面向低軌衛(wèi)星星座的多星協(xié)作信號檢測技術(shù)

王虎威/WANG Huwei，葉能/YE Neng，安建平/AN Jianping

（北京理工大學，中國 北京 100081）

(Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，是一種能夠滿足泛在連接以及個性化傳輸需求的強有力選擇。其中，低軌（LEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)以低時延、小路損、低單星成本等優(yōu)勢，近年來逐漸受到各國移動通信研究人員的重視[1-5]。

相較于地面移動通信，LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋更廣，更適合在戈壁、沙漠、高山、森林、海洋、空中等無人區(qū)進行全球通信；相較于高軌衛(wèi)星通信，LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)延時更小、速率更高，且具備輕小型化的終端，支持全球隨遇接入，可實現(xiàn)真正意義上的全球泛在連接[6]。當前全球各國正在積極搶占LEO衛(wèi)星通信的發(fā)展先機，提出大量LEO巨型星座建設(shè)規(guī)劃。例如，美國Space X公司計劃在近地軌道發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星，組成巨型星座，其中約1.2萬顆已被允許發(fā)射；中國相繼推出“虹云”“鴻雁”等星座計劃，加快了LEO衛(wèi)星星座的發(fā)展步伐。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常使用單顆衛(wèi)星，將信號從用戶轉(zhuǎn)發(fā)到信關(guān)站。然而，LEO衛(wèi)星高度較低，單星覆蓋范圍小，可用時間短，且星地鏈路存在陰影衰落和多普勒效應等問題，很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾屎透呖煽啃浴榇耍芯咳藛T開展了各種技術(shù)和策略研究來提高LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率。多輸入多輸出（MIMO）作為一種使能技術(shù)，通過在收發(fā)兩端配置多根天線構(gòu)成擁有多個信道的通信系統(tǒng)，可以在同一時刻利用多個信道傳輸數(shù)據(jù)來更好地利用空間自由度，從而顯著提高系統(tǒng)容量。考慮到LEO衛(wèi)星星座的多用戶可能同時處于多星覆蓋區(qū)域，我們可以借鑒地面MIMO系統(tǒng)，利用多星協(xié)作傳輸技術(shù)來獲得分集增益，從而提高LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的吞吐量和可靠性。

1 LEO衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 LEO衛(wèi)星星座的全球部署情況

20世紀80年代，小衛(wèi)星技術(shù)的興起促進了LEO衛(wèi)星星座的發(fā)展。從90年代起，發(fā)射組網(wǎng)并運營的LEO衛(wèi)星方案有Iridium、Orbcomm和Glo?balstar星座計劃。隨后，LEO衛(wèi)星星座的發(fā)展經(jīng)歷了低谷時期。近年來，由于地球同步軌道資源限制以及LEO衛(wèi)星制造和發(fā)射等技術(shù)的突破，LEO衛(wèi)星星座逐步表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應用前景。2013年，“另外三十億人”（O3b）星座部署實施，正式拉開了全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展序幕。隨后，全球興起了LEO衛(wèi)星星座的研究和建設(shè)熱潮，典型的有Starlink、OneWeb、Telesat等。以 Star?link為例，其系統(tǒng)空間段由兩個星座組成：一個是LEO星座，計劃在高度為1 110～1 325 km的83個軌道面上部署4 425顆Ka和Ku波段衛(wèi)星；另一個是甚低軌星座，將在更低的340 km軌道部署7 518顆V波段衛(wèi)星，總衛(wèi)星數(shù)達11 943顆[7]。

近年來，中國LEO衛(wèi)星星座呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。2020年4月，中國首次將“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”納入“新基建”的范疇，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)已上升至國家戰(zhàn)略高度[8]。在“十三五”規(guī)劃期間，以航天科技、航天科工為首的央企衛(wèi)星集團提出了各自的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，推出了“虹云”“鴻雁”星座計劃并發(fā)射了試驗星。其中，“鴻雁”星座由航天科技集團提出，為中國首套全球LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由300多顆LEO衛(wèi)星組成；“虹云”星座是航天科工集團提出的，由156顆軌道高度為1 000 km的LEO衛(wèi)星組成。民營企業(yè)銀河航天計劃發(fā)射650顆衛(wèi)星，通過規(guī)模化研制低成本、高性能的5G衛(wèi)星，打造LEO寬帶通信衛(wèi)星星座并成功發(fā)射首發(fā)星。2021年4月，中國星網(wǎng)集團正式成立，將為中國衛(wèi)星星座的建設(shè)和發(fā)展注入強大動力[9]。

1.2 典型LEO衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)

LEO衛(wèi)星軌道高度在2 000 km以內(nèi)，相較于中高軌衛(wèi)星具有信號更強、部署更快、傳輸時延更低等優(yōu)勢，近年來吸引了業(yè)界廣泛的研究興趣。LEO衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括空間段、地面段和用戶段3部分。空間段即衛(wèi)星星座，由多顆LEO衛(wèi)星組成，同時兼容中高軌，采用星間鏈路實現(xiàn)互聯(lián)互通；地面段主要實現(xiàn)衛(wèi)星星座的管理與運營，是系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)交換中心、運營中心，由信關(guān)站、測控站、移動通信網(wǎng)絡(luò)、運控系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)和業(yè)務支撐系統(tǒng)組成；用戶段主要由接入網(wǎng)及接入終端組成，包括車載站、艦載站、機載終端、電腦以及手持移動終端等。LEO衛(wèi)星星座的多星系統(tǒng)架構(gòu)及星上處理能力為多星協(xié)作信號檢測的實現(xiàn)了基礎(chǔ)。通過星間鏈路與星上處理轉(zhuǎn)發(fā)，可以實現(xiàn)全球組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交換。

▲圖1 低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)

面向未來數(shù)千顆至數(shù)萬顆規(guī)模的LEO巨型星座，星地鏈路的高路徑損耗、陰影衰落以及LEO衛(wèi)星高速移動所導致的多普勒效應，給通信系統(tǒng)的可靠性帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。因此，需要研究適配LEO衛(wèi)星星座的通信信號處理技術(shù)來提升譜效、能效，并提高傳輸可靠性。相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，巨型星座的特點給LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶來多重覆蓋能力，而來源于移動通信領(lǐng)域的MIMO技術(shù)則為多星協(xié)作傳輸提供了借鑒意義。

2 衛(wèi)星MIMO技術(shù)與信號檢測技術(shù)

多星協(xié)作的關(guān)鍵是結(jié)合MIMO技術(shù)來實現(xiàn)空間分集效果，從而提高傳輸性能。本節(jié)中，我們探討衛(wèi)星MI?MO技術(shù)與MIMO信號檢測技術(shù)。

2.1 衛(wèi)星MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)的基本原理是在無線通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端配置多副天線，使信號在發(fā)送端能夠利用多根天線進行獨立傳輸，并在接收端利用多根天線恢復原始信息。這樣能夠充分利用空間資源，在不增加發(fā)射功率和帶寬的前提下產(chǎn)生分集復用增益，提升系統(tǒng)信道容量、傳輸速率及可靠性指標，并且可以充分利用與空時碼結(jié)合產(chǎn)生的編碼增益。MIMO技術(shù)現(xiàn)已成為4G、5G等移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[10-12]。

2005年，衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)開始受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，而與之相關(guān)的信道模型、系統(tǒng)設(shè)計和編碼技術(shù)等研究也相繼展開。由于星地視線（LOS）信道條件限制了信號多徑分集的數(shù)量，從而限制了MIMO的增益潛力。天線反射器尺寸較大、散射環(huán)境缺失，這都使得衛(wèi)星無法部署具有足夠間距的天線，以獲得較大的信號去相關(guān)[13]。為獲取MIMO增益，目前將MI?MO技術(shù)應用到地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有如下幾種方案（如圖2所示）：一種是極化衛(wèi)星MI?MO系統(tǒng)[14]，在GEO衛(wèi)星和地面終端各配置雙極化天線，包括左旋圓極化天線（LHCP）和右旋圓極化天線（RHCP），利用極化分集獲取MIMO增益；另一種是分布式衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)[15]，利用兩顆GEO衛(wèi)星與地面設(shè)備構(gòu)成空間分集。此外，還有一種同時運用空間分集和極化分集的方案[16]，該方案由兩顆高軌衛(wèi)星和一個地面移動終端組成，每顆衛(wèi)星均配有一副雙極化天線，地面移動終端配有兩副雙極化天線，同時利用極化分集和空間分集構(gòu)成分布式雙極化衛(wèi)星移動MIMO系統(tǒng)。

▲圖2 3種衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)示意圖

為了提高現(xiàn)有衛(wèi)星資源的容量和頻譜效率，可以在GEO通信系統(tǒng)中廣泛使用協(xié)作傳輸，這可以帶來較大的MIMO增益。針對日益增加的數(shù)據(jù)傳輸需求，LEO衛(wèi)星星座因其龐大的星座規(guī)模而具備了更大的分集增益潛力，因此面向LEO衛(wèi)星星座開展衛(wèi)星MIMO與多星協(xié)作技術(shù)研究將為解決日益增加的數(shù)據(jù)傳輸挑戰(zhàn)提供廣闊思路。

2.2 MIMO信號檢測算法

MIMO技術(shù)引入了天線間信號干擾，因此需要先進的信號檢測技術(shù)對接收信號進行處理。最大似然檢測算法理論上擁有最佳檢測性能，但其復雜度隨著天線數(shù)目呈指數(shù)增長，在實際系統(tǒng)中難以應對系統(tǒng)用戶數(shù)目較多的情況。目前針對MIMO系統(tǒng)，典型信號檢測算法包括以下幾種：

第1種是線性信號檢測算法，包括最大比合并檢測算法，即匹配濾波器檢測算法、迫零檢測算法以及最小均方誤差檢測算法等。線性信號檢測算法主要依據(jù)干擾置零的思想對接收的向量進行線性加權(quán)，即通過一個檢測濾波矩陣對接收信號進行線性處理，從而把相互干擾重疊的信號分離開來，再對每個用戶的信號進行檢測。線性信號檢測算法的計算復雜度相對較低。

第2種是非線性信號檢測算法，包括干擾抵消多用戶檢測算法、正交（QR）分解檢測算法等。線性檢測雖然復雜度低，但性能相對較差。為提高信號檢測的可靠性，非線性檢測利用判決反饋的原理，即當已經(jīng)檢測出這層符號時，就將其從待檢測符號中消除，再繼續(xù)檢測其他信號，從而減小干擾并提高判決可靠性。但這樣做也增加了計算的復雜度。

LEO星座衛(wèi)星數(shù)量更龐大，布局更密集，分集增益潛力也更大，且星上處理資源有限，還面臨信號處理復雜度上升的巨大挑戰(zhàn)。為此，研究面向LEO衛(wèi)星星座的多星協(xié)作虛擬陣列信號檢測技術(shù)，能夠充分挖掘LEO衛(wèi)星星座的空間分集增益，從而提高傳輸速率和可靠性，滿足下一代通信系統(tǒng)高速泛在的連接需求。

3 基于協(xié)作的衛(wèi)星通信虛擬陣列信號檢測技術(shù)

MIMO技術(shù)在密集散射多徑傳播信道中能夠?qū)崿F(xiàn)高MIMO容量增益，而在星地LOS環(huán)境中性能卻嚴重下降。由于衛(wèi)星尺寸和硬件實現(xiàn)的限制，MIMO技術(shù)很難直接應用于現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺。虛擬MIMO技術(shù)通過多設(shè)備的分布式協(xié)作來模擬一個MIMO系統(tǒng)，使得分布的無線設(shè)備組成虛擬天線陣列，從而突破了終端天線數(shù)的制約[17-19]。虛擬MIMO技術(shù)有望于在多星協(xié)作架構(gòu)下獲取較高的MIMO增益。本節(jié)中，我們基于協(xié)作的衛(wèi)星通信虛擬陣列信號檢測技術(shù)展開介紹。

3.1 單星多節(jié)點信號檢測

單星信號檢測為多星協(xié)作信號檢測提供了基礎(chǔ)。由單星對終端設(shè)備信號檢測發(fā)展到多顆衛(wèi)星進行星間協(xié)作處理的衛(wèi)星虛擬陣列信號檢測技術(shù)，實現(xiàn)了多星信號檢測增益。針對單星信號檢測，目前業(yè)界廣泛采用的是單星多節(jié)點衛(wèi)星MIMO通信系統(tǒng)（如圖3所示），該系統(tǒng)采用陸地移動衛(wèi)星信道建模，包括1顆衛(wèi)星和N個設(shè)備終端。地球站要檢測多顆衛(wèi)星節(jié)點的數(shù)據(jù)，考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多路中繼，假設(shè)上行鏈路和下行鏈路信道都分配單獨的頻帶以充分補償多普勒頻移，且由于星地鏈路時延問題不假定信道互易性，此時衛(wèi)星接收到來自N個終端的數(shù)據(jù)可以寫成：

▲圖3 單星多節(jié)點信號檢測示意圖

其中，xk是終端k(k=1,2,…,N)的傳輸符號，Hk為上行鏈路信道矩陣，uk為終端k的發(fā)送權(quán)向量，ns表示加性高斯白噪聲。經(jīng)過中繼轉(zhuǎn)發(fā)后衛(wèi)星將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍蛘荆厍蛘窘邮盏降臄?shù)據(jù)表示為：

其中，a為轉(zhuǎn)發(fā)器增益，G為下行鏈路信道矩陣，n表示地球站處的加性高斯白噪聲。將式（1）的結(jié)果帶入式（2），得到：

要獲取設(shè)備終端的數(shù)據(jù)，地球站采用了一種基于零空間的干擾刪除方法來消除冗余終端數(shù)據(jù)，又使用組合向量來逐步檢索，最后通過最大化條件概率密度函數(shù)來恢復終端節(jié)點數(shù)據(jù)。研究表明，在單星多節(jié)點衛(wèi)星MIMO通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸性能會隨著終端數(shù)量的增加而惡化，在設(shè)備終端和地球站布置更多天線可以補償這種性能損失[20]。

3.2 多星單節(jié)點信號檢測

針對多星系統(tǒng)，一種典型的多星單節(jié)點下行鏈路信號檢測方法如圖4所示。系統(tǒng)中N顆衛(wèi)星與特定的一個地球站通信。其中，所有衛(wèi)星均配備單天線，地球站配備多天線。所有衛(wèi)星同時向地球站發(fā)送數(shù)據(jù)，并在地球站處逐個檢測。假設(shè)所有鏈路的完整信道狀態(tài)信息在地球站處可用，那么地球站處接收到的數(shù)據(jù)可以表示為：

▲圖4 多星單節(jié)點信號檢測示意圖

其中，xi是衛(wèi)星i的傳輸符號（i=1,2,…,N），hi為衛(wèi)星i對應的下行信道矩陣，n表示地球站處的加性高斯白噪聲。要在地球站處檢測出衛(wèi)星i的信號，式（4）可以表示為：

從式（5）可看出，hixi包含了所要檢測的衛(wèi)星i的信號。式中的其他項在地球站處被視為檢測信號xi的干擾，要消除這些干擾，研究人員提出了一種新的干擾消除方法——基于標準矩母函數(shù)方法，假設(shè)向量RN位于列向量r的零空間中，即RNr=0。首先消除第一顆衛(wèi)星的信號，將式（4）左乘h1的左零矩陣可得：

接下來消除第二顆衛(wèi)星的信號，將式（6）左乘h2的左零矩陣可得：

以此類推，依次進行處理消除，最終得到：

可將式（9）寫成：

其中，w是均值和方差都為0的向量。通過最大化條件概率密度函數(shù)，可在地球站處檢測出節(jié)點i的信號：

研究表明，在多星單節(jié)點信號檢測系統(tǒng)中，要實現(xiàn)良好的性能，地球站處的天線數(shù)量應比衛(wèi)星數(shù)量多[21]。單星多節(jié)點信號檢測和多星單節(jié)點信號檢測為多星多節(jié)點虛擬陣列信號檢測的研究奠定了基礎(chǔ)。

3.3 多星多節(jié)點信號檢測

相較于單星多節(jié)點和多星單節(jié)點信號檢測，多星多節(jié)點信號檢測包含的檢測終端設(shè)備數(shù)目更多，符合下一代通信中的泛在連接需求。在實際的LEO衛(wèi)星星座中，同一區(qū)域內(nèi)的物聯(lián)設(shè)備終端往往同時被同一星座的多顆衛(wèi)星覆蓋。這些衛(wèi)星可以接收設(shè)備終端的數(shù)據(jù)包，協(xié)作檢測將為其傳輸性能帶來額外增益。由此，一種面向低軌衛(wèi)星星座的多星多節(jié)點通信系統(tǒng)模型被提出，具體如圖5所示。在一個時隙中，系統(tǒng)中N顆衛(wèi)星到U個用戶終端的傳輸模型等價于一個虛擬MIMO系統(tǒng)。其中，多顆衛(wèi)星組成一個巨大的天線陣列，與地面多節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)構(gòu)建了一個離散多用戶信號傳輸模型，地面多個終端的分布區(qū)域由同一信關(guān)站控制的多顆衛(wèi)星覆蓋。在多星多節(jié)點信號檢測系統(tǒng)中，由于每個節(jié)點和星之間都有相對多普勒效應的影響，考慮載波頻率偏移引起的相移，將終端u的發(fā)射信號設(shè)為xu。如果在時隙j存在K個碰撞的分組，并假設(shè)K個分組來自終端u1,u2，…，uK，并且考慮從終端u1,u2，…，uK到衛(wèi)星i的傳播時延τu1,i,τu2,i，…，τuK,i,那么在時隙j中的衛(wèi)星節(jié)點i處的K個碰撞分組的第k個接收符號如式（13）：

▲圖5 多星協(xié)作虛擬陣列信號檢測示意圖

4 結(jié)束語

多星協(xié)作信號檢測技術(shù)將為未來6G天地一體化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供重要技術(shù)支撐。本文中，我們對LEO衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要介紹，并就多星協(xié)作信號檢測技術(shù)、衛(wèi)星MI?MO技術(shù)、MIMO信號檢測算法及多星協(xié)作檢測相關(guān)技術(shù)路線展開了分析，挖掘了LEO星座在使能未來空天地一體泛在互聯(lián)中的廣闊應用前景，探索了多星協(xié)作虛擬陣列信號檢測技術(shù)的實現(xiàn)方案。面向LEO衛(wèi)星星座，多星信號同步、星上計算與星間通信資源權(quán)衡等諸多問題給多星協(xié)作信號處理技術(shù)帶來了極大挑戰(zhàn)，未來人們還需在星間不完全同步、星上資源強受限的條件下進一步解決上述問題。