斷擴展到目前的太赫茲衛(wèi)星，頻率不斷升高。雖然暫時解決衛(wèi)星數(shù)量的矛盾，但頻率越高，大氣等對電磁波的吸收越嚴重，對器件的制造工藝要求越高，導致衛(wèi)星的成本非常高。因此，利用類似于光纖通信中偏振復用技術的衛(wèi)星極化復用技術孕育而生，其通過相互正交的極化信號實現(xiàn)對頻譜的復用。采用雙極化復用，當極化鑒別度(Cross-polarization Discrimination, XPD)達到20～39 dB就可以將頻率資源利用率提升將近一倍[9]。正交極化復用技術關鍵在于極化復用實現(xiàn)的機理以及衛(wèi)星信道的去極化效應等[10-11]?？梢娦l(wèi)星正交極化復用可以在一定程度上解決頻率資源緊張的問題。隨著技術發(fā)展，正交極化復用已經(jīng)無法滿足日益增長的需求，有學者提出多極化復用，并為了克服去極化效應設計了最優(yōu)的補償策略[12]。

極化調(diào)制作為一種新的調(diào)制方式，其主要的優(yōu)點是信號不受放大器的非線性影響、不受相位噪聲的影響以及具有較高的頻譜效率，在衛(wèi)星通信領域的研究也不斷展開[13]。因為，大多數(shù)衛(wèi)星上都裝配有雙正交極化天線，因此無需硬件調(diào)整即可實現(xiàn)極化調(diào)制。同時，在極化調(diào)制解調(diào)時，無需嚴格的載波同步，適用于高動態(tài)以及高頻窄帶等難以建立載波同步的衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于其自身的廣播特性以及較大范圍的覆蓋，所以面臨著嚴重的傳輸安全威脅[14]。隨著計算機能力的提升，傳統(tǒng)高層加密技術無法完全保證信息的絕對安全傳輸。有學者設計一對快速跳變的雙極化狀態(tài)同時用于承載調(diào)制信息，形成一種自干擾[15]，得以安全傳輸。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對這一信息資源研究開發(fā)的深度和廣度還遠遠不能與其重要性相稱。充分挖掘和利用潛在的極化域資源是未來衛(wèi)星通信中重要的研究方向。

2　極化特性與衛(wèi)星通信極化信道模型

電磁波完整的描述需要電場強度、電位移密度、磁場強度和磁通量密度四個基本場矢量。例如，在單一頻率下已知電場強度，并采用其端點作為時間函數(shù)所形成的空間軌跡的形狀和旋向定義電磁波極化狀態(tài)，則其余場矢量可根據(jù)電場強度求出。一般情況下，簡諧平面波電場強度的矢量端點在傳播的橫截面上隨時間變化的軌跡是橢圓，稱為極化橢圓。

2.1　當前電磁波極化信息的表示

對于完全極化波通常有5種常用的極化描述：電磁波的Jones電場矢量E、復極化比ρ、極化橢圓幾何描述子(ε,τ)、極化相位描述子(δ,φ)，以及Stokes矢量J。5種參數(shù)都可以唯一地表示一種極化狀態(tài)。通常選定水平/垂直極化(H,V)作為一組基。在電磁波傳播過程中，電場和磁場相互轉(zhuǎn)換，所以用電場表示E=EhH+EvV，E=[Eh,Ev]T,則Jones矢量與極化相位描述子表示：

(1)

式中，γ稱為極化角，取值范圍為[0,π/2]，δ稱為極化輔角，取值范圍為[-π,π]。George Stokes引入4個參數(shù)組成的Stokes矢量，更加形象地描述極化狀態(tài)，如式(2)所示：

(2)

其中：g02=g12+g22+g32，φ=φV-φH，在功率密度一定時，選擇g1、g2和g3作為一組三維的正交基。為了在球坐標下便于描述，采用方位角和仰角表示成為極化橢圓幾何描述子(ε,τ)。Jones矢量、Stokes矢量和幾何描述子，在歸一化功率下，可以映射在Poincare極化球上，如圖1所示。

圖1 在Poincare上相位描述子與幾何描述子

不同表示參數(shù)之間關系為：

(3)

式中，A為信號幅度，可做歸一化處理。

2.2　極化與天線

電磁波由天線輻射，所以天線的極化特性即為該天線輻射電磁波所具有的極化特性。不同結(jié)構的天線具有不同的極化特性，若要對極化信息更加靈活運用，需要產(chǎn)生快速捷變極化信號。隨著天線技術的發(fā)展，改變天線結(jié)構或者變更饋線內(nèi)的電磁波模式就可以實現(xiàn)任意極化狀態(tài)[16]。

改變天線結(jié)構的變極化裝置最早在雷達極化場景下應用，有柵網(wǎng)極化變極化器[17]、反射型極化變極化器[18]、平行金屬片極化變極化器[19]等。目前，變更饋線內(nèi)電磁波模式的變極化天線應用較為廣泛。在饋線內(nèi)完成變極化，主要有半導體變極化器[20]和鐵氧體變極化器[21]，其分別依賴半導體相移、鐵氧體移相器來實現(xiàn)變極化。半導體主要適用于S頻段以下，鐵氧體適用于S波段到Ku波段。這兩種變極化器能夠承受較大的峰值功率，可靠性高。矢量天線陣列[22](Vector Antenna Array，VAA)也是合成任意狀態(tài)的極化波的一個新方法，其使用p(p>1整數(shù))對點偶極子和磁偶極子通過功率控制即可產(chǎn)生。它的主要優(yōu)點是能夠較為精確地產(chǎn)生確定的極化信號，但是矢量天線陣列價格較為昂貴，一般裝載于軍用通信衛(wèi)星和軍用雷達中。

然而，基于硬件產(chǎn)生的極化信號的捷變速度較慢，容易受到機械損傷或者產(chǎn)生的復雜度較高，難以在以最新極化理論為背景的實際通信系統(tǒng)中廣泛應用。

2.3　虛擬極化技術

虛擬極化技術 (Virtual Polarization, VP)與硬件變極化不同，其主要通過數(shù)字信號處理技術來產(chǎn)生任意的極化狀態(tài)，它最早由英國學者Poelman[23]提出。VP技術利用一對雙正交極化通道，對兩個通道進行幅度和相位加權的數(shù)字信號處理，然后分別饋給極化正交天線或者一根雙極化天線，即可在空間中形成任意極化狀態(tài)的電磁波。由于目前數(shù)字信號處理算法的發(fā)展以及高性能極化捷變天線的出現(xiàn)，VP完全可以由DSP完成，整個通信系統(tǒng)無需額外的變極化器或改變天饋系統(tǒng)參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)靈活性。

VP技術產(chǎn)生任意極化狀態(tài)的原理，如圖2所示。選取一組正交雙極化天線輻射電磁波，通常選取水平(H)和垂直(V)極化天線，也可選取左旋圓極化和右旋圓極化等。

圖2　虛擬極化發(fā)射機

其中，圖中功分單元(Power Divide Unit, PDU)和相移單元(Phase Move Unit, PMU)分別為：

(4)

(5)

式中，(γT,δT)為輻射后的極化狀態(tài)相位描述子。假設源信號是一個幅度為E0、頻率為ω0的基帶信號，經(jīng)過PDU和PMU后，在雙正交天線端口的信號為：

(6)

由此可見，可以調(diào)整相位描述子(γT,δT)，使發(fā)射信號遍歷所有極化狀態(tài)，即產(chǎn)生任意狀態(tài)的發(fā)射信號。

接收信號與發(fā)射是互易過程，如圖3所示。

圖3　虛擬極化接收機

在雙正交天線接收信號后，通過兩個通道的移相和幅值加權，即可等效獲得任意狀態(tài)的接收極化。接收端需要有發(fā)送端先驗極化狀態(tài)個數(shù)，通過遍歷判決極化狀態(tài)。設置幅度加權單元和相位加權單元分別為：

(7)

(8)

(9)

經(jīng)過相干合成后，進入接收機的信號為：

yr=(RVcosγr+RHsinγrejδr)ejω0t，

(10)

則整個系統(tǒng)等效的接收極化狀態(tài)即為相位描述子(γr,δr)。

在實際系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)一般都滿足互易定理。變極化天線將某線極化信號變成圓極化發(fā)射，同樣也可以將該圓極化信號接收變成線極化而無損失。這意味著實現(xiàn)發(fā)射變極化天饋系統(tǒng)同樣也可以接收變極化信號。對于虛擬極化而言，按照不同的復數(shù)權值加以組合，無損耗地快速產(chǎn)生任意極化狀態(tài)，并使用接收機快速實現(xiàn)極化自適應，匹配相應的狀態(tài)，達到最優(yōu)化接收。因此，VP技術在未來極化信息的利用上將會發(fā)揮重要作用。

2.4　傳統(tǒng)衛(wèi)星信道特點

衛(wèi)星信道與地面無線信道具有很大的區(qū)別，其主要特征有[24]：第一，功率受限，由于衛(wèi)星主要依靠太陽能電池板工作，數(shù)字通信系統(tǒng)為其主要載荷，而星上功率放大器、體積以及散熱都有很高的要求；第二，帶寬受限，隨著衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，原本有限的頻譜資源變得異常緊張；第三，干擾和噪聲影響大；第四，由于無線電波的無界性以及覆蓋范圍十分廣闊，其依靠高層加密技術的安全傳輸面臨嚴峻考驗。

2.5　衛(wèi)星信道的去極化效應

在衛(wèi)星通信中，主要存在以下兩種去極化機制[4]：

① 天線去極化：由于天線極化特性并非完全理想，天線既可以收到主極化的能量，也會接收到少許交叉極化狀態(tài)上的能量。

② 基于反射的去極化：由于衛(wèi)星信道穿過大氣，會受到大氣中的水蒸氣、小冰晶等的反射與折射，以及對流層的閃爍，隨機改變電磁波的極化狀態(tài)，例如從水平極化狀態(tài)變?yōu)榇怪睒O化狀態(tài)，出現(xiàn)功率耦合等現(xiàn)象。

由于信道的去極化效應，使得極化狀態(tài)發(fā)生變化。從時域上看，主要存在無線極化信道之間的極化相關性和極化功率不平衡[25-26]。極化相關性體現(xiàn)為非富散射環(huán)境下極化信道之間的相關性；極化功率不平衡體現(xiàn)為實際信道由于極化選擇性產(chǎn)生的極化信道之間的功率不平衡。從頻域上看，去極化效應體現(xiàn)為極化狀態(tài)的偏移和極化狀態(tài)正交兩分量的功率增益不平衡[27]，分別稱為極化模式色散(Polarization Mode Dispersion, PMD)和極化相關損耗(Polarization Dependent Loss, PDL)[28-29]。產(chǎn)生PDL的主要原因就是兩路信號之間能量的耦合，PMD效應則用來說明這種耦合關于與頻率之間的關系。

2.6　衛(wèi)星雙極化信道

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，采用虛擬極化技術實現(xiàn)收發(fā)任意極化狀態(tài)，因此需要采用雙正交拋物面極化天線(Orthogonal Dual Parabolic Polarized Antenna, ODPPAs)。

雙極化窄帶衛(wèi)星通信信道基本模型如圖4所示，可以等效成為一個隔離的2x2的MIMO (Multi-input Multi-output) ：

(11)

式中，hXY為X極化發(fā)射天線與Y極化接收天線無線信道間的信道增益。將該信道進行奇異值分解，U和V為酉矩陣，λi(i=1,2)為信道的特征值。由于極化狀態(tài)受酉矩陣的影響，極化基會發(fā)生變化，則U和V會造成極化狀態(tài)的剛性旋轉(zhuǎn)[29]，但極化的相對位置以及功率都不會發(fā)生改變。

圖4　雙極化信道基本模型

因此，PDL效應可以定義為：

(12)

經(jīng)過PDL效應影響之后，接收信號的特征有：

(13)

ρ=λ1cos2γy+λ2sin2γy,

(14)

式中，γz為接收到的極化角，ρ為相比于歸一化接收到的功率，極化角輔角在傳播過程中，一般不發(fā)生改變。

3　極化信息在衛(wèi)星通信中發(fā)展趨勢

信號極化特性在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中仍然存在如下一些問題值得進一步深入研究：

① 衛(wèi)星通信被廣泛應用于軍事領域，而軍用無線通信系統(tǒng)面臨著嚴重的干擾，極化域抗干擾技術能夠?qū)崿F(xiàn)一定的增益。因此，在未來，在不同的干擾場景下，采取專門的極化域抗干擾技術將是研究重點。另外，利用斜投影濾波器在極化域?qū)崿F(xiàn)抗干擾時，其中對干擾參數(shù)的識別至關緊要。目前對極化參數(shù)識別主要利用一些自適應濾波算法來估計，但是往往收斂速度不夠快，在實際系統(tǒng)中是一個亟待解決的問題。因此，進一步探索極化參數(shù)的精確快速識別具有較高的研究價值。

② 在使用快速雙極化變信號實現(xiàn)物理層安全傳輸時，自干擾的能量與原始信號的能量相同，因此在能耗方面并不可觀，需要犧牲較多的能量。在接下來的研究中，可以根據(jù)實際的信道，對干擾信號能量進行優(yōu)化，設計更加成熟的安全傳輸方案。

③ 衛(wèi)星正朝著大容量、高帶寬方向發(fā)展。如何從極化復用角度提高系統(tǒng)吞吐率以及提升高帶寬的頻譜利用率將是未來發(fā)展的一個重要方向。

4　結(jié)束語

首先結(jié)合當前極化信息理論和最新研究成果，從電磁波基本場的概念出發(fā)引出了極化表征的方法，闡述了極化與天線之間的關系，在此基礎上，分析了任意極化狀態(tài)的產(chǎn)生以及接收方法。進而，闡述了衛(wèi)星通信雙極化信道模型以及去極化效應對信號產(chǎn)生的影響，最后分析了極化特性在衛(wèi)星通信中的發(fā)展趨勢。衛(wèi)星通信作為一種重要的通信方式，信號的極化特性豐富了傳輸理論，在極化領域進行進一步深入探究，能夠緩解當前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻譜資源緊張、能耗高、干擾嚴重等問題，可為未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量提升、能耗降低、干擾消除等熱點問題開辟新的途徑。

[1]易克初,李怡,孫晨華,等.衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望[J].通信學報,2015, 36(6): 157-172.

[2]Andrews M R, Mitra P P, Decarvalho R. Tripling the Capacity of Wireless Communications Using Electromagnetic Polarization[J].Nature,2001, 409(6818):316-324.

[3]Dietrich C B,Dietze K, Nealy J R, et al. Spatial, Polarization, and Pattern Diversity for Wireless Handheld Terminals [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2001, 49(9): 1271-1281.

[4]Guo C, Liu F, Chen S, et al. Advances on Exploiting Polarization in Wireless Communi-cations: Channels, Technologies, and Applications[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2016, PP(99):1-1.

[5]Guo C, Chen S, Liu F. Polarization-Based Spectrum Sensing Algorithms for Cognitive Radios: Upper and Practical Bounds and Experimental Assessment[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(10): 8072-8086.

[6]Boerner W M, Yan L. Basic Principles of Radar Polarimetry and Its Application to Target Recognition Problems with Ascendants of Historical Development and of the Current State-of-art [C]//Proceeding of the NATO Advanced Study Institute on Modeling and Measurements for Analysis of Synthesis Problems,1991:311-363.

[7]Thi T N,Hwang K C,Kim H B.Dual-band Circularly-polarized Spidron Fractal Micro Strip Patch Antenna for Ku-band Satellite Communication Applications[J]. Electrics Letters,2013, 49(7):444-445.

[8]Smolders A B,Mestrom R M C, Reniers A C F, et al. A Shared Aperture Dual-frequency Circularly Polarized Micro Strip Array Antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013, 12:120-123.

[9]Maitra A, Chakravarty K. RainDepolarization Measurements on Low Margin Ku-band Satellite Signal at a Tropical Location[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2009, 8:445-448.

[10] Lee L S. PolarizationControl Schemes for Satellite Communications with Multiple Up-links[J]. IEEE Trans on Communication,1979, 27(10):1504-1512.

[11] Cuinas I, Sanchez M G, ALEJOS A V. Depolarization due to scattering on walls in the 5 GHz Band[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009, 57(6):1804-1812.

[12] Zhang X,Zhang B,Guo D. Poly-polarization Multiplexing in Narrow-band Wireless Communication Aid By Multi-notch OPPFs and Optimal Pre-compensation [J].IEEE Wireless Communications Letters, 2017, 6(4):478-481.

[13] 張曉凱,張邦寧,郭道省,等.極化調(diào)制在衛(wèi)星中的應用[J].微型機與應用,2017(11): 66-70.

[14] An K, Lin M, Ouyang J, et al. Secure Transmission in Cognitive Satellite Terrestrial Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(11):3025-3037.

[15] Zhang X,Zhang B,Guo D.Physical Layer Secure Transmission Based on Fast Dual Polarization Hopping in Fixed Downlink Satcom [J].IEEE Access, 2017, 5:11782-11790.

[16] 莊釗文. 雷達極化信息處理及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社, 1999.

[17] Dietlein C, Luukanen A, Popovic Z, et al. A W-Band Polarization Converter and Isolator [J]. Antennas & Propagation IEEE Transactions on, 2007, 55(6):1804-1809.

[18] Doumanis E, Goussetis G, Dickie R, et al. Electronically Reconfigurable Liquid Crystal Based Mm-Wave Polarization Converter[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propaga-tion, 2014, 62(4):2302-2307.

[19] Hallam B T, Lawrence C R, Hooper I R, et al. Broad-bandPolarization Conversion from a Finite Periodic Structure in the Microwave Regime[J]. Applied Physics Letters, 2004, 84(6):849-851.

[20] Zhong S S, Yang X X, Gao S C. Polarization-agile Microstrip Antenna Array Using a Sin-gle Phase-shift Circuit[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2004, 52(1):84-87.

[21] Fukusako T, Imahase A, Mita N. Polarization Characteristics of Patch Antenna Using in-plane and Weakly Biased Ferrite Substrate[J]. Antennas & Propagation IEEE Transactions on, 2004, 52(1):325-327.

[22] Xiao J J, Nehorai A. Optimal Polarized Beampattern Synthesis Using a Vector Antenna Ar-ray[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2009, 57(2):576-587.

[23] Poelman A J. Virtual Polarization Adaptation-a Method of Increasing the Detection Capa-bility of a Radar System Through Polarization-vector Processing[J]. Communications, Radar and Signal Processing, IEE Proceedings F ,1981, 128(5):261-270.

[24] 伊波利托. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2012.

[25] Athanasiadou G E, Nix A R. A Novel 3-D Indoor Ray-tracing Propagation Model: the Path Generator and Evaluation of Narrow-band and Wide-band Predictions[J]. Vehicular Tech-nology IEEE Transactions on, 2000, 49(4):1152-1168.

[26] Kwon S C,Stuber G L. Geometrical Theory of Channel Depolarization[J]. IEEE Trans-actions on Vehicular Technology, 2011, 60(8):3542-3556.

[27] Nair L R,Maharaj B T. Comparative Model Analysis for a Dual-Polarized Indoor and Industrial MIMO System[C]//IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications. IEEE, 2009:7-12.

[28] Molisch A F, Asplund H, Heddergott R, et al. The COST259 Directional Channel Mod-el-Part I: Overview and Methodology[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2006, 5(12):3421-3433.

[29] Tenoux T, Lostanlen Y. Modeling and Analysis of the Radio Wave Depolarization in Urban Environments[J]. Physical Communication, 2012, 5(4):338-351.

[30] 代大海, 王雪松, 肖順平,等. 電磁波極化變換的數(shù)學原理及其性質(zhì)[J]. 中國科學:物理學 力學 天文學, 2008(10):1301-1311.