HAPS通信中基于MIMO的信號協作接收方案性能分析

霍辰杰，陳樹新，張衡陽

（空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710077）

實施固定或移動用戶寬帶無線接入的高空平臺 （HAPHigh Altitude Platform）簡稱高空平臺通信系統（HAPS）。HAPS兼具地面蜂窩通信系統和衛星通信系統的特點：與衛星通信系統相比，HAPS平臺與地面的距離是同步衛星的1/1 800，自由空間衰減減少65 dB，延遲時間只有0.5 ms，有利于通信終端小型化、通信鏈路寬帶化；與地面蜂窩通信系統相比，HAPS平臺作用距離遠、覆蓋地區大，且信道衰落為20 dB/10倍程，只是地面系統衰減的2/5，但是，采用Ka頻段進行HAPS通信仍然會受到雨衰的影響[1]。

隨著HAPS應用的深入研究，小型化HAPS平臺的應用已經成為研究的熱點[2]，HAPS平臺搭載尺寸的逐漸變小，已經無法在單個平臺上實現分集接收；有效載荷重量的減輕，使得平臺無法安裝大孔徑天線。因此，采用小口徑接收天線，利用MIMO技術，構建多平臺協作接收方案，將有效對抗雨衰對通信性能的影響，實現HAPS通信系統的高速率信息傳輸。目前針對HAPS通信中MIMO技術的研究主要集中于系統的容量分析[4]，文中將在研究HAPS通信信道在不同仰角區域的特性的基礎上，仿真分析基于MIMO的信號協作接收的HAPS通信方案，探討對于不同通信環境下的HAPS通信系統性能。

1 HAPS通信的信道環境

Ka頻段信號傳輸受到的影響主要為無線信道衰落和空地鏈路大氣衰減[5]，其中，無線信道衰落主要考慮由于MIMO傳輸而引起的多徑衰落，而大氣衰減主要考慮雨衰的影響，另外平臺間互聯方式也是需要考慮的問題。

1.1 多徑衰落

依據仰角區域的不同，信號的衰落類型也不同：中、低仰角區由于平臺覆蓋范圍大，傳輸路徑長，且降雨具有區域性，不足以覆蓋中、低仰角區全境，且傳播信號受到建筑物和植被的散射，不同的路徑衰減統計獨立，可以認為信號受到多徑衰落和雨衰的共同影響；而高仰角區平臺覆蓋范圍明顯較小，降雨很容易全境覆蓋，且信號為視距傳播，不同的路徑衰減相關性很強，可以認為信號僅受到雨衰的影響。綜上，中、低仰角區的信號受到多徑衰落和雨衰的共同影響，高仰角區信號僅受到雨衰影響。

1.2 降雨衰減

雨衰可以表示成一個乘性干擾[6]。

式中，r（t）為接收信號，s（t）為發送信號，aejφ為雨衰造成的乘性干擾，a和φ分別為雨衰信道的包絡和相位，二者均為實隨機變量。

根據文獻[7]和[8]對積累數據的研究可知，雨衰信號包絡和相位的概率分布均為高斯分布，文獻[9]給出了Ka頻段靜止衛星通信信道在各種天氣條件下信號的概率分布參數。

除此之外，平臺之間鏈路位于地球表面17～22 km處。主要采用自由空間光通信鏈路[1]，這種通信方式造成的損耗與空地鏈路相比可以忽略不計。

綜合上述討論，HAPS通信的Ka頻段空地鏈路主要受到信號多徑傳播和降雨衰減的影響。

2 HAPS基于MIMO的信號協作接收方案

2.1 方案拓撲結構

根據第1節的環境分析，設計HAPS通信中的信號協作接收方案。發端為固定地面站，利用多根天線發射垂直分層空時碼（VBLAST），多個單天線HAPS平臺協作接收的方案。如圖1所示，平臺A、B、C、D之間等距排列；其中A平臺為中心平臺，主要負責分發信道狀態信息和接收信號的聯合檢測，其余B、C、D平臺為協作平臺，主要負責接收各層數據流并分別進行獨立檢測，然后通過HAPS平臺間鏈路傳輸給中心平臺。

圖1 HAPS平臺的協作通信Fig.1 Cooperative communication via HAPS

2.2 方案工作過程

1）在進行HAPS通信以前，設中心平臺A能夠獲得完整的信道狀態信息，并將該信息通過平臺間鏈路傳輸給各個協作平臺；

2）發送端將原始信號進行垂直分層空時編碼（VBLAST）之后，分別通過HAPS通信的空地鏈路發送給各個平臺；

3）中心平臺利用信道狀態信息對該時隙內的接收信號進行信號檢測得到一個恢復信號副本，協作平臺采用同樣的步驟得到多個恢復信號副本；

4）各個協作平臺將恢復信號副本利用平臺間鏈路傳輸給中心平臺，中心平臺采用最大比合并（MRC）將各個副本合成最終的信號檢測輸出信號。

由此形成分層空時碼的協作接收和聯合檢測，并在事實上構建了虛擬MIMO方案。當信道環境適宜時，該方案能夠獲得信號協作接收和檢測的組合分集增益。

2.3 信號檢測技術

其中，方案第3步關于接收機的設計決定了系統的誤碼性能和實現復雜度。本方案中接收平臺較小，搭載的有效載荷結構也相對簡單，采用的信號檢測算法應在保證一定誤碼性能的前提下具有較低的實現復雜度，干擾消除算法（SIC）能夠折中滿足誤碼性能和實現復雜度的不同要求，對接收到的Nr層數據分層檢測，每次獨立檢測出一層數據流，然后將其從接收信號向量中消除，如此迭代進行，直至最后一層數據流被檢測出來，但缺點是存在誤差傳播現象。

為了減輕該現象，應使每一步檢測的最小后驗信干噪比η盡可能大，從這一角度出發，Foschini提出一種“最優排序”，即檢測算法在迭代的每一步首先選取具有最大η值的一層數據流進行檢測，隨后按SINR值的降序依次選取子層數據流進行檢測。這種局部最優可以直接產生全局最優[10]，即：

其中，li為最優排序，li′為非最優排序，ηi，li表示第 i步檢測第li個子層的后驗 SINR，ηi，j表示第 i步檢測第 j個子層的后驗 SINR ，ηi，li≥ηi，j表示全局最優的結果。

3 仿真分析

3.1 仿真模型和參數設定

圖2 HAPS通信上行鏈路中分層空時碼的協作檢測仿真模型Fig.2 The simulation model of cooperative detection for VBLAST via HAPScommunication

根據上文所述設定仿真條件，HAPS平臺的高度h為21 km，平臺間距離S設為50 km，設定發射天線數目為4根，接收天線也為4根，分別位于4個HAPS平臺上。

HAPS信道的雨衰條件設定為中雨，仰角取θ=14.2°和θ=65°兩種情況，分別代表用戶位于中、低仰角區和高仰角區，設定中、低仰角區的單個平臺覆蓋半徑r為560 km，高仰角區單個平臺的覆蓋半徑為70 km。根據圖2所示進行計算機仿真，其中接收端的主HAPS平臺采用基于MMSE的排序串行干擾相消檢測算法，采用ZF算法和MMSE算法作為對比。

3.2 仿真實現

設定θ=65°，用戶位于高仰角區，HAPS通信上行鏈路僅考慮雨衰，仿真結果如圖3所示。

圖3 用戶位于高仰角區時VBLAST結構的誤碼率曲線Fig.3 The error rate curve of VBLAST structure in high-elevation angle area

觀察圖3發現，當用戶位于高仰角區，每根天線發出的信號都受到同類型的雨衰影響，因此各發送天線與對應的HAPS平臺上接收天線之間的路徑衰減統計相關，基于VBLAST的MIMO技術誤碼率性能在信噪比達到30 dB時僅為10-3。

設定θ=14.2°，此時用戶位于中、低仰角區，HAPS通信上行鏈路考慮多徑衰落和雨衰，仿真結果如圖4所示。

觀察圖4，當用戶位于中、低仰角區，傳輸信號同時受到多徑和雨衰影響時，每根天線發出的信號產生不同的衰減，各個傳播路徑之間統計獨立。以誤碼率為10-3為性能分界線，基于MMSE的排序串行干擾相消技術（OSIC）比單純的MMSE檢測技術性能提高了4 dB，比單純的ZF檢測技術性能提高了8 dB。與圖3對比，該協作接收方案在中、低仰角區的性能表現明顯優于高仰角區。

3.3 結果分析

圖4 用戶位于中、低仰角區時VBLAST結構的誤碼率曲線Fig.4 The error rate curve of VBLAST structure in middle&low-elevation angle area

產生這種現象的原因：1）中、低仰角區和高仰角區的傳輸環境不同；2）使用的MIMO編碼技術不能提供發射分集增益；3）文中提出的協作接收方案僅能提供適宜信道下多個HAPS平臺接收的組合分集增益。

中、低仰角區同時經受多徑傳播和雨衰的影響，由于該區域覆蓋范圍大，通信時空地鏈路跨度大，多徑傳播的各個可分辨徑都穿過不同的雨衰環境，由此造成此區域內信道高度不相關，各個HAPS平臺得出的恢復信號副本統計獨立，取得了MIMO協作方案預計的組合分集增益；反觀高仰角區，區域覆蓋范圍小，僅為中、低仰角區的1.56%，通信時空地鏈路跨度小，信號僅受到雨衰的影響，各個HAPS平臺得出的恢復信號副本具有一定相關性，難以獲得組合分集增益。

因此，綜合上面的分析，以獲得組合分集增益為目的的MIMO協作方案（利用垂直分層空時碼實現）更適合在HAPS通信的中、低仰角區使用。

4 結束語

文中在HAPS通信中引入基于垂直分層空時碼（VBLAST）的MIMO技術，利用多個HAPS平臺的協作接收提供組合分集。仿真表明，接收端采用排序串行干擾相消檢測（OSIC）技術，相比ZF檢測和MMSE檢測提高了HAPS通信上行鏈路的誤碼率性能；而當信號傳輸鏈路統計相關時，這種單純基于VBLAST的MIMO技術不能發揮分集優勢。

為了改善HAPS通信上行鏈路在高仰角區雨衰影響下的誤碼率性能，必須在高仰角區的HAPS通信中挖掘分集增益，此時，單純的組合分集已不能改善系統性能，因此可以尋求引入各種空時編解碼技術；此外，為了適應目前寬帶通信的要求，在考慮系統誤碼性能改善的同時，也應折中考慮系統容量的提升。

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