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，將信號從用戶轉發(fā)到信關站。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?。為此，研究人員開展了各種技術和策略研究來提高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，通過在收發(fā)兩端配置多根天線構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”納入“新基建”的范疇，衛(wèi)星互聯(lián)網的建設已上升至國家戰(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)?；兄频统杀?、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，中國星網集團正式成立，將為中國衛(wèi)星星座的建設和發(fā)展注入強大動力[9]。

1.2 典型LEO衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構

LEO衛(wèi)星軌道高度在2 000 km以內，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)架構如圖1所示，包括空間段、地面段和用戶段3部分?？臻g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，由信關站、測控站、移動通信網絡、運控系統(tǒng)、綜合網管系統(tǒng)和業(yè)務支撐系統(tǒng)組成；用戶段主要由接入網及接入終端組成，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)架構及星上處理能力為多星協(xié)作信號檢測的實現(xiàn)了基礎。通過星間鏈路與星上處理轉發(fā)，可以實現(xiàn)全球組網和數(shù)據(jù)交換。

▲圖1 低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構

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域的MIMO技術則為多星協(xié)作傳輸提供了借鑒意義。

2 衛(wèi)星MIMO技術與信號檢測技術

多星協(xié)作的關鍵是結合MIMO技術來實現(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技術與MIMO信號檢測技術。

2.1 衛(wèi)星MIMO技術

MIMO技術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合產生的編碼增益。MIMO技術現(xiàn)已成為4G、5G等移動通信系統(tǒng)的關鍵技術[10-12]。

2005年，衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)開始受到業(yè)界的廣泛關注，而與之相關的信道模型、系統(tǒng)設計和編碼技術等研究也相繼展開。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[13]。為獲取MIMO增益，目前將MI?MO技術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)星與地面設備構成空間分集。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技術引入了天線間信號干擾，因此需要先進的信號檢測技術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，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，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

MIMO技術在密集散射多徑傳播信道中能夠實現(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技術很難直接應用于現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺。虛擬MIMO技術通過多設備的分布式協(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技術有望于在多星協(xié)作架構下獲取較高的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。由單星對終端設備信號檢測發(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，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)送權向量，ns表示加性高斯白噪聲。經過中繼轉發(fā)后衛(wèi)星將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍蛘?，地球站接收到的?shù)據(jù)表示為：

其中，a為轉發(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）的結果帶入式（2），得到：

要獲取設備終端的數(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。

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)域內的物聯(lián)設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)射信號設為xu。如果在時隙j存在K個碰撞的分組，并假設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 結束語

多星協(xié)作信號檢測技術將為未來6G天地一體化網絡的建設提供重要技術支撐。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、衛(wèi)星MI?MO技術、MIMO信號檢測算法及多星協(xié)作檢測相關技術路線展開了分析，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衡等諸多問題給多星協(xié)作信號處理技術帶來了極大挑戰(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。