MIMO传输技术在卫星通信中的应用

肖潇 梁亚均 王毅 王新荣

【摘要】为解决卫星通信高速高质量数据传输要求，需要借助先进的通信传输技术实现对卫星通信的频谱利用率和系统容量进行提升。而MIMO（Multiple Input Multiple Output）传输技术是地面无线蜂窝网络中的一项技术，将其多天线技术与卫星通信系统两者进行有效结合，既可以实现对卫星通信的性能进行优化，改善交叉极化影响，还能够利用空间分集传输，实现对通信干扰的消除。基于此，本文对MIMO传输技术在卫星通信的单卫星系统双极化系统以及双卫星协作系统中应用分别进行了研究，然后通过仿真实验验证了MIMO传输技术在卫星通信中的可行性。实验结果表明，该传输技术的应用能够促进卫星通信传输性能得到提高，还可以消除卫星系统的干扰。

【关键词】MIMO传输技术；卫星通信；卫星应用；通信技术；消除干扰；空间相关性

中图分类号：TN929                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.11.002

MIMO传输技术即多天线技术，其原理通过利用无线发射端和接收端配置多个发射天线或者接收天线，在空间资源的作用下达到空间分集与复用增益的目的。近几年，随着卫星通信的应用越来越广泛，这就对其高质量、高速数据传输带宽方面有了更高的需求。从目前的研究显示来看，卫星通信引入MIMO传输技术，可以借助其优势，实现卫星无线传输性能和数据传输效率得到进一步的增强，从而起到改善卫星通信的作用。因此，本文从单卫星和双卫星等场景引入MIMO传输技术的应用分别进行了探究分析，并给出了接收解复用的方法以及消除干扰的措施。然后通过试验测试，对其性能进行了评估。最后证明MIMO传输技术在卫星通信中的应用具有可行性。这对促进MIMO传输技术的发展和应用具有重要现实意义。

1. MIMO传输技术在卫星通信中的应用研究

针对MIMO传输技术的应用，本文从单卫星的双极化系统和双卫星的协作系统等应用方面对其进行了研究。

1.1 单卫星双极化

如果设hrr为单卫星双极系统的右旋圆极化通道的信道，那么hⅡ则代表了左侧圆极化通信信道。同时，在对单卫星通信的交叉极化现象进行充分考虑之后，将左旋极化发射泄漏到右旋通路的信道设置为hrⅠ，反之从右旋到左旋的通路信道则由hⅠr来表示。因此，就可以利用公式（1）分别对交叉极化鉴别率的左、右旋通道进行表示。并且，根据该类型信道模型，还可以得到yr和yⅠ，即地面终端右旋极化天线接收信号和左旋极化天线接收信号，见式（2）：

⑴

⑵

式（2）当中左旋發射信号和右旋发射信号分别有x1与xr来表示，其通路接收造成则分别有nr和n1来表示；而0与则分别表示均值和方差。在公式（1）中，交叉极化干扰信号则由hr1x1与hⅠrxr来表示；其有用信号由hrrxr与hⅡxⅠ来表示。这时，如果利用单卫星双极化通道的独立接收方法，实现对其通道的处理，那么产生的交极化干扰就会对通道的性能造成一定程度的影响，甚至还会影响链路的接收信噪比，导致其下降。本文设SNR0为单卫星单极化链路的接收信噪比，那么公式（3）则是受交极化干扰之后的链路接收信噪比计算公式：

⑶

在式（3）中，频带利用率由Γ表示（bit/s/HZ）。同时，根据相应的图像来看，如果噪声的能量相对较低时，单卫星双极化通路在实现对星地链路接收信号接收和处理时，会受到交叉极化干扰的影响。但如果交叉极化的鉴别率XPD相对较低时，只通过提高卫星的发射公路，则无法实现对卫星通信链路传输性能的改善。并且，卫星发射天线与接收天线的极化隔离度和空间传输路径均影响着交叉极化鉴别率XPD，如降雨环境或者地面散射的环境等方面均会对其交叉极化鉴别率有着一定程度的影响。而空间传播路径既可以为交叉极化鉴别率造成恶化影响，还会使得其正交双极化传输性能受到严重制约。

因此，想要彻底有效地解决这一问题，单卫星双极化系统可以通过引入MIMO传输技术的解复用接收处理方式解决该问题。简单来说，就是利用MIMO传输技术的非线性解复用处理方法或线性解复用处理方法，如ZF（迫零）线性解复用方法和最小均方误差（MMSE）解复用方法等，将两路发射信号利用信道矩阵复用在一块。不过，为了能够有效避免信道衰落时ZF解复用噪声方法的问题，可以利用最小均方误差这一解复用处理方法，实现对其反射信号和信道矩阵的复用处理。并且，还需要做好下行导频信号优化设计，以此实现对接收端的复用接收处理，还能够精准地控制信道矩阵信息。

1.2 双卫星协作

在双卫星协作系统方面，MIMO传输技术的有效应用，如在地面蜂窝多小区协作系统当中，能够有效解决并消除小区之间存在的干扰问题，以此促进其传输性能得到进一步的提升。并且在多卫星协作系统当中，同样可以借助MIMO技术实现对链路中存在的星间干扰进行消除，从而促进链路性能得到提升。因此，本文将从双卫星的协作下行和协作上行干扰消除以及信道空间的相关性等方面为切入点，对MIMO传输技术的应用进行分析。

1.2.1 协作下行

为能够进一步促进双卫星协作下行的通信链路性能得到提升，就需要充分对两颗卫星对地面终端协作、发射分集等加强重视，这样才能够促进下行通信链路的性能得到提升。因此，这里分别以h1和h2来代表两颗卫星和地面终端两者之间的信道。并且，还需要利用导频信号实现对信道情况进行科学评估，这样一来就能够精准了解并掌握信道衰落出现的幅度以及相位等方面发生的变化，并在接收信号当中均衡抹掉信道所造成的影响。同时，接受均衡因子以及均衡后的信号表示为：

⑷

然后，从上述公式（4）中，噪声项由等号右侧第二项来表示，并且噪声项的方差为：

⑸

因此，如果当h1越小，则代表信道处于深衰落状态，并且噪声项具有较大的方差，且卫星通信接收性能相对较差。所以面对两颗卫星的下行发射分集问题，其卫星所覆盖的地方均会存在一定的重叠，进而只有通过对卫星发射信号的相位进行协调之后，才能够有效保证其接收端信号能够达到目的地。并且，接收信号的幅度会保持在均衡状态，也能够解决由信道衰落导致的接收性能低的问题。

1.2.2 协作上行的干扰消除

针对双卫星的协作上行干扰，可以通过利用地面终端多天线技术，对其上行协作干扰进行消除，从而解决地面上行信号对邻近卫星造成的干扰问题。在充分对两颗邻近卫星以及地面终端进行考虑之后，选择对地面终端配置上行填写为Nt个。因此，h1、h2就分别表示为地面终端1到卫星1的上行信道向量和地面终端2到卫星2的上行信道向量。且。并且，在对上行交叉干扰问题进行充分考虑之后，这里选择利用g1与g2来分别表示终端1到卫星2的上行干扰信道和终端2到卫星1的上行干扰信道。然后借助公式（6）可以计算得出卫星1和卫星2的上行接收信噪比。

⑹

所以，这里想要实现对卫星上行通信性能进行有效改善，就需要利用干扰消除预编码计算机，通过对干扰信号信道情况的信息进行提前预知，接着在其基础之上实现对预编码设计，这样既可以达到消除干扰的目的，还能够通过MIMO传输技术的分集增益效果获得上行通信性能提升。

结合公式（6），从而推导出卫星1和卫星2两者的上行接收信干噪比：

⑺

如果，地面终端1和地面终端2均选择利用独立上行的发射方案，那么针对预编码向量设计时，只需要从自身的信道情况方面来考虑即可。并且，这时地面终端1的上行信号对卫星2的上行接收信号造成相应的干扰影响；而地面终端2的上行信号同样也会对卫星1的上行接收信号等造成相应的影响。因此，针对预编码向量设计时，可以在消除上行信号干扰的同时，还能够从中得到最大的MIMO空间分集增益。

⑻

1.2.3 信道空间的相关性分析

针对卫星信道的空间相关性分析研究，其卫星的轨道角度对卫星信道的空间相关性有着决定性作用。如果假设双卫星的轨道角度距离为20°时，那么双卫星信道之间的空间相关性就到达了0.8；如果双卫星的轨道角度距离为90°，此时两个卫星的卫星信道空间相关性只有0.4。由此可以证明，受卫星信道的影响，在LOS传播路径为主的情况下卫星信道的空间相关性会得到增强。并且，卫星信道空间相关性较强，还会对双卫星协作系统的性能造成一定程度的影响。因此，针对双卫星的下行协作时，卫星1的卫星信道如果发生深衰落，那么势必会影响卫星2的信道同样出现深衰落的现象，并且无法达到卫星信道分集的效果。

不过，此时如果选择利用卫星2的卫星通道所到达的信号，这样可以起到接收信号效果增强的作用，并借助上述公式（5）的噪声方差，达到降低信噪比的作用。简单来说，双卫星信道的空间相关性越小，就表示双卫星的发射分集对相对的单卫星系统的增益效果就越高。

虽然，在上行协作干扰消除过程当中，其上行干扰消除性能会受卫星信道的强烈空间相对性的影响。但是，通过利用公式（8）则可以进行预编码设计。也就是说如果信道的向量和干扰信道两者之间的相关性越大，则最后的预编码向量和信道向量两者之间的夹角也就越大。從而说明，当处于强相关信道作用下，想要进一步实现对信道干扰的消除，接收信号的功率就会被削减。

2. 仿真结果与分析

2.1 参数配置

为了进一步验证MIMO传输技术在卫星通信中应用的可行性，本文通过提出双基于单卫星双极化通信系统中，双极化复用接收与独立接收两者之间的性能区别和性能优势，然后利用交叉极化鉴别率XPD方法，实现了对复用接收性能产生的影响和评估。接着利用MATLAB仿真软件，实现单卫星双极化MIMO系统的搭建，并配置相应的区域等相关参数，以及不同路径的信号莱斯K因子、反射系数、散射系数以及交叉极化干扰系数等，实现对卫星双极化信道的影响和评估，具体参数见表1所示。

2.2 实验结果与分析

通过针对单卫星双极化复用接收的最大频谱效率以及独立接收的最大频谱效率等方面进行了仿真。并借助MMSE（最小均方误差）线性处理方法或ZF（迫零）线性处理方法实现了对复用接收的解复用接收处理。同时，为了进一步验证卫星通信链路的卫星天线EIRP、链路预算以及数据传输传播损耗等。本文选择利用信噪比Eb/N0对其进行表征，并设交叉极化鉴别率：XPD为5dB，随后对其独立接收和复用接收两者的频谱效率分别基于信噪比Eb/N0变化结果进行了仿真。最后经仿真实验发现，单卫星双极化复用接收，经过处理之后其频率效率性能超过了独立接收性能，且有明显的提升。简单来说，假设信噪比为20dB时，这时单卫星双极化复用之后其性能有1倍以上的提升。并且随着信噪比的不断增加，其复用增益效果就会更加地明显。

3. 结束语

本文通过研究MIMO传输技术在卫星通信中的技术应用，给出了单卫星双极化和双卫星协作系统的改善方法，同时还进一步对基于多天线性能对卫星信号特性的增益影响进行了分析。最后通过仿真分析，得到了MIMO传输技术在卫星通信中的应用效果进行了评估：从单卫星通信方面来看，在双极化复用作用下，能够对单卫星交叉极化干扰影响进行改善；从双卫星的协作上、下行方面来看，借助MIMO传输技术的空间分集，不仅可以有效改善卫星通信传输的可靠性，还能够消除通信过程中存在的干扰。从而满足卫星通信的高质量、高速度数据传输需求。

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