变速率与空间复用相结合的遥感数传技术

丁 丹，姜明勇

(装备学院 光电装备系，北京 101416)

【信息科学与控制工程】

变速率与空间复用相结合的遥感数传技术

丁 丹，姜明勇

(装备学院 光电装备系，北京 101416)

为进一步提高遥感卫星数据传输效率，在现有单用户变速率传输方法的基础上，提出变速率与空间复用相结合的遥感数传技术，通过“最佳终端组”的选择和自适应调制编码方式的设定，实现遥感卫星同时对多个地面终端的并发数据传输，从而提升遥感卫星过境窗口内的数据传输容量；分析与仿真结果显示：结合空间复用技术后，在卫星中心角7.5～5.5度区间内，多用户变速率传输方式的容量较现有单用户变速率方式提高了约60%。

自适应调制编码；空间复用；数据传输；遥感卫星本文

为尽可能提高遥感卫星数据传输效率，文献[1-3]借鉴DVB-S2中的ACM (Adaptive Code and Modulation,自适应调制编码)思想，进行可变速率传输。在遥感卫星过境期间，根据仰角和传输距离的变化，自适应地选择最佳调制阶数和编码速率，使得传输数据率随着仰角的增加而提高，这样可以最大限度地利用接收信噪比的变化，实现遥感卫星过境窗口内数据传输容量最大化。

本文在可变速率传输基础上，突破传统点对点遥感数传模式的束缚，结合基于MIMO[5](Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)技术的空间复用传输思想，提出了变速率与空间复用相结合的遥感数传技术，进一步提高遥感卫星数据传输效率。空间复用技术主要是利用多个地面终端的空间隔离特性，利用遥感卫星上的多个发射天线，同时对多个地面终端遥感数据并发传输，从而大幅度提高遥感卫星数据传输的整体容量。

1 系统设计

变速率与空间复用相结合的遥感数传方法如图1所示。图中描述的是同时向4个地面终端发送遥感数据，因此遥感卫星上需配备4副天线，分成2对，每一对之间用极化隔离，两对之间用距离隔离。本系统对天线无特殊要求，地面终端可配备全向天线；星上则采用普通数传定向天线即可。多个地面终端分布在不同区域，遥感卫星在过境期间根据地面终端的信道反馈情况选择“最佳终端组”用于接收下传遥感数据。“最佳终端组”(可能包含1个、2个或4个地面终端)将根据信道的变化动态更新；在此基础上，针对“最佳终端组”内每个地面终端的信道情况设计最佳的调制编码方案，并在通信过程中进行动态更新。

图1 变速率与空间复用相结合的遥感数传方法示意图

1.1 系统信道设计

设计3条物理层逻辑信道：前向控制信道、反向反馈信道和前向业务信道。

前向信令信道：用于向地面终端传输用户选择和各用户的调制编码方式信息；

反向反馈信道：用于地面终端向遥感卫星传输信道测量信息；

前向业务信道：用于遥感卫星向选中的地面终端进行遥感数据的传输。

1.2 遥感卫星发送流程

遥感卫星一方面通过前向控制信道发送导频信号，另一方面通过反向反馈信道首先收集多个地面终端的信道反馈信息，包括信道响应和信噪比估计；经过信道分析选择“最佳终端组”，即挑选“组合信道状况”最好的1个、2个或4个地面终端作为数据传输对象，通过前向控制信道通知用户选择结果。

根据“最佳终端组”中每个地面终端反馈的SINR估计值选择最佳调制编码方式，并通过前向控制信道告知对应的地面终端；根据所确定的调制编码方式，对每个地面终端的比特流分别进行调制编码；当终端个数为2个或4个时，对多个数据流进行多用户预编码；1个、2个或4个数据流分别经过IFFT和加CP操作后，形成最终1路、2路或4路信号，通过前向业务信道下传至地面。

1.3 地面终端接收流程

所有待选择地面终端接收前向信道，进行去CP和FFT操作，变换到频域；所有待选择地面终端在频域进行信道估计和信噪比估计，并通过反向反馈信道反馈给遥感卫星；被选择的地面终端通过前向控制信道收到选中通知及调制编码方式的选择信息；被选择的地面终端转向前向业务信道，首先进行去CP和FFT操作，变换到频域；每个被选择的地面终端根据所指定调制编码方式进行解调和解码，最终恢复出各自的比特流。

1.4 关键问题

变速率与空间复用相结合的遥感数传系统中，多用户预编码、导频设计、信道测量、信道反馈等方法可借鉴地面移动通信或DVB-S2中的做法，本文不再赘述。下面重点对“最佳终端组”和自适应调制编码方式的选择进行描述。

2 “最佳终端组”选择

2.1 方法

在地面移动通信系统中，每个终端有着独立的数据接收任务，用户选择需要考虑任务性、公平性。在遥感卫星数据传输场景下，多个终端分布在不同地点，共同承担遥感卫星数据接收任务。用户选择以传输速率最大化为原则，系统在任何时候都是选择最佳的1个或多个终端进行数据传输，目标是系统容量最大。这样有利于更加充分地发挥“用户分集”效应，基本决策步骤如下：

针对单终端情况：在所有反馈的SINR估计值中选择最大者，根据自适应调制编码表计算出其对应的传输效率(η1bit/s/Hz)；

针对2终端情况：将待选终端两两配对，在总功率保持不变的前提下，根据每个终端反馈的信道信息计算出各自的SINR，根据自适应调制编码表计算各自的最大传输效率η21bit/s/Hz和η22bit/s/Hz，最终得到η2=(η21+η22)bit/s/Hz；

针对4终端情况：将待选终端四四配对，在总功率保持不变的前提下，根据每个终端上报的信道信息计算出各自的SINR，根据自适应调制编码表计算各自的最大传输效率η41bit/s/Hz、η42bit/s/Hz、η43bit/s/Hz和η44bit/s/Hz，最终得到η4=(η41+η42+η43+η44)bit/s/Hz；

根据η1、η2和η4中的最大值，同时确定“最佳终端组”及其对应的调制编码方式。

2.2 实例

若某个终端A的接收信道条件足够好，则将所有卫星功率用于向该终端传输，接收SINR可以超过30 dB，从而实现最高阶调制和最高码率的组合，如16QAM+4/5码率，达到3.2 bit/s/Hz的传输效率；

若还存在另外一个终端B，最大接收SINR为20 dB，可以组成两路空间复用系统，最终两个终端的接收信干噪比(SINR)分别为23 dB和13 dB，可分别支持16QAM+1/3和BPSK+1/3，从而使总的传输效率变为1.33 bit/s/Hz；

比较以上情形下单链路传输和两链路复用，发现空间复用并没有提高总的传输效率，最佳终端组即为单用户A。

总之，空间复用并不是总能提高系统传输效率，是否使用空间复用、选择多少用户，取决于具体的地面终端分布和多终端的信道状态。

3 自适应调制编码方式设定

在DVB-S2中，自适应调制编码调制方式设定的依据是信噪比SNR；而在本文中，结合了空间复用技术后，由于多用户并行传输会相互引入干扰，因此自适应调制编码方式的确定依据应为信干噪比SINR。

除此之外，DVB-S2中，各种调制编码方式组合所对应的SINR门限是在高斯信道条件下计算得到的。本文则考虑复杂地形、终端运动等特点，在3GPP SCM(Third Generation Partnership Project Spatial Channel Model,第三代伙伴协议计划空间信道模型)[6]信道模型条件下进行分析，得到了所有16种调制编码组合对应的解码门限，剔除不可能被选择的方案(相对于某些传输效率更高的方案有近似或更高的解码门限)。最终，共有7种调制编码组合可以选择，如表1所示。SINR的跨度为0～20 dB，且相邻传输方案的SINR之差都在2 dB以上，因此具有较好的区分度。

表1 基于3GPP SCM信道模型的自适应调制编码方式

4 性能分析

4.1 场景构建

选择遥感卫星过境时段内的一个区间建立场景，如图2所示。2个地面终端分别位于遥感卫星星下点两侧，仰角分别为20°和150°。假设遥感卫星从画面右侧向左侧飞行，选择一个区间：随着遥感卫星的移动，左侧终端的仰角从20°变成30°，右侧终端的仰角从150°变成160°。其间卫星扫过中心角区间为7.5°～5.5°，持续时间为整个过境时间的1/14。若遥感卫星转过1°中心角的时间为T，则这个区间总耗时为2T。遥感数传的符号率表示为Bsps。

图2 场景构建

仿真所需参数如表2所示。

表2 仿真参数

4.2 终端接收信噪比

对于地面终端而言，在中度阴影衰落条件下，遥感卫星过境期间的接收信噪比如图3所示。可以看出：两个地面终端的接收信噪比分别为5 dB和10 dB。随着遥感卫星的移动，左侧终端的接收信噪比将从5 dB增加到10 dB，而右侧终端的接收信噪比则从10 dB降低至5 dB。

图3 遥感卫星过境期间的终端接收信噪比

4.3 单用户传输容量

假设地面只有左侧的终端，遥感卫星只配备单天线，传输方式包括恒定速率传输方式和变速率传输方式两种。

若使用单用户恒定速率传输方式，为了保证卫星整个过境期间稳定通信，需选择QPSK+1/3的传输方式，效率为2/3 bit/s/Hz，则这段区间内总的传输容量为4/3 BT；

若使用单用户可变速率传输方式，则可在接收信噪比为5～9 dB区间内采用QPSK+1/3的传输方式，效率为2/3 bit/s/Hz；在9～10 dB区间内采用QPSK+1/2的传输方式，效率为1 bit/s/Hz。其中5～9 dB区间对应的中心角区间为7.5°～6°，故传输容量为2/3×1.5 BT=1 BT；9～10 dB区间对应的中心角变化为6°～5.5°，故传输容量为1×0.5 BT =0.5 BT；这段区间内总的传输容量为1.5 BT。

4.4 多用户传输容量

假设地面部署左侧和右侧两个终端，星上配置1对交叉极化天线。此种情况下，有可能在自适应调制编码的基础上加入两终端复用传输，但是否使用复用传输取决于信道条件。下面具体分析：

1) 右侧终端接收信噪比在9～10 dB子区间。若“最佳终端组”数量为1，则右边终端信道条件相对更好，采用QPSK+1/2方式，传输效率为1 bit/s/Hz；若“最佳终端组”数量为2，则考虑左侧终端选择BPSK+1/3或者更高。然而，由于信道相关性较强，两路复用传输为每条链路都引入干扰，得到误码率曲线如图4所示。可以看出，由于相互干扰，左侧链路BPSK+1/3的解码门限从0 dB增加到了2 dB，而右侧链路QPSK+1/2的解码门限从9 dB增加到了18 dB。由此可知，这阶段使用BPSK+1/3与QPSK+1/2并行的方案是不可行的。

基于上述分析，考虑对右侧终端降低码率，选择QPSK+1/3，得到误码率曲线如图5所示。可以看出，此时QPSK+1/3的解码门限从单用户情况下的4 dB恶化为6 dB，但仍然小于10 dB。这说明左侧终端BPSK+1/3与右侧终端QPSK+1/3复用的方案是可行的。但是，此时总传输效率为1/3+2/3=1 bit/s/Hz，与采用QPSK+1/2方式的单链路情况相同。考虑系统复杂度，此时仍应选择采用QPSK+1/2方式的单用户传输方式。

基于上述分析，在2个子区间内：左侧终端接收信噪比处于9～10 dB子区间以及右侧终端接收信噪比处于9～10 dB子区间，选择QPSK+1/2方式的单用户传输方式。这2个子区间内的总容量为1×(0.5+0.5)=1 BT。

图4 右侧终端接收信噪比在9～10 dB子区间，使用两路复用传输的性能(不可行方案)

图5 右侧终端接收信噪比在9～10 dB子区间，使用两路复用传输的性能(可行方案)

2) 左、右侧终端接收信噪比均在9～6 dB子区间。当右侧终端接收信噪比从10 dB降到9 dB之后，左侧终端的接收信噪比从5 dB增加到了6 dB。若“最佳终端组”数量为1，则右边终端信道条件相对更好，采用QPSK+1/3方式，传输效率为2/3 bit/s/Hz；

若“最佳终端组”数量为2。由于两个终端的接收信噪比都处于6～9 dB之间，2终端均选择QPSK+1/3方式，误码率曲线如图6所示。可以看出，由于相互干扰，QPSK+1/3的解码门限从4 dB增加到了6 dB，此时的信噪比条件刚好满足要求，说明两路复用QPSK+1/3的传输方案是可行的。此时，并行传输系统总的传输效率为2/3+2/3=4/3 bit/s/Hz，大于单用户传输方案。

图6 左、右两侧终端接收信噪比均在6～9 dB子区间，使用两路复用传输的性能(可行方案)

基于上述分析，当左、右两侧终端接收信噪比均在6～9 dB子区间时，最佳方案为两路QPSK+1/3复用。这个子区间对应的中心角约为1度，因此总的传输容量为4/3 BT。

综合以上两个区间的分析，结合自适应调制编码、用户选择以及空间复用技术后，系统在该时间段内的总传输容量为1+4/3=2.33 BT。

4.5 传输容量比较

将上述各种传输方案的容量汇总，形成表3。可以看出：变速率传输方式下的容量相对于固定速率传输方案提高约13%，而结合空间复用技术后，多用户变速率传输方式的容量较单用户变速率方案提高约60%。

值得注意的是，多用户变速率传输方式带来的性能增益实际上来自于两部分：一部分是10～9 dB信噪比区间内单用户情况下对用户的选择带来的增益；第二部分是9～6 dB信噪比区间内空间复用技术带来的增益。可见，即使不用空间复用技术，多个地面终端仍然可以为单用户传输系统带来“用户选择增益”，提高系统整体的传输效率。

表3 三种系统方案的传输容量

5 结论

变速率传输方式与空间复用技术的结合可以大幅度提高遥感卫星数据传输效率，且两种技术在不同情况下相互补充。在地面终端分布较分散，卫星仰角较低的情况下，自适应调制编码的发挥空间有限，但空间复用技术的作用明显；当手持终端地面分布较为集中，卫星仰角较高情况下，自适应调制编码将大幅度提高传输效率，但空间复用的效果将明显降低；而当多个地面终端高低仰角皆有时，自适应调制编码和空间复用的效果都适中，将共同作用提高系统传输效率。研究还发现，即使采用单用户传输方式，多个地面终端也将为系统带来“用户选择增益”，同样可以用于提高系统的整体传输效率。

遥感数据传输的传统做法是为地面终端配备伺服天线，传输容量随着天线口径的扩大而提高；但只能进行单路数据传输，而且地面终端的成本、体积、复杂度也较高。本文方法适用于低成本、便携式地面终端，可实现多路数据并发传输。

[1] 张佳鹏,黄普明,陈泓.基于DVB-S2的遥感卫星自适应编码调制分析与仿真[J].中国空间科学技术,2010(5)：74-82.

[2] 朱丽亚,梁玉梅,余军,等.基于RCS的遥感数据传输中ACM的分析与仿真[J].计算机工程与应用,2013,49(22):77-81.

[3] 张旭.基于VCM的对地探测卫星数据传输体制分析[J].电讯技术,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.

(责任编辑 杨继森)

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 基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”)(2015AA7026085)

丁丹(1980—)，男，讲师，主要从事卫星数据传输研究。

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.变速率与空间复用相结合的遥感数传技术[J].兵器装备工程学报，2017(3):120-124.