多天线系统应用在无人卫星通信链路中的性能研究

亢 超

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

随着现代通信技术的快速发展，已逐渐成为一个关键的研究领域,在多个领域如无人机、远程控制系统以及无人驾驶汽车等方面都有广泛的应用。它们的核心价值在于实现远程操作与通信，而不需要在目标地点进行物理干预。但是，随着无人卫星通信链路应用范围的扩大，所面临的技术挑战也日益增多，尤其是在保障信号的稳定性和可靠性方面。在众多的解决方案中，多天线系统因其出色的性能受到人们关注。多天线系统是通过多个天线同时进行发送和接收以增强信号质量与稳定性。在一些高密度、高流量的通信场景中，如城市的移动通信、大型活动的直播传输等，多天线系统已经证明了其卓越的性能，主要原理是利用空间的多样性，通过多个天线分别接收和发送信号，增强通信的可靠性。

1 多天线系统在无人卫星通信链路中的问题分析

1.1 无人卫星通信链路应用的问题

无人卫星通信链路的性质与传统的通信链路有所不同，这些差异主要源于其专门的应用场景和设计要求。无人卫星通信链路的信道模型受到多种因素的影响，使得无人卫星通信链路常用于移动场景，如无人驾驶车辆或无人机，因此信道模型需要考虑移动性。这意味着该模型需要能够处理因移动造成的多普勒效应、路径损失以及快速衰减等问题。无人系统通常在开阔的环境中操作，因此多径效应和建筑物反射可能相对较少，但仍然存在。在无人卫星通信链路中，干扰可能来自其他电子设备，如附近的通信系统或其他无线信号。这种干扰可能导致链路性能下降，甚至造成通信中断。为准确评估这种影响，需要进行深入的干扰和噪声分析。噪声可能来自自然环境，或来自设备本身[1]。

1.2 多天线系统的基本原理和在无人卫星通信链路中的应用难点

多天线系统的设计原则是利用空间的多样性来增强信号质量和可靠性。空时编码是利用多个天线来发送和接收信号的技术，在时间和空间上进行编码，能够提高通信链路的容错性。分集则是通过使用多个独立的天线路径来提高信号的可靠性，即使某些路径受到干扰或衰减，其他路径也可以保持通信。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）是一种利用多个天线进行信号传输和接收的技术，通过同时发送多个信号并利用多个天线接收多个信号，可以显著提高信号的传输速率和系统容量。此外，由于每个数据流都通过多个天线路径，MIMO 技术能够增强信号的可靠性。

多天线系统虽然提供了许多优势，但是在无人卫星通信链路中的应用仍然面临一些难点。一是考虑到无人卫通设备（如无人机）的尺寸和重量限制，部署多天线系统可能会遇到一些物理和设计上的限制。例如，为使多天线系统正常工作，可能需要更复杂的射频链路、更高的处理能力以及更多的电源。二是许多无人系统已经部署了传统的单天线通信解决方案，这意味着为利用多天线技术的优势，可能需要进行大规模的升级和修改无人系统，成本昂贵且集成工作复杂[2]。

2 实际应用中的多天线系统优化方案

2.1 设计基于多天线的无人卫星通信链路协议

为充分发挥多天线系统的潜在优势并解决无人卫星通信链路中的挑战，设计合适的链路协议至关重要。信道估计是多天线通信中的关键环节。每个天线都需要了解它所通信的另一端的信道情况，以便进行最优的信号调制和编码。实时、准确的信道估计可以确保无人卫星通信链路的高效率和可靠性。有效的信道反馈也十分必要，它使发送端能够了解链路的当前状态，并据此进行信号调整。随着通信环境的变化，能够自动调整其调制和编码方式的无人卫星通信链路具有更高的健壮性与效率。基于信道的实时反馈，发送端可以选择最合适的调制和编码方案，从而最大化链路的吞吐量，同时确保低误码率[3]。

2.2 多天线系统的技术应用

在多天线系统中，信号处理技术的应用对于优化信号质量和提高链路性能至关重要。这些技术能够在物理层面处理和优化信号，以应对信道变化、干扰和噪声等因素，从而实现更可靠的通信[4]。其中，自适应调制技术是一种关键的信号处理方法。它根据信道条件的实际情况动态地选择适合的调制方式和传输速率[5]。在链路质量良好的情况下，系统可以采用更高调制方式以实现更高的传输速率，从而提高数据传输效率。而在链路质量较差和干扰较大的情况下，改变调制方式可以保持稳定的传输，从而减少错误率。通过自适应调制技术，多天线系统能够在不同信道条件下实现最优的传输效果，从而显著提高系统的性能和可靠性。

干扰抑制技术的应用也十分重要。在无人卫星通信链路中，多天线系统可能会遭受来自其他设备、用户或环境的干扰。为优化信号质量，需要采用干扰抑制技术来降低干扰信号的影响。这些技术可以通过滤波、空间分集以及干扰消除等方法来减少干扰信号的强度。通过滤波，系统可以削弱频域上的干扰成分，从而提高接收信号的信噪比[6]。而通过空间分集，系统可以利用多个天线接收不同的信号路径，从而在接收端抵消部分干扰信号。干扰消除技术则可以根据已知的干扰信号模型，将干扰信号从接收信号中分离出来，从而实现干净的信号接收。

2.3 软件定义无线电技术

随着多天线系统的广泛应用，会引发系统复杂度增加的问题。在这个背景下，引入基于软件定义无线电（Software Defination Radio，SDR）的解决方案成为一种有效途径。SDR 技术在无线通信领域具有广泛的应用，它能够将通信系统的硬件和软件分离，通过软件编程来实现通信功能，从而创造更灵活和可配置的通信系统。SDR 技术可以应用于多天线系统，实现动态的天线管理和调整，通过实时监测链路状态和信道条件，并根据实际情况优化天线的指向和增益，最大限度地提高系统性能。例如，在信号弱化或干扰增加时，系统可以自动调整天线的指向，以保持稳定的信号传输。这种灵活的天线管理使得系统能够更好地适应不同的通信环境，提升链路的可靠性和性能。

SDR 技术也能实现信号处理算法的灵活部署。多天线系统需要根据不同的信道环境和问题选择合适的信号处理算法，以优化信号质量。信号处理算法能够利用SDR 技术，并通过软件方式进行调整和部署，无须修改硬件。这使得系统能够根据实际需求选择最合适的算法，提升信号的传输质量和系统性能。SDR技术的另一个优势在于系统虚拟化与资源利用率的提升。通过在软件层面模拟多个天线和信道，系统可以实现虚拟化，降低对硬件资源的需求，提高资源的利用率。例如，虚拟化可以模拟多个天线在不同位置工作，通过在软件层面模拟信道，可以更好地了解不同信道环境下的系统表现，并为优化提供有力指导。

3 性能实验与结果分析

为验证多天线系统的性能，实验员选择了一个真实的通信场景，并在实验室环境中模拟了相应的无人卫星通信链路。实验员设置了不同的信道条件，包括信号强度变化、多径效应、干扰等。为了尽可能贴近实际情况，还模拟了不同天气和地形变化对信号传输的影响。同时，精心设计了多天线系统的天线布局。通过合理的天线分布，尽量减少天线之间的相互干扰，以提高系统的性能。最后还采用了自适应天线技术，根据实时监测的信道状态，动态调整天线的指向和角度，最大限度地减少干扰。应用了自适应调制技术和干扰抑制技术。自适应调制技术能够根据信道条件选择最适合的调制方式和传输速率，以优化传输效果。干扰抑制技术可以有效减少外界干扰的影响，提高接收信号的信噪比[7]。

进行一系列实验后记录了不同情况下多天线系统的性能数据。测量信号的接收强度、误码率、传输速率等指标，并进行了详细的数据分析。通过对实验数据的分析，深入了解多天线系统在不同条件下的性能表现。部分实验结果的数据如表1 所示。

表1 部分实验结果的数据表

从表1 中可以看出，在不同信道条件下，采用不同天线配置的多天线系统表现出不同的性能。“2×2 MIMO”和“4×4 MIMO”分别表示采用2 根天线和4根天线MIMO 系统。在信号强度变化的情况下，4×4 MIMO 配置的系统表现出更高的信号强度和更低的误码率，同时传输速率也更高。这表明多天线系统在弱信号环境下，通过使用更多的天线，能够增强信号的强度和质量。在多径效应的情况下，4×4 MIMO 配置的系统与2×2 MIMO 配置的系统相比，在信号强度、误码率以及传输速率上均有明显提升。这证实了多天线系统在克服多径效应方面的优势，通过多个天线接收不同路径上的信号，可以减少信号的折射和干扰，从而提高链路质量。然而，在强干扰环境中，虽然4×4 MIMO 配置的系统表现出较好的性能，但由于干扰的存在，信号强度下降且误码率增加。这强调了干扰抑制技术在多天线系统中的重要性，通过采用适当的干扰抑制方法，可以有效降低外界干扰对信号传输的影响。

4 结 论

文章全面探讨了多天线系统在无人卫星通信链路中的应用，并通过一系列实验和详细分析，充分验证了其在提升性能方面的巨大潜力。通过优化天线布局、应用自适应调制技术、采用干扰抑制方法以及引入软件定义无线电技术，多天线系统在无人卫星通信链路中取得了显著的性能改进。未来，可以探索更先进的信号处理技术。例如，可以结合机器学习和人工智能方法，自动优化天线布局和信号处理参数，以实现更精确的性能提升。