MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

肖瀟 梁亞均 王毅 王新榮

【摘要】為解決衛(wèi)星通信高速高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸要求，需要借助先進的通信傳輸技術(shù)實現(xiàn)對衛(wèi)星通信的頻譜利用率和系統(tǒng)容量進行提升。而MIMO（Multiple Input Multiple Output）傳輸技術(shù)是地面無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一項技術(shù)，將其多天線技術(shù)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩者進行有效結(jié)合，既可以實現(xiàn)對衛(wèi)星通信的性能進行優(yōu)化，改善交叉極化影響，還能夠利用空間分集傳輸，實現(xiàn)對通信干擾的消除?；诖耍疚膶IMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信的單衛(wèi)星系統(tǒng)雙極化系統(tǒng)以及雙衛(wèi)星協(xié)作系統(tǒng)中應(yīng)用分別進行了研究，然后通過仿真實驗驗證了MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中的可行性。實驗結(jié)果表明，該傳輸技術(shù)的應(yīng)用能夠促進衛(wèi)星通信傳輸性能得到提高，還可以消除衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾。

【關(guān)鍵詞】MIMO傳輸技術(shù)；衛(wèi)星通信；衛(wèi)星應(yīng)用；通信技術(shù)；消除干擾；空間相關(guān)性

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.11.002

MIMO傳輸技術(shù)即多天線技術(shù)，其原理通過利用無線發(fā)射端和接收端配置多個發(fā)射天線或者接收天線，在空間資源的作用下達到空間分集與復(fù)用增益的目的。近幾年，隨著衛(wèi)星通信的應(yīng)用越來越廣泛，這就對其高質(zhì)量、高速數(shù)據(jù)傳輸帶寬方面有了更高的需求。從目前的研究顯示來看，衛(wèi)星通信引入MIMO傳輸技術(shù)，可以借助其優(yōu)勢，實現(xiàn)衛(wèi)星無線傳輸性能和數(shù)據(jù)傳輸效率得到進一步的增強，從而起到改善衛(wèi)星通信的作用。因此，本文從單衛(wèi)星和雙衛(wèi)星等場景引入MIMO傳輸技術(shù)的應(yīng)用分別進行了探究分析，并給出了接收解復(fù)用的方法以及消除干擾的措施。然后通過試驗測試，對其性能進行了評估。最后證明MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用具有可行性。這對促進MIMO傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要現(xiàn)實意義。

1. MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用研究

針對MIMO傳輸技術(shù)的應(yīng)用，本文從單衛(wèi)星的雙極化系統(tǒng)和雙衛(wèi)星的協(xié)作系統(tǒng)等應(yīng)用方面對其進行了研究。

1.1 單衛(wèi)星雙極化

如果設(shè)hrr為單衛(wèi)星雙極系統(tǒng)的右旋圓極化通道的信道，那么hⅡ則代表了左側(cè)圓極化通信信道。同時，在對單衛(wèi)星通信的交叉極化現(xiàn)象進行充分考慮之后，將左旋極化發(fā)射泄漏到右旋通路的信道設(shè)置為hrⅠ，反之從右旋到左旋的通路信道則由hⅠr來表示。因此，就可以利用公式（1）分別對交叉極化鑒別率的左、右旋通道進行表示。并且，根據(jù)該類型信道模型，還可以得到y(tǒng)r和yⅠ，即地面終端右旋極化天線接收信號和左旋極化天線接收信號，見式（2）：

⑴

⑵

式（2）當(dāng)中左旋發(fā)射信號和右旋發(fā)射信號分別有x1與xr來表示，其通路接收造成則分別有nr和n1來表示；而0與則分別表示均值和方差。在公式（1）中，交叉極化干擾信號則由hr1x1與hⅠrxr來表示；其有用信號由hrrxr與hⅡxⅠ來表示。這時，如果利用單衛(wèi)星雙極化通道的獨立接收方法，實現(xiàn)對其通道的處理，那么產(chǎn)生的交極化干擾就會對通道的性能造成一定程度的影響，甚至還會影響鏈路的接收信噪比，導(dǎo)致其下降。本文設(shè)SNR0為單衛(wèi)星單極化鏈路的接收信噪比，那么公式（3）則是受交極化干擾之后的鏈路接收信噪比計算公式：

⑶

在式（3）中，頻帶利用率由Γ表示（bit/s/HZ）。同時，根據(jù)相應(yīng)的圖像來看，如果噪聲的能量相對較低時，單衛(wèi)星雙極化通路在實現(xiàn)對星地鏈路接收信號接收和處理時，會受到交叉極化干擾的影響。但如果交叉極化的鑒別率XPD相對較低時，只通過提高衛(wèi)星的發(fā)射公路，則無法實現(xiàn)對衛(wèi)星通信鏈路傳輸性能的改善。并且，衛(wèi)星發(fā)射天線與接收天線的極化隔離度和空間傳輸路徑均影響著交叉極化鑒別率XPD，如降雨環(huán)境或者地面散射的環(huán)境等方面均會對其交叉極化鑒別率有著一定程度的影響。而空間傳播路徑既可以為交叉極化鑒別率造成惡化影響，還會使得其正交雙極化傳輸性能受到嚴(yán)重制約。

因此，想要徹底有效地解決這一問題，單衛(wèi)星雙極化系統(tǒng)可以通過引入MIMO傳輸技術(shù)的解復(fù)用接收處理方式解決該問題。簡單來說，就是利用MIMO傳輸技術(shù)的非線性解復(fù)用處理方法或線性解復(fù)用處理方法，如ZF（迫零）線性解復(fù)用方法和最小均方誤差（MMSE）解復(fù)用方法等，將兩路發(fā)射信號利用信道矩陣復(fù)用在一塊。不過，為了能夠有效避免信道衰落時ZF解復(fù)用噪聲方法的問題，可以利用最小均方誤差這一解復(fù)用處理方法，實現(xiàn)對其反射信號和信道矩陣的復(fù)用處理。并且，還需要做好下行導(dǎo)頻信號優(yōu)化設(shè)計，以此實現(xiàn)對接收端的復(fù)用接收處理，還能夠精準(zhǔn)地控制信道矩陣信息。

1.2 雙衛(wèi)星協(xié)作

在雙衛(wèi)星協(xié)作系統(tǒng)方面，MIMO傳輸技術(shù)的有效應(yīng)用，如在地面蜂窩多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)當(dāng)中，能夠有效解決并消除小區(qū)之間存在的干擾問題，以此促進其傳輸性能得到進一步的提升。并且在多衛(wèi)星協(xié)作系統(tǒng)當(dāng)中，同樣可以借助MIMO技術(shù)實現(xiàn)對鏈路中存在的星間干擾進行消除，從而促進鏈路性能得到提升。因此，本文將從雙衛(wèi)星的協(xié)作下行和協(xié)作上行干擾消除以及信道空間的相關(guān)性等方面為切入點，對MIMO傳輸技術(shù)的應(yīng)用進行分析。

1.2.1 協(xié)作下行

為能夠進一步促進雙衛(wèi)星協(xié)作下行的通信鏈路性能得到提升，就需要充分對兩顆衛(wèi)星對地面終端協(xié)作、發(fā)射分集等加強重視，這樣才能夠促進下行通信鏈路的性能得到提升。因此，這里分別以h1和h2來代表兩顆衛(wèi)星和地面終端兩者之間的信道。并且，還需要利用導(dǎo)頻信號實現(xiàn)對信道情況進行科學(xué)評估，這樣一來就能夠精準(zhǔn)了解并掌握信道衰落出現(xiàn)的幅度以及相位等方面發(fā)生的變化，并在接收信號當(dāng)中均衡抹掉信道所造成的影響。同時，接受均衡因子以及均衡后的信號表示為：

⑷

然后，從上述公式（4）中，噪聲項由等號右側(cè)第二項來表示，并且噪聲項的方差為：

⑸

因此，如果當(dāng)h1越小，則代表信道處于深衰落狀態(tài)，并且噪聲項具有較大的方差，且衛(wèi)星通信接收性能相對較差。所以面對兩顆衛(wèi)星的下行發(fā)射分集問題，其衛(wèi)星所覆蓋的地方均會存在一定的重疊，進而只有通過對衛(wèi)星發(fā)射信號的相位進行協(xié)調(diào)之后，才能夠有效保證其接收端信號能夠達到目的地。并且，接收信號的幅度會保持在均衡狀態(tài)，也能夠解決由信道衰落導(dǎo)致的接收性能低的問題。

1.2.2 協(xié)作上行的干擾消除

針對雙衛(wèi)星的協(xié)作上行干擾，可以通過利用地面終端多天線技術(shù)，對其上行協(xié)作干擾進行消除，從而解決地面上行信號對鄰近衛(wèi)星造成的干擾問題。在充分對兩顆鄰近衛(wèi)星以及地面終端進行考慮之后，選擇對地面終端配置上行填寫為Nt個。因此，h1、h2就分別表示為地面終端1到衛(wèi)星1的上行信道向量和地面終端2到衛(wèi)星2的上行信道向量。且。并且，在對上行交叉干擾問題進行充分考慮之后，這里選擇利用g1與g2來分別表示終端1到衛(wèi)星2的上行干擾信道和終端2到衛(wèi)星1的上行干擾信道。然后借助公式（6）可以計算得出衛(wèi)星1和衛(wèi)星2的上行接收信噪比。

⑹

所以，這里想要實現(xiàn)對衛(wèi)星上行通信性能進行有效改善，就需要利用干擾消除預(yù)編碼計算機，通過對干擾信號信道情況的信息進行提前預(yù)知，接著在其基礎(chǔ)之上實現(xiàn)對預(yù)編碼設(shè)計，這樣既可以達到消除干擾的目的，還能夠通過MIMO傳輸技術(shù)的分集增益效果獲得上行通信性能提升。

結(jié)合公式（6），從而推導(dǎo)出衛(wèi)星1和衛(wèi)星2兩者的上行接收信干噪比：

⑺

如果，地面終端1和地面終端2均選擇利用獨立上行的發(fā)射方案，那么針對預(yù)編碼向量設(shè)計時，只需要從自身的信道情況方面來考慮即可。并且，這時地面終端1的上行信號對衛(wèi)星2的上行接收信號造成相應(yīng)的干擾影響；而地面終端2的上行信號同樣也會對衛(wèi)星1的上行接收信號等造成相應(yīng)的影響。因此，針對預(yù)編碼向量設(shè)計時，可以在消除上行信號干擾的同時，還能夠從中得到最大的MIMO空間分集增益。

⑻

1.2.3 信道空間的相關(guān)性分析

針對衛(wèi)星信道的空間相關(guān)性分析研究，其衛(wèi)星的軌道角度對衛(wèi)星信道的空間相關(guān)性有著決定性作用。如果假設(shè)雙衛(wèi)星的軌道角度距離為20°時，那么雙衛(wèi)星信道之間的空間相關(guān)性就到達了0.8；如果雙衛(wèi)星的軌道角度距離為90°，此時兩個衛(wèi)星的衛(wèi)星信道空間相關(guān)性只有0.4。由此可以證明，受衛(wèi)星信道的影響，在LOS傳播路徑為主的情況下衛(wèi)星信道的空間相關(guān)性會得到增強。并且，衛(wèi)星信道空間相關(guān)性較強，還會對雙衛(wèi)星協(xié)作系統(tǒng)的性能造成一定程度的影響。因此，針對雙衛(wèi)星的下行協(xié)作時，衛(wèi)星1的衛(wèi)星信道如果發(fā)生深衰落，那么勢必會影響衛(wèi)星2的信道同樣出現(xiàn)深衰落的現(xiàn)象，并且無法達到衛(wèi)星信道分集的效果。

不過，此時如果選擇利用衛(wèi)星2的衛(wèi)星通道所到達的信號，這樣可以起到接收信號效果增強的作用，并借助上述公式（5）的噪聲方差，達到降低信噪比的作用。簡單來說，雙衛(wèi)星信道的空間相關(guān)性越小，就表示雙衛(wèi)星的發(fā)射分集對相對的單衛(wèi)星系統(tǒng)的增益效果就越高。

雖然，在上行協(xié)作干擾消除過程當(dāng)中，其上行干擾消除性能會受衛(wèi)星信道的強烈空間相對性的影響。但是，通過利用公式（8）則可以進行預(yù)編碼設(shè)計。也就是說如果信道的向量和干擾信道兩者之間的相關(guān)性越大，則最后的預(yù)編碼向量和信道向量兩者之間的夾角也就越大。從而說明，當(dāng)處于強相關(guān)信道作用下，想要進一步實現(xiàn)對信道干擾的消除，接收信號的功率就會被削減。

2. 仿真結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)配置

為了進一步驗證MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的可行性，本文通過提出雙基于單衛(wèi)星雙極化通信系統(tǒng)中，雙極化復(fù)用接收與獨立接收兩者之間的性能區(qū)別和性能優(yōu)勢，然后利用交叉極化鑒別率XPD方法，實現(xiàn)了對復(fù)用接收性能產(chǎn)生的影響和評估。接著利用MATLAB仿真軟件，實現(xiàn)單衛(wèi)星雙極化MIMO系統(tǒng)的搭建，并配置相應(yīng)的區(qū)域等相關(guān)參數(shù)，以及不同路徑的信號萊斯K因子、反射系數(shù)、散射系數(shù)以及交叉極化干擾系數(shù)等，實現(xiàn)對衛(wèi)星雙極化信道的影響和評估，具體參數(shù)見表1所示。

2.2 實驗結(jié)果與分析

通過針對單衛(wèi)星雙極化復(fù)用接收的最大頻譜效率以及獨立接收的最大頻譜效率等方面進行了仿真。并借助MMSE（最小均方誤差）線性處理方法或ZF（迫零）線性處理方法實現(xiàn)了對復(fù)用接收的解復(fù)用接收處理。同時，為了進一步驗證衛(wèi)星通信鏈路的衛(wèi)星天線EIRP、鏈路預(yù)算以及數(shù)據(jù)傳輸傳播損耗等。本文選擇利用信噪比Eb/N0對其進行表征，并設(shè)交叉極化鑒別率：XPD為5dB，隨后對其獨立接收和復(fù)用接收兩者的頻譜效率分別基于信噪比Eb/N0變化結(jié)果進行了仿真。最后經(jīng)仿真實驗發(fā)現(xiàn)，單衛(wèi)星雙極化復(fù)用接收，經(jīng)過處理之后其頻率效率性能超過了獨立接收性能，且有明顯的提升。簡單來說，假設(shè)信噪比為20dB時，這時單衛(wèi)星雙極化復(fù)用之后其性能有1倍以上的提升。并且隨著信噪比的不斷增加，其復(fù)用增益效果就會更加地明顯。

3. 結(jié)束語

本文通過研究MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中的技術(shù)應(yīng)用，給出了單衛(wèi)星雙極化和雙衛(wèi)星協(xié)作系統(tǒng)的改善方法，同時還進一步對基于多天線性能對衛(wèi)星信號特性的增益影響進行了分析。最后通過仿真分析，得到了MIMO傳輸技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用效果進行了評估：從單衛(wèi)星通信方面來看，在雙極化復(fù)用作用下，能夠?qū)涡l(wèi)星交叉極化干擾影響進行改善；從雙衛(wèi)星的協(xié)作上、下行方面來看，借助MIMO傳輸技術(shù)的空間分集，不僅可以有效改善衛(wèi)星通信傳輸?shù)目煽啃?，還能夠消除通信過程中存在的干擾。從而滿足衛(wèi)星通信的高質(zhì)量、高速度數(shù)據(jù)傳輸需求。

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