《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于聯(lián)合編碼的GEO下行信道抗干擾技術(shù)研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第3期
王俊飛1， 崔維嘉1， 張 剛1， 張 齊2, 王大鳴1
(1. 解放軍信息工程大學(xué)， 河南 鄭州450002; 2. 北方計(jì)算中心，北京100091)
摘要： 鑒于頻率資源受限的問題，采用同頻組網(wǎng)的方式建立衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),可以有效提高頻譜使用效率。為此展開的相關(guān)技術(shù)研究成為該領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。對基于LTE技術(shù)體制的同頻組網(wǎng)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)及其信道進(jìn)行建模，并引入傳統(tǒng)Block-Diagonalization預(yù)編碼算法和三波束聯(lián)合編碼算法，對系統(tǒng)下行物理共享信道抗干擾性能進(jìn)行了仿真分析，并就其算法適用性給出了相關(guān)的結(jié)論和建議，為系統(tǒng)建立提供理論研究基礎(chǔ)。
中圖分類號： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)03-0112-04
Research on anti-interference technology of downlink-channel in GEO communication system coding
Wang Junfei1, Cui Weijia1, Zhang Gang1, Zhang Qi2, Wang Daming1
1. The PLA Information Engineering, Zhengzhou 450002, China;2. North Computer Center，Beijing 100091, China
Abstract： In view of the limited resources for satellite frequencies our applied, and the fact that organizing networks with the same frequency can effectively improve the spectrum efficiency, it’s necessary to expand research with the related technology. This paper gives out the simulation analysis on anti-interference performance with physical downlink shared channel in the whole system, which introducing the traditional ground Block-Diagonalization precoding algorithm and the three beam joint coding algorithm through modeling the LTE technology system which organizing networks with the same frequency. Finally, we give out relevant conclusions and recommendations in algorithm applicability with the level of the mathematical model, which provides a theoretical research foundation for system establishment.
Key words : satellite mobile communication; LTE; Lutz channel model; organizing networks with the same frequency; co-channel interference; joint coding

    目前，由于頻率資源緊缺，國際上部分已發(fā)射通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器不能正常工作，從而造成了大量的系統(tǒng)資源浪費(fèi)。我國在國際電聯(lián)組織ITU(International Telecommunications Union)申請的頻率使用資源非常有限[1]，因此高效的頻率使用規(guī)劃方案和同頻組網(wǎng)技術(shù)將極大地提高基于LTE技術(shù)體制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)性能和頻率使用效率，以此為基礎(chǔ)的下行信道聯(lián)合編碼技術(shù)更是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
    本文以基于TDD制式的LTE技術(shù)體制GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)為研究背景，首先對地面LTE通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃和傳統(tǒng)星內(nèi)頻率復(fù)用技術(shù)進(jìn)行分析，建立衛(wèi)星蜂窩覆蓋網(wǎng)絡(luò)研究模型；在北京大學(xué)李斌等人提出的多波束衛(wèi)星通信下行鏈路聯(lián)合編碼技術(shù)[2]的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星信道模型研究成果[3-5]，分別對衛(wèi)星波束邊緣重疊區(qū)域進(jìn)行鏈路級系統(tǒng)仿真分析?？剂縇TE技術(shù)體制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在同頻組網(wǎng)時,下行信道采用不同聯(lián)合編碼技術(shù)的抗干擾性能。
1 LTE通信系統(tǒng)同頻組網(wǎng)技術(shù)分析
    在LTE技術(shù)體制下,系統(tǒng)采用OFDMA多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)正交傳輸。盡管系統(tǒng)的小區(qū)帶寬可以達(dá)到20 MHz，但單個用戶的數(shù)據(jù)通常只需要在數(shù)個資源塊上進(jìn)行窄帶發(fā)送，其小區(qū)的下行發(fā)送信號對相鄰小區(qū)形成的干擾是離散的窄帶干擾。在小區(qū)邊緣只有隨機(jī)發(fā)生碰撞的資源塊受到同頻干擾的影響。針對LTE信道特點(diǎn)，在地面移動通信網(wǎng)絡(luò)中業(yè)內(nèi)通常將其同頻組網(wǎng)分為控制信道同頻組網(wǎng)和業(yè)務(wù)信道同頻組網(wǎng)兩個大類。LTE上行采用峰均比較低的DFT-SC-FDMA技術(shù)，下行采用頻譜效率較高的OFDMA技術(shù)。為此本文針對系統(tǒng)上下行鏈路的不同進(jìn)行分類研究。鑒于LTE系統(tǒng)本身通過天線技術(shù)、資源分配、加擾與交織等技術(shù)對控制信道的鄰小區(qū)干擾控制有較好效果，并能利用特殊時隙配比有效消除遠(yuǎn)距離同頻干擾[6]，這些基于地面系統(tǒng)中的研究成果在衛(wèi)星系統(tǒng)中通過少量修改可以得到較好的兼容使用。而在地面系統(tǒng)中，下行物理共享信道則需要使用干擾隨機(jī)化、干擾消除和干擾避免等技術(shù)手段來消除同頻組網(wǎng)帶來鄰小區(qū)干擾。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星信道條件下存在較大影響，需要重新設(shè)計(jì)。結(jié)合衛(wèi)星系統(tǒng)中下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)必須通過衛(wèi)星信關(guān)站發(fā)送的特點(diǎn)，信關(guān)站通過對臨近波束的物理共享信道進(jìn)行聯(lián)合編碼，可以在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)干擾抑制合并IRC(Interference Rejection Combining)技術(shù)。本文主要研究對象是LTE衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在同頻組網(wǎng)時下行物理共享信道的鄰小區(qū)聯(lián)合編碼抗干擾問題。


    至此可以構(gòu)建GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的波束到用
 
3 聯(lián)合編碼
    以上文中完成的系統(tǒng)模型和信道建模為基礎(chǔ)，采用地面網(wǎng)絡(luò)中抗干擾BD編碼算法和基于衛(wèi)星規(guī)則同頻組網(wǎng)三波束聯(lián)合編碼算法做比較，下面就仿真算法和思想做簡要介紹。
    傳統(tǒng)的BD(Block-Diagonalization)預(yù)編碼算法[7]通過信道塊對角化完成用戶間干擾迫零，能有效地消除用戶間干擾。其算法主要思想是將多用戶信道解耦成獨(dú)立無干擾的單用戶問題,算法最終目的在于求取迫零矩陣Wk，其求解過程如式(7)：

    本文的仿真在Lutz衛(wèi)星信道模型下使用傳統(tǒng)BD預(yù)編碼算法和基于三波束聯(lián)合預(yù)編碼算法兩種編碼方式進(jìn)行系統(tǒng)性能的仿真比對。
4 仿真與結(jié)果
    仿真中系統(tǒng)模型下行傳輸體制采用OFDM，調(diào)制方式為QPSK，每個波束中用戶采用相同子載波，子載波頻譜帶寬30 kHz，載波頻率2 GHz，系統(tǒng)帶寬20 MHz。仿真程序考量系統(tǒng)模型陰影區(qū)域用戶在凈空狀態(tài)和陰影遮蔽狀態(tài)的衛(wèi)星信道條件下，使用不同聯(lián)合編碼方式的系統(tǒng)通信性能。
    場景條件1：邊緣區(qū)域接收用戶處于凈空狀態(tài)，信道模型符合Lutz模型中好狀態(tài)信道條件,且Lutz因子A=0,如圖3所示。

 

 

    場景條件2：邊緣區(qū)域接收用戶處于遮蔽狀態(tài)，信號模型符合Lutz模型中壞狀態(tài)信道條件,且Lutz因子A=1，遮蔽條件轉(zhuǎn)移概率B=0.5,如圖4所示。

    通過上面的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),無論是在好信道狀態(tài)還是在壞信道狀態(tài)下，三波束聯(lián)合編碼方式在低信干噪比的位置都能取得良好的系統(tǒng)吞吐量。但隨著信干噪比的提高,當(dāng)信干噪比分別高于11.85 dB和15.07 dB時,傳統(tǒng)的BD算法預(yù)編碼方式能提供更優(yōu)的系統(tǒng)性能。
    本文通過構(gòu)建Lutz衛(wèi)星信道，在同頻組網(wǎng)的衛(wèi)星系統(tǒng)模型下對兩種信道預(yù)編碼方式進(jìn)行了抗同信道干擾能力的比較。通過對仿真數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：
    (１)在衛(wèi)星蜂窩小區(qū)邊緣區(qū)域，接收機(jī)信干噪比較低時，傳統(tǒng)的BD預(yù)編碼方式并不能提供高質(zhì)量的同信道抗干擾能力；
    (２)隨著接收機(jī)向小區(qū)中心區(qū)域接近，三波束聯(lián)合編碼方式的系統(tǒng)接收到來自于鄰小區(qū)波束的信號減弱，系統(tǒng)整體性能歸于平緩，但伴隨本波束信道質(zhì)量的提高，系統(tǒng)通信能力仍然遠(yuǎn)高于不進(jìn)行信道預(yù)編碼的系統(tǒng)；
    (３)在高信干噪比條件下，基于傳統(tǒng)BD預(yù)編碼方式的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能獲得較好的下行物理共享信道抗干擾能力；
    (４)信道聯(lián)合編碼技術(shù)配合信道檢測技術(shù)能為基于LTE技術(shù)體制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)提供自適應(yīng)選擇的手段，可以用于提高整系統(tǒng)的吞吐量。
    本文的研究是在對地面系統(tǒng)信道聯(lián)合編碼的相關(guān)研究成果之上，添加了LTE技術(shù)體制下的GEO衛(wèi)星同頻組網(wǎng)系統(tǒng)模型，對Lutz信道模型在不同預(yù)編碼方式下的性能進(jìn)行了鏈路級的系統(tǒng)仿真，結(jié)果顯示盡管接收機(jī)位置接近小區(qū)中心區(qū)域，采用三波束聯(lián)合編碼方式也不會使得系統(tǒng)下行鏈路信道質(zhì)量出現(xiàn)大幅度的性能下降，因此可以適用于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。本文為建立我國基于LTE技術(shù)體制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在同信道干擾問題上的研究提供了理論基礎(chǔ)。
    本文未就系統(tǒng)移動接收端受多普勒頻偏等影響做相關(guān)分析，因此尚不能徹底地反映GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在后續(xù)的工作中將結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)通過組建經(jīng)驗(yàn)公式模型的方式展開進(jìn)一步研究。
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