地空通信傳輸中空間調制的適應性分析

李志明，石 榮，肖 悅

(1.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731； 2.電子信息控制重點實驗室，四川 成都610036)

地空通信傳輸中空間調制的適應性分析

李志明1,2，石 榮2，肖 悅1

(1.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731； 2.電子信息控制重點實驗室，四川 成都610036)

空間調制是一種新型多天線傳輸技術，在隱蔽通信中具有廣闊的應用前景。針對傳統空間調制主要集中在地面通信場景下，而極少涉及地空場景應用研究的現狀，在對空間調制通信模型簡要介紹的基礎上，提出了改進的空間調制系統地空通信信道模型，并分別研究了此信道模型中空對地通信傳輸場景和地對空通信傳輸場景的信道相關性，以及應用空間調制的適應性。并對上述理論分析的有效性及傳輸性能進行了仿真驗證，從而為空間調制在地空通信中的工程應用提供了重要參考。

MIMO；空間調制；地空通信；相關信道；信道建模

0 引言

地空通信利用無人機、熱氣球等升空平臺搭載通信載荷，相對地面通信傳輸來講，具有通信距離遠、覆蓋面積廣、傳輸帶寬大、易于組網和機動靈活等特點，特別適用于空地聯合作戰中編隊迅速推進時的寬帶通信聯絡及城市巷戰中的戰術通信保障。根據空中平臺的升空高度，通信覆蓋半徑可達幾十千米至數百千米[1]。另外，隨著航空技術的不斷進步，小型飛機也將逐步普及到一般居民的生活中，地空通信在日常生活中的重要性也正日趨明顯。

空間調制是一種新型多天線傳輸技術[2-3]。相較于傳統的MIMO系統，空間調制的計算復雜度和天線復雜度低，并且有著更低的峰均比(Peak to Average Ratio，PAPR)及更強的抗相位噪聲能力。目前對空間調制的研究大部分集中在地對地通信場景[4-5]，文獻[6]雖然討論了空間調制在飛機對地通信中的應用，但信道模型依然建立在低空多徑信道的基礎上，且沒有給出信道相關性與空地距離間的關系。文獻[7]針對SISO-OFDM提出了2種空地信道模型：FLYModel-1 和FLY Model-2，并分別針對不同的萊斯因子和信道帶寬進行了仿真分析，但沒有多天線信道相關性方面的結論。本文針對上述問題，提出了改進的空間調制的空地信道模型，分析了空對地通信和地對空通信場景下的信道相關性，得到了信道相關性與空地距離以及散射體半徑之間的關系，并通過仿真驗證了上述理論推導的正確性。

1 空間調制通信模型

輸入二進制bit數據首先轉換為矩陣dL×N，其中L=log2(T)+log2(Mary)為每個時刻發送的bit數，T為天線數，Mary為QAM調制階數?？臻g調制的過程就是把矩陣DL×N映射為矩陣XT×N，矩陣XT×N的每列有且僅有一個非零元素，對應的行號為發送天線的索引。如圖1所示，假設收發端天線數均為2，輸入bit序列為0,1,1T,bit 0表示天線索引1，而后2 bit[11]則用來調制QPSK星座點符號s1，此時天線2不激活，發送符號0。

圖1 空間調制原理框圖

SM系統的接收符號頻域表達式為：

y=HX+N，

(1)

y=HX+N=hls+N，

(2)

2 地空通信空間調制信道模型

地面與空中平臺通信時，在高空的天線周圍散射體分布很少[9]，幾乎可以忽略不計，而在地面的移動終端四周則分布有豐富的散射體。假設散射體分布在以移動用戶為中心的圓周上，且信號只經過一次反射到達用戶的接收天線。圖2為改進的基于單環幾何統計信道模型[10-11]，地面終端周圍不同高度的散射體分布于半徑為R的半圓弧上，貼近地表的散射體分布在圓的弦上[12-13]。

圖2 地空通信信道模型

升空臺與地面站距離為D，且空地距離D與散射半徑R均遠大于收發端的天線單元間隔，地面終端發出的信號只在[-Δ,+Δ]范圍內可以被高空站接收。

為分析方便，模型中的升空臺[14]和地面終端的天線單元個數均為2。若通信雙方均采用全向天線，發送天線元BSp到接收天線元Ul之間的信道增益hlp(t)可以表示為直射分量和散射分量的和，即：

(3)

在無線通信系統中，信道的空時相關性對系統性能有著非常重要的影響，下面分析空間調制系統空地信道的空時相關性。信道空時互相關函數可定義為：

(4)

3 信道相關性分析

3.1 空對地信道相關性

升空臺的2個天線到地面端的單個天線的信道可以表示為lp、lq，由式(4)可得2個信道間的相關函數為[15]:

(5)

(6)

假設散射體在半圓和弦上均勻分布，借助三角函數公式代入距離參數后得到兩信道間散射分量的相關函數為：

(7)

式中，a為角度AOUy，且：

直射分量的相關函數為：

3.2 地對空信道相關性

地面端的2個天線到升空臺的單個天線的信道可以表示為lp、mp，由式(4)可得兩信道間的相關函數為：

(8)

類似式(6)可將式(8)中散射分量的相關函數變形為：

(9)

假設散射體均勻分布于半圓和弦上，借助三角函數公式代入距離參數后得到兩信道間的相關函數為：

(10)

3.3 信道相關性分析的結論

為了更好地描述前面所推導公式的物理意義，在此通過仿真來對上述信道相關性分析的結論進行展示?？紤]地面端離地面高度為1.5 m，升空平臺天線單元間距0.2 m，地面終端天線單元間距0.15 m(大于載頻單個波長長度)，升空平臺相對于地面終端仰角90°，萊斯因子為1，通過計算機仿真得到空對地信道的相關性曲線，如圖3所示。

圖3 空對地信道相關性與散射體半徑和空地距離之間的關系

由圖3可見，從空中向地面傳輸信息時，信道間的相關性很強，在空地距離大于4 km時，信道相關系數幾乎接近于1，此時若使用空間調制，地面端將很難通過信道的差別分辨出發送天線的索引位置；而在空地距離小于2 km時，隨著散射體半徑的增大，信道相關性逐漸降低，最終能過渡到適宜空間調制傳輸的相關性范圍。

從式(8)可以看出，地對空信道的接收相關性與空地距離D沒有關系。通過計算機仿真得到地對空信道的相關性與散射體半徑之間的關系如圖4所示。

圖4 地面終端對升空臺傳輸信道的相關性與散射體半徑的關系

由圖4可見，從地面向空中傳輸信息時，信道間的相關性比較弱。隨著散射半徑的增加，地面終端天線單元間距離與散射半徑比值變小，相關性呈略微上升趨勢。在散射體半徑大于200 m時，信道相關系數小于0.21，此時若使用空間調制，升空臺可以比較容易分辨出發送天線的索引位置。

從上述空對地信道和地對空信道的相關性分析結果可以得到如下結論：在地對空傳輸中適于采用空間調制，而在空對地傳輸中不適于采用空間調制。

4 仿真驗證

在仿真過程中，考慮地面移動通信與地空通信的融合，且地面終端與升空平臺的相對運動速度小于200 km/h，所以仿真所用的OFDM系統采用了類似LTE系統中帶寬為10 MHz時的參數設置[16-17]:IFFT長度為1 024，循環前綴cp長度為128個采樣點，采用QPSK調制方式，收發天線數均為2。作為仿真對比的獨立信道為EVA信道，各天線間不相關。在空對地通信和地對空場景下，不同的散射體半徑和空地距離得到的BER曲線如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，在空對地傳輸時，空地距離與散射體半徑對空間調制的BER性能影響都很大。當空地距離為1 km時，散射體半徑由100 m增加到400 m，空間調制的性能有了較明顯的改善，說明散射體半徑與BER值呈負相關。當固定散射體半徑為400 m，空地距離從5～3 km，再降低到1 km，最后到600 m，BER性能逐漸提高，即空地距離與BER值呈正相關。而當空地距離大于5 km后，即使在散射半徑為400 m時，BER曲線依然沒有下降的趨勢。

從空間調制空對地傳輸場景的BER仿真性能可以看出，隨著空地距離的減小或者散射體半徑的增大，信道的相關性都有減弱的趨勢，這與本文前一節中空對地信道的接收相關性結論相同。但在空地距離大于1 km時，空間調制的性能與獨立信道的對照曲線的差距還是很大的，而當空地距離小于1 km時，升空平臺周圍的散射體逐漸增多，空地通信退化為地面通信。所以，在空對地傳輸信息的場景下，空地距離大于1 km后，空間調制的應用有很大的障礙。

圖5 空間調制空對地場景不同參數下的仿真比較

圖6 空間調制地對空場景不同參數下的仿真比較

由圖6可見，在地對空通信場景下，當散射體半徑固定為400 m時，空地距離2 km和4 km的2條BER曲線相差很小，空地距離2 km和1 km的曲線幾乎重合，說明不同的空地距離對空間調制的BER性能影響不大。固定空地距離為2 km，隨著散射體半徑從400 m減小到50 m時，BER性能有些許改善，在BER為10-3時性能提升了大約1 dB。從整體上看，空間調制在地對空傳輸信道下的BER曲線在10-3時，僅比對照曲線差2 dB左右，說明空間調制能夠在地對空通信場景下正常發揮性能。

空間調制在地對空傳輸場景下的BER性能隨空地距離的減小而有小幅的提高，與本文前一節中地對空傳輸信道的接收相關性結論相符。而地對空信道下的BER性能隨空地距離增大而略微降低，所以可得出如下結論：相比于常規的瑞利信道環境，空間調制能夠在損失些許性能的情況下應用于地對空通信傳輸中。

5 結束語

針對空間調制在地空通信場景下研究的缺失，首先構建了空間調制地空通信模型，對基于單環幾何統計信道模型進行了改進，并根據改進的信道模型推導了地對空通信和空對地通信場景下的接收相關性。通過對兩個場景下空間調制的BER進行計算機仿真，BER曲線變化趨勢與相關性結論吻合，從而得到如下結論：空間調制能夠應用于地對空通信傳輸中，而在空對地通信場景下，空間調制只能在一定的空地距離下發揮作用，從而為空間調制在未來無人機等飛行器的空地通信系統研制中的應用提供了理論基礎與參考依據。

[1] 高自新，徐文娟.地空信道傳輸特性與技術分析[J].無線電工程，2012，42(2) :10-12.

[2] MeslehR Y,Haas H,Ahn C W,et al.Spatial Modulation- A New Low Complexity Spectral Efciency Enhancing Technique[C]∥in Proc.IEEE Int.Conf.Commun.Netw.China,Beijing,China,2006:1-5.

[3] MeslehR Y,Haas H,Sinanovic S,Ahn C W,et al.Spatial Modulation[J].IEEE Trans.Veh.Technol.,2008,57(4):2228-2241.

[4] RenzoM D,Haas H,Grant P M.Spatial Modulation for Multiple-antenna Wireless Systems:A survey[J].IEEE Commun.Mag.,2011,49(12):182-191.

[5] Yang P,Xiao Y,Guan Y L,et al.Single-carrier SM-MIMO:A Promising Design for Broadband Large-scale Antenna Systems[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2016,18(3):1687-1716.

[6] Raddadi B,Thomas N,Poulliat C,et al.On the Use of Spatial Modulation in Aeronautical Communications[C]∥Wireless and Mobile Computing,Networking and Communications (WiMob),2016 IEEE 12th International Conference on.IEEE,2016:1-8.

[7] Jun M,Chunsheng Z,Liang T,et al.AeronauticalChannel Modeling and Simulation[C]∥Control Conference (CCC),2012 31st Chinese.IEEE,2012:5577-5581.

[8] Rappaort T S.Wireless Communication Principles and Practice[M].北京:電子工業出版社，1999.

[9] 習靖，習強，鄭淑梅.地空信道二徑模型及仿真[J].無線電工程，2007，37(7) :58-60.

[10] Abdi A,Kaveh M.A Space-time Correlation Model for Multielement Antenna Systems in Mobile Fading Channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in communications,2002,20(3):550-560.

[11] Samad A M,Kamarulzaman N,Hamdani M A,et al.The Potential of Unmanned Aerial Vehicle (uav) for Civilian and Mapping Application[C]∥in System Engineering and Technology (ICSET),2013 IEEE 3rd International Conference on,Aug 2013:313-318.

[12] 楊大成.移動傳播環境[M].北京：機械工業出版社,2003.

[13] Perahia E,Cox D C,Ho S.Shadow Fading Cross Correlation Between Basestations[C]∥Vehicular Technology Conference,2001.VTC 2001 Spring.IEEE VTS 53rd.IEEE,2001,1:313-317.

[14] Blandino S,Kaltenberger F,Feilen M.Wireless Channel Simulator Testbed for Airborne Receivers[C]∥Globecom Workshops (GC Wkshps),IEEE,2015:1-6.

[15] 李忻,聶在平.MIMO 信道中衰落信號的空域相關性評估[J].電子學報,2004,32(12):1949-1953.

[16] 韓宜君.高速移動場景下基于TD-LTE標準的信道估計技術[D].北京：北京交通大學,2014.

[17] 朱秋明.非均勻散射空時頻相關MIMO信道建模與仿真研究[D].南京：南京航空航天大學,2012.

AdaptabilityAnalysisofSpatialModulationinAir-groundCommunications

LI Zhi-ming1,2，SHI Rong2，XIAO Yue1

(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China; 2.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu Sichuan 610036,China)

Spatial modulation is a new multi-antenna transmission technology,which has a great promise for covert communication.Conventional studies on spatial modulation mainly concentrate on ground communication scene,while the application in air-ground scene is rarely discussed.Considering the above fact,an improved air-ground communication channel model of spatial modulation is constructed on the base of a simple spatial modulation channel model.Furthermore,the channel correlations of air-to-ground and ground-to-air scenes are also discussed.Besides,the practicability of applying spatial modulation in air-ground communication is also analyzed.With respect to the above theoretical analysis,the effectiveness and transmission performance of spatial modulation are validated through simulation,which gives an important reference to the application of spatial modulation in air-ground communication.

MIMO;spatial modulation;air-ground communications;correlated channel;channel modeling

TN92

A

1003-3114(2017)06-31-6

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.08

李志明，石榮，肖悅.地空通信傳輸中空間調制的適應性分析[J].無線電通信技術,2017,43(6):31-36.

[LI Zhiming，SHI Rong，XIAO Yue.Adaptability Analysis of Spatial Modulation in Air-ground Communications[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):31-36.]

2017-07-25

國防科技重點實驗室基金項目(JS17041403811)

李志明(1993―)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線與移動通信。石 榮(1974—)，男，博士，研究員，主要研究方向：電子對抗、通信與雷達系統。