CN105207703A - 基于低轨卫星编队星地mimo的通信阵列参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，考虑星地链路为视距链路，通过调整地面阵参数来满足卫星编队视距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。通过仿真可知，应用调整方案能使系统性能稳定，信道容量有较大提升，即使引入较大误差后，系统性能下降不明显。说明此方案有一定的实用价值。

Description

基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种星地MIMO的通信阵列参数优化方法。

背景技术

MIMO技术，最早是由Marconi于1908年提出的，旨在利用多天线来抑制信道衰落。直到上个世纪九十年代中期，美国的AT&TBell实验室发表了一系列文章，提出了以引入空域处理技术的多进多出(MIMO:MultipleInputMultipleOutput)技术为代表的多天线通信系统，并就其编码技术方案以及信号处理技术进行了全面的阐述，引起了各国学者的极大关注，对MIMO技术的研究产生了巨大的推动作用。多入多出(MIMO)是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

卫星编队指具有特殊几何构型，且卫星间的相对位置要求保持在一定精度范围内的卫星系统。现实中多采用小卫星编队飞行，小卫星之间相互合作，共同执行空间任务。把过去由单颗卫星完成的任务分散给编队中的每颗卫星，构成一颗“虚拟卫星”完成单颗大卫星的任务，大大提高了卫星系统的抗干扰和抗摧毁能力。卫星编队飞行技术具有高度的灵活性，可以根据需要改变其系统的构型及指向，灵活改善或增减系统功能。它们协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以实现单一大卫星无法完成的科学和技术使命，将开辟许多新的空间应用领域。更为重要的是，编队飞行技术具有低风险、高生存能力的特性。与大卫星相比，卫星编队中即使单个卫星失效，其损失也较小，构成虚拟平台的卫星数量在一定范围内可增减。

卫星编队的应用，将产生大量的数据需要快速传输至地面。考虑到卫星编队的空间特性，多颗卫星可以组成一个空间天线阵列进行信息传输，如果能在星地之间建立MIMO通信系统，能大大提高星地通信系统的传输能力。

另一方面，目前关于卫星编队星地MIMO的研究多侧重于MIMO分集方面，对MIMO空分复用研究较少。非专利文献1(R.T.Schwarzetal.Optimum-CapacityMIMOSatelliteLinkforFixedandMobileServices.Proc.WSA2008,pp.209-216)提出在同步轨道卫星编队于地面站之间构建MIMO通信系统得到复用增益，并在理论上推导了同步轨道下星地MIMO系统的地面阵最优参数选择。

要在低轨卫星与地面天线阵建立MIMO系统的难度较大，因为低轨卫星与地面站之间相对移动速度较快，很难满足长时间的、稳定的通信链路，星地通信链路处于视距状态，不同收发天线对的链路之间相关性较大，难以充分使用卫星编队的空域信息来进行空分复用从而使传输速率成倍提升。同时还需综合考虑卫星对地面的同时覆盖和卫星编队间同步传输等问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，适用于视距链路下低轨跟飞式卫星编队与地面形成MIMO通信系统，在可通信时间窗口内，通过调整地面阵参数，可以使下行链路信道容量大大提升。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，应用于低轨卫星编队星地MIMO通信系统，所述卫星编队包括至少两颗保持在同一轨道上的低轨卫星，地面站包括至少两个天线组成的天线阵；所述方法包括如下步骤：

步骤1：根据所述卫星编队的卫星轨道数据以及地面站的位置数据，得到卫星与地面站的距离、方位角、仰角数据；

步骤2：得到通信时间窗口[T0,T1]；

步骤3：计算t时刻的卫星与地面站的距离变化数据R(t)、卫星天线阵的仰角变化数据θt，其中，t∈[T0,T1]；

步骤4：根据R(t)、θt优化地面站天线阵列参数dr(t)。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1具体为：根据卫星轨道的形状、大小和方向以及某一确定时刻的在轨位置求解开普勒方程并进行修正，得到卫星的位置数据，根据地面站的位置以及卫星的位置，计算地面站到卫星的距离、仰角和方位角数据。

作为本发明的进一步改进，所述星天线阵的仰角变化数据θt根据以下公式计算：r_1，2＝[(R+d_t·sinθ_t)²+(d_t·cosθ_t)²]^1/2。

作为本发明的进一步改进，所述地面站天线阵列参数dr(t)根据以下公式计算：

$d_t{d}_r=(2n+1)\·\frac{\mathrm{\λ}R}{2\·{\mathrm{cos\θ}}_r\·{\mathrm{cos\θ}}_t}\∀n\∈Z,$

其中，设定cosθ_r的值为0.1，λ为载波波长。

附图说明

图1是卫星编队星地MIMO系统示意图；

图2是公式参量几何示意图；

图3是地面站到卫星的距离仰角以及方位角计算过程示意图；

图4是主卫星与地面站中心位置变化关系图；

图5是一次通信过程中天线最优间距值变化示意图；

图6是未调整情况下低轨卫星编队星地MIMO信道容量变化示意图；

图7是采用调整与未调整情况信道容量变化对比图；

图8是存在调整误差情况下信道容量变化对比图；

图9是不同参数优化情况下信道容量与最佳优化信道容量比值示意图；

图10是不同情况下信道容量累计求和对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

低轨卫星编队星地MIMO通信系统如附图1所示。设定卫星编队采用跟飞形式，S1在前，S2在后。卫星保持在同一轨道上，只有通过同一点的时间不同。其中轨道倾角为i，升交点赤经为Ω。地面站包含了一个由两个天线组成的天线阵，地面天线阵位置为(θ_R,φ_R)，利用编队不同卫星上的发射天线与地面接收天线阵形成MIMO系统。

根据编队卫星所要传输信息来源不同，具体协同方式可为协同编码发送，放大转发或译码转发，所要发射的数据需在向地面发送前在编队卫星之间分配传输完成。两颗卫星通过星间链路进行通信，通过特定的星间通信协议获取信息发射时间。

本发明选择低轨卫星轨道的一个运行周期内两颗卫星同时与地面站天线阵可见时间段[T0,T1](即两颗卫星均处于低轨轨道上D0点与D1点之间的时间段，如附图1所示)进行MIMO传输。整个的MIMO传输过程可分为以下三个阶段。

第一阶段：信息传输准备阶段：跟飞式低轨卫星编队先后进入地面站G0的可见通信范围，在第一颗卫星S1飞过D0点进入通信范围时进行跟踪捕获，通过特定的握手机制建立一个稳定连接，并通过遥控遥测系统或者轨道求解等数值方法计算卫星天线与地面天线距离，做好MIMO信息传输准备。同时，编队卫星通过星间通信协议完成MIMO传输初始化。

第二阶段：待第二颗卫星S2进入可见通信范围内的时刻为T0，卫星编队的两颗卫星根据特定通信协议(包含编码方式，发射时间以及协作方式)同时向地面站G0传输已编码信息。与此同时，地面站G0根据低轨卫星运行轨道动态优化天线阵参数(天线阵方向角度与天线间距)，使星地MIMO子信道正交。

第三阶段：直至第一颗卫星S1于T1时刻飞出可通信范围，它发射结束MIMO传输信息给地面站G0，同时发射结束指令给S2。一个MIMO通信时间段结束，等待下一次通信机会。

MIMO技术应用到卫星通信中会遇到很多与地面MIMO不同的问题。在通常的MIMO应用中，散射环境以及多经的存在是MIMO发挥优势的必要条件。而在卫星编队MIMO中，卫星天线与地面站之间的直射路径似乎限制了MIMO在卫星通信中的应用，因为视距直射路径的存在通常会导致信道矩阵的秩降低。但近来的一些研究发现，在LOS(视距)环境下，通过特定天线的配置能实现子信道的正交性，可以使MIMO信道容量达到最大。视距MIMO理论推导如下。

对于发射机的每个发射天线都具有相同平均发射功率的慢衰落MIMO系统，考虑信号为窄带的、点到点的、发射机无精确信道估计的、无回馈的信号，那么MIMO信号模型为：

r＝H·s+n(1)式中:r为m_R×1的接收信号向量；s为m_T×1发射信号向量；n为m_R×1独立同分布加性复白高斯噪声向量，每个分量的方差是σ²；H为m_R×m_T信道矩阵，其中第i行、第j列矩阵元素表示为h_ij，m_T和m_R分别是发射和接收天线数目，假设m_R>m_T。则MIMO容量为：

$C={\log }_2\[\det (I_{m_R}+\frac{\mathrm{\ρ}}{m_T}{\mathrm{HH}}^H)\]---\left(2\right)$

当N<M时，相应的信道容量公式只需将上式中的HH^H替换为H^HH。其中：I_mR表示m_R阶单位矩阵，H^H表示矩阵H的共轭转置；ρ为接收机每根接收天线分支上的平均信噪比。

视距MIMO中信道传输矩阵H(f)包括直视路径(LOS:LineofSight)部分H_LOS(f)和非直视路径(N_LOS:NoneLineofSight)部分H_NLOS(f)，表示如下式：

$H\left(f\right)=\sqrt{\frac{K}{K+1}}{H}_{LOS}\left(f\right)+\sqrt{\frac{1}{K+1}}{H}_{NLOS}\left(f\right)---\left(3\right)$

K是莱斯K因子。考虑到卫星信道特性已及卫星接收天线的方向性，本发明只考虑强视距部分，将信道矩阵表示为：

$H\left(f\right)=H_{LOS}\left(f\right)\&Element;C^{m_R\&times;m_T}---\left(4\right)$ 其中C表示复数域。该矩阵第m_R行，第m_T列处的元素[H(f)]_mR,mT电磁波的空间传输模型给定：

$H_{m_R,m_T}\left(f\right)=a_{m_R,m_T}\left(f\right)\&CenterDot;\exp \{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}f}{c_0}{r}_{m_R,m_T}\}---\left(5\right)$

其中为r_mR,mT表示第m_T个发射天线到第m_R个接收天线的路径增益，r_mR,mT表示第m_T个发射天线到第m_R个接收天线的距离。

则归一化后的m_R*m_T自由空间MIMO信道矩阵可表示为：

其中k＝2π/λ，λ为载波波长。则相关矩阵可表示为：

公式(7)中矩阵中的元素是由收发天线数量以及收发天线间距离确定的。要使信道容量最大，则满足HH^H＝m_T*Im_R，即HH^H的特征值相等，条件数最小。此时MIMO系统可表示为m_R个独立的子信道。HH^H的非对角线元素满足：

${\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{m_T}{e}^{-jk(r_{m_R,m}-r_{1,m})}=0---\left(8\right)$

基于本发明构建的星地2*2MIMO模型，可将公式(8)写为：

$e^{-jk(r_{1,1}-r_{2,1})}+e^{-jk(r_{1,2}-r_{2,2})}=0---\left(9\right)$ 显然，公式(9)存在满足下式的无穷个解。

$|k(r_{1,1}-r_{2,1})-k(r_{1,2}-r_{2,2})|=(2n+1)\mathrm{\&pi;},\&ForAll;n\&Element;Z---\left(10\right)$

等价于

$r_{1,1}-r_{2,1}+r_{2,2}-r_{1,2}=(2n+1)\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},\&ForAll;n\&Element;Z---\left(11\right)$

以两颗卫星与两个接收天线位置关系构建三维几何模型如附图2所示，以两颗卫星与地面天线A1三点建立xz平面，卫星S1与A1所确定直线为x轴，S1与A1的距离为R，两颗卫星S1、S2间隔距离为dt，地面接收天线间距为dr，用来推导适宜计算地面天线阵动态参数优化关系式。

因为天线间距dr<<R，利用一阶泰勒级数展开式近似公式

$\sqrt{{(D+\mathrm{\&alpha;})}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2}=(D+\mathrm{\&alpha;})\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&beta;}}^2}{{(D+\mathrm{\&alpha;})}^2}}\&ap;(D+\mathrm{\&alpha;})+\frac{{\mathrm{\&beta;}}^2}{2(D+\mathrm{\&alpha;})}---\left(12\right)$

当(D+α)²＞＞β²时成立，可得收发天线对之间的距离如下，

r_1，1＝R(13)

r_1，2＝[(R+d_t·sinθ_t)²+(d_t·cosθ_t)²]^1/2(14)

将公式(13)、(14)、(15)、(16)代入(11)化简可得收发天线均为2时满足LOSMIMO子信道正交天线配置条件如下。

$d_t{d}_r=(2n+1)\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&lambda;}R}{2\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_t}\&ForAll;n\&Element;Z---\left(17\right)$

由公式(17)可知，因为n可以取任意整数，所以满足子信道正交的天线间距dr或者dt可以按周期变化取值。

低轨卫星编队中卫星与地面接收天线处于相对运动状态，它们之间的几何关系也处于变化之中。如果要使公式(8)成立，则需要根据低轨卫星编队的运动情况来调整地面天线阵参数来保持子信道正交。

根据卫星轨道数据计算收发天线阵几何关系过程如附图3所示。

将低轨卫星编队轨道方程计算得到的距离、角度数据带入公式(17)，便可得到低轨卫星编队场景下使得视距MIMO信道容量最大的天线配置关系式，最小的最优地面天线阵间距dr满足下式。

$d_r=\frac{\mathrm{\&lambda;}R}{2\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_t}\&CenterDot;\frac{1}{d_t}---\left(18\right)$

地面接收天线阵动态调整的算法如下：

参数：

R,θt,θr,dr,dt：如附图2所示

[T0,T1]：MIMO通信时间段

H：信道矩阵

λ：载波波长

在对天线阵参数优化算法仿真中，在设定好模型系统参数后，先计算了通信时间段[T0,T1]以及此段时间主卫星S0与地面天线阵中心天线G0的几何关系(仰角、方位角和距离)变化数据；第二，得出[T0,T1]时间段内地面阵参数dr的优化配置，第三，对[T0,T1]时间段使用天线阵参数优化算法所得的信道容量与未优化天线阵的信道容量进行对比，第四，引入Δdr(分别为0.2米，0.4米，0.6米，0.8米)，对[T0,T1]时间段使用优化算法无误差、存在优化误差Δdr，以及未优化的信道容量进行仿真对比分析。

设定模型所涉及的物理参数如表1所示。并设定地面天线阵角度θr满足cosθr＝0.1。cosθr取0.1是为了使θr的值具有现实合理性。

表1仿真系统参数设定表

对于所设定卫星场景，可计算得两颗卫星同时可见时间段[T0,T1]＝[21:54:40-22:08:02]，通过卫星编队轨道参数和地面阵地理位置可以得到[T0,T1]时段内主卫星与地面站中心距离，方位角以及仰角变化如附图4所示。

在一次通信窗口[T0,T1]时间段内卫星与地面天线间的距离由远变近再变远，地面天线对卫星的仰角由小变大再变小，卫星相对于地面站的方位角在卫星飞过地面站所处经度时发生跳变。

根据天线阵参数优化算法计算得出[T0,T1]时段内地面接收天线阵能满足子信道正交的最优天线间距变化如附图5所示。

由公式(18)可知，附图5中的每个dr的值都满足子信道正交。由附图5可知，当卫星编队与地面阵距离变小时，保持卫星编队天线间距不变，所要求的满足最大信道容量的最小地面天线间距变小，随卫星与地面站的距离减小而由最大值3.6米降至0.8米，然后又逐渐增大。

利用卫星轨道数据，计算地面天线阵间距为1.2米且构型固定时[T0,T1]时段内的信道容量变化图如附图6所示。

由附图6可知，在不对卫星发射功率进行额外处理的情况下(即卫星发射功率保持恒定)，系统信道容量随距离变小(信噪比增大)而增大。但在一个通信时段内，信道容量的变化不稳定。在此利用类似中断容量的指标来分析未调整地面天线阵情况下星地MIMO信道容量的性能：

$\frac{T\&lsqb;C\left(h\right)\&le;C_E\&rsqb;}{T_{total}}=q---\left(21\right)$

其中q表示假定以平均容量拟合变化CE(图中红线表示)的速率传输信息，计算得到整个通信过程中信道容量低于CE的时间T[C(h)≤C_E]与整个通信时间段时间T_total的比值。在设定这个场景下q为62.8％，所以，未调整天线阵情况下，卫星编队星地MIMO系统容量不稳定，性能较差。不采用天线阵参数优化难以直接应用来提高系统复用增益。

根据所得的最优天线间距，使用天线阵参数优化算法计算通信过程[T0,T1]中信道容量变化值，得到应用天线阵参数优化算法后得到的信道容量与未优化情况下[T0,T1]时段内信道容量对比图如附图7所示。

由附图7可知，在一次通信过程中，未采用天线阵参数优化的情况下，信道容量波动起伏较大，即使也能波动式达到最大信道容量值，但由于变化太快，发射端难以充分利用信道来发送信息。应用天线阵参数优化后，信道容量随信噪比增大平稳上升，任何时候信道容量都维持在最大值，变化平稳，因此易于利用空域信息来提升系统的信息传输能力。

考虑存在天线阵间距优化误差的情况下，设定误差Δd分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8米，仿真得到[T0,T1]时段内误差影响如附图8所示。

由附图5可知，在整个通信时间段内，地面天线间最优间距处于变化之中。当最优天线间距为3.6米时，由附图8可知，存在0.8米调整误差对系统性能的影响及其有限。最优天线间距下降到0.8米时，当调整存在误差为0.2米时，系统容量下降仍不明显；当调整后存在误差大于0.6米时，会对系统容量造成较大影响，容量下降17％，当存在误差为0.8米时，容量下降43.7％。仿真表明，误差越大，对系统容量造成负面的影响越大。

对不同优化情况下所得的信道容量与无误差优化情况下的信道容量做比值，得到对比情况如附图9所示。在实际中，把误差控制在0.4米(最优间距最小值的一半)以下容易实现。当在仿真中设定误差Δd＝0.4米时，系统容量性能不会出现大幅下降。容量保持在最优情况的93％以上。

了衡量整个[t0,t1]时段内不同情形下的信道容量，对比几种情况所得的信道容量进行累计求和，用于在不考虑信道容量波动的情况下评估系统性能。得到不同优化状态下信道容量累积和对比图如附图10所示。

在通信时间段[t0,t1]内对不同调整情况下的容量进行累积求和，当存在误差0.2米时，容量累积和为最优情况下累积和的99.4％；当存在误差0.4米时，容量累积和为最优情况下累积和的97.5％；当存在误差0.6米时，容量累积和为最优情况下累积和的93.7％；当存在误差0.8米时，容量累积和为最优情况下累积和的85.9％；若不调整天线间距，容量累积和为最优情况下累积和的87.0％。

当误差不大于0.6米时，信道容量比不调整时好，且稳定。当误差为0.8米时，信道容量数值累计和比未调整情况下小，但由于未调整情况下系统信道容量波动性较大，在实际应用中难以充分利用信道资源，它的整体性能较差。所以，本发明提出的地面天线阵动态调整方案能使系统信息传输性能获得较好的提升。

本发明的方法使用地面天线阵参数优化算法调整地面阵参数来满足卫星编队视距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。通过仿真可知，应用调整方案能使系统性能稳定，信道容量有较大提升，即使引入较大误差后，系统性能下降不明显。说明本发明的方法有一定的实用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，应用于低轨卫星编队星地MIMO通信系统，所述卫星编队包括至少两颗保持在同一轨道上的低轨卫星，地面站包括至少两个天线组成的天线阵；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：根据所述卫星编队的卫星轨道数据以及地面站的位置数据，得到卫星与地面站的距离、方位角、仰角数据；

步骤2：得到通信时间窗口[T0,T1]；

步骤3：计算t时刻的卫星与地面站的距离变化数据R(t)、卫星天线阵的仰角变化数据θt，其中，t∈[T0,T1]；

步骤4：根据R(t)、θt优化地面站天线阵列参数dr(t)。

2.根据权利要求1所述的通信阵列参数优化方法，其特征在于，所述步骤1具体为：根据卫星轨道的形状、大小和方向以及某一确定时刻的在轨位置求解开普勒方程并进行修正，得到卫星的位置数据，根据地面站的位置以及卫星的位置，计算地面站到卫星的距离、仰角和方位角数据。

3.根据权利要求1所述的通信阵列参数优化方法，其特征在于，所述星天线阵的仰角变化数据θt根据以下公式计算：r_1，2＝[(R+d_t·sinθ_t)²+(dt·cosθt)21/2。

4.根据权利要求1所述的通信阵列参数优化方法，其特征在于，所述地面站天线阵列参数dr(t)根据以下公式计算：

$d_t{d}_r=(2n+1)\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&lambda;}R}{2\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_t}\&ForAll;n\&Element;Z,$

其中，设定cosθ_r的值为0.1，λ为载波波长。