[論文レビュー] Polarization diversity and equalization of frequency selective channels in telemetry environment for 16APSK

Farah Arabian, Rice, Michael|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Satellite Communication Systems参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、16APSK変調におけるテレメトリー環境において、受信機で垂直（V）および水平（H）ダイポール信号を最適に結合することを提案し、その最適に結合された信号に対する均衡化が、RHCP、LHCP、または同位相結合信号に対する均衡化を上回ることを示している。VおよびHダイポールの最適結合は、RHCPおよびLHCP信号の最適結合と同等の性能を達成し、多径およびアンテナ回転効果を伴う周波数選択性 fading チャネルにおけるビット誤り率（BER）を顕著に改善する。

ABSTRACT

Providing RHCP and LHCP outputs from the antennas vertical (V) and horizontal (H) dipoles in the resonant cavity within the antenna feeds is the current practice of ground-based station receivers in aeronautical telemetry. The equalizers on the market, operate on either LHCP or RHCP alone, or a combined signal created by co-phasing and adding the RHCP and LHCP outputs. In this paper, we show how to optimally combine the V and H dipole outputs and demonstrate that an equalizer operating on this optimally-combined signal outperforms an equalizer operating on the RHCP, LHCP, or the combined signals. Finally, we show how to optimally combine the RHCP and LHCP outputs for equalization, where this optimal combination performs as good as the optimally combined V and H signals.

研究の動機と目的

• 受信機で V および H ダイポール信号への直接アクセスが、標準的な RHCP/LHCP 合成と比較してシステム性能を向上させられるかを調査すること。
• 航空機の回転が動的に変化する状況下で、多径 fading に起因するシンボル間干渉（ISI）を解消すること。
• V/H ダイポールおよび RHCP/LHCP 信号の最適結合技術を考案・評価し、BER を最小限に抑えること。
• 現実的な周波数選択性チャネル条件下で、V/H、RHCP/LHCP、または同位相結合信号を入力とする均衡器の性能を比較すること。
• V/H ダイポールの最適結合が、RHCP/LHCP 信号の最適結合と同等の BER 性能を達成することを実証すること。

提案手法

• V および H ダイポール、および RHCP および LHCP 成分のための離散的時間等価チャネルを用いた、テレメトリー チャネルのフォーニー観測モデル（FOM）によるモデル化。
• 幾何的伝搬およびアンテナの向きに基づいて、V および H ダイポール（h_y' および h_z'）および RHCP および LHCP（h_RHCP および h_LHCP）のチャネルインパルス応答を導出。
• V および H ダイポール信号および RHCP および LHCP 信号の両方に最大尤度（ML）結合を適用し、最適に結合された入力を形成。
• 最適に結合された信号に対して最小分散二乗誤差（MMSE）均衡化を適用し、スペクトル因数分解および行列逆算を用いて均衡器係数を計算。
• 航空機のヨー、ピッチ、ロール角度の変動を考慮した現実的な周波数選択性チャネル上で BER 性能をシミュレート。
• 5 種類の構成（V/H ML 結合、RHCP/LHCP ML 結合、個別 RHCP および LHCP、90°ハイブリッドによる同位相結合）の BER 性能を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択性テレメトリー チャネルにおいて、標準的な RHCP/LHCP 均衡化と比較して、V および H ダイポール出力の最適結合が BER 性能を向上させられるか？
• RQ2 同じ環境下で、V および H ダイポールの最適結合性能が、RHCP および LHCP 信号の最適結合性能と一致するか？
• RQ3 最適に結合された V/H 信号を入力とする均衡器の BER 性能は、個別 RHCP、LHCP、または同位相結合信号を入力とする均衡器と比較してどの程度優れているか？
• RQ4 航空機の回転（ヨー、ピッチ、ロール）が、RHCP および LHCP 成分間の電力不均衡にどの程度影響を及ぼし、その不均衡をダイバーシティ ゲインの活用に利用できるか？
• RQ5 受信機が通常、これらの要素から RHCP および LHCP を合成する場合に、V および H ダイポール信号への直接アクセスがシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• シミュレーションで評価されたすべての構成の中で、V および H ダイポール信号の最適結合が、最も優れた BER 性能を達成した。
• 最適 V/H 結合の BER 性能は、最適 RHCP/LHCP 結合と同等であり、両者の最適結合戦略が同等であることを確認した。
• 最適に結合された V/H 信号を入力とする均衡器は、個別 RHCP や LHCP 信号、および同位相結合信号を入力とする均衡器を上回る性能を示した。
• 90°ハイブリッド coupler を用いた RHCP および LHCP の同位相結合は、最適性能に達しないが、個別 RHCP や LHCP 均衡化よりも優れた性能を示した。
• 非ゼロのピッチおよびロール角度下では、RHCP および LHCP 信号の電力が不均衡になることが明らかとなり、その不均衡がダイバーシティ ゲインの活用に寄与した。
• シミュレーション結果から、V および H ダイポールの最適結合が、動的チャネル条件を伴う実世界のテレメトリー システムにおける BER の向上に実用的な道筋を提供することが確認された。