多天線系統應用在無人衛星通信鏈路中的性能研究

亢 超

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

隨著現代通信技術的快速發展，已逐漸成為一個關鍵的研究領域,在多個領域如無人機、遠程控制系統以及無人駕駛汽車等方面都有廣泛的應用。它們的核心價值在于實現遠程操作與通信，而不需要在目標地點進行物理干預。但是，隨著無人衛星通信鏈路應用范圍的擴大，所面臨的技術挑戰也日益增多，尤其是在保障信號的穩定性和可靠性方面。在眾多的解決方案中，多天線系統因其出色的性能受到人們關注。多天線系統是通過多個天線同時進行發送和接收以增強信號質量與穩定性。在一些高密度、高流量的通信場景中，如城市的移動通信、大型活動的直播傳輸等，多天線系統已經證明了其卓越的性能，主要原理是利用空間的多樣性，通過多個天線分別接收和發送信號，增強通信的可靠性。

1 多天線系統在無人衛星通信鏈路中的問題分析

1.1 無人衛星通信鏈路應用的問題

無人衛星通信鏈路的性質與傳統的通信鏈路有所不同，這些差異主要源于其專門的應用場景和設計要求。無人衛星通信鏈路的信道模型受到多種因素的影響，使得無人衛星通信鏈路常用于移動場景，如無人駕駛車輛或無人機，因此信道模型需要考慮移動性。這意味著該模型需要能夠處理因移動造成的多普勒效應、路徑損失以及快速衰減等問題。無人系統通常在開闊的環境中操作，因此多徑效應和建筑物反射可能相對較少，但仍然存在。在無人衛星通信鏈路中，干擾可能來自其他電子設備，如附近的通信系統或其他無線信號。這種干擾可能導致鏈路性能下降，甚至造成通信中斷。為準確評估這種影響，需要進行深入的干擾和噪聲分析。噪聲可能來自自然環境，或來自設備本身[1]。

1.2 多天線系統的基本原理和在無人衛星通信鏈路中的應用難點

多天線系統的設計原則是利用空間的多樣性來增強信號質量和可靠性。空時編碼是利用多個天線來發送和接收信號的技術，在時間和空間上進行編碼，能夠提高通信鏈路的容錯性。分集則是通過使用多個獨立的天線路徑來提高信號的可靠性，即使某些路徑受到干擾或衰減，其他路徑也可以保持通信。多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）是一種利用多個天線進行信號傳輸和接收的技術，通過同時發送多個信號并利用多個天線接收多個信號，可以顯著提高信號的傳輸速率和系統容量。此外，由于每個數據流都通過多個天線路徑，MIMO 技術能夠增強信號的可靠性。

多天線系統雖然提供了許多優勢，但是在無人衛星通信鏈路中的應用仍然面臨一些難點。一是考慮到無人衛通設備（如無人機）的尺寸和重量限制，部署多天線系統可能會遇到一些物理和設計上的限制。例如，為使多天線系統正常工作，可能需要更復雜的射頻鏈路、更高的處理能力以及更多的電源。二是許多無人系統已經部署了傳統的單天線通信解決方案，這意味著為利用多天線技術的優勢，可能需要進行大規模的升級和修改無人系統，成本昂貴且集成工作復雜[2]。

2 實際應用中的多天線系統優化方案

2.1 設計基于多天線的無人衛星通信鏈路協議

為充分發揮多天線系統的潛在優勢并解決無人衛星通信鏈路中的挑戰，設計合適的鏈路協議至關重要。信道估計是多天線通信中的關鍵環節。每個天線都需要了解它所通信的另一端的信道情況，以便進行最優的信號調制和編碼。實時、準確的信道估計可以確保無人衛星通信鏈路的高效率和可靠性。有效的信道反饋也十分必要，它使發送端能夠了解鏈路的當前狀態，并據此進行信號調整。隨著通信環境的變化，能夠自動調整其調制和編碼方式的無人衛星通信鏈路具有更高的健壯性與效率。基于信道的實時反饋，發送端可以選擇最合適的調制和編碼方案，從而最大化鏈路的吞吐量，同時確保低誤碼率[3]。

2.2 多天線系統的技術應用

在多天線系統中，信號處理技術的應用對于優化信號質量和提高鏈路性能至關重要。這些技術能夠在物理層面處理和優化信號，以應對信道變化、干擾和噪聲等因素，從而實現更可靠的通信[4]。其中，自適應調制技術是一種關鍵的信號處理方法。它根據信道條件的實際情況動態地選擇適合的調制方式和傳輸速率[5]。在鏈路質量良好的情況下，系統可以采用更高調制方式以實現更高的傳輸速率，從而提高數據傳輸效率。而在鏈路質量較差和干擾較大的情況下，改變調制方式可以保持穩定的傳輸，從而減少錯誤率。通過自適應調制技術，多天線系統能夠在不同信道條件下實現最優的傳輸效果，從而顯著提高系統的性能和可靠性。

干擾抑制技術的應用也十分重要。在無人衛星通信鏈路中，多天線系統可能會遭受來自其他設備、用戶或環境的干擾。為優化信號質量，需要采用干擾抑制技術來降低干擾信號的影響。這些技術可以通過濾波、空間分集以及干擾消除等方法來減少干擾信號的強度。通過濾波，系統可以削弱頻域上的干擾成分，從而提高接收信號的信噪比[6]。而通過空間分集，系統可以利用多個天線接收不同的信號路徑，從而在接收端抵消部分干擾信號。干擾消除技術則可以根據已知的干擾信號模型，將干擾信號從接收信號中分離出來，從而實現干凈的信號接收。

2.3 軟件定義無線電技術

隨著多天線系統的廣泛應用，會引發系統復雜度增加的問題。在這個背景下，引入基于軟件定義無線電（Software Defination Radio，SDR）的解決方案成為一種有效途徑。SDR 技術在無線通信領域具有廣泛的應用，它能夠將通信系統的硬件和軟件分離，通過軟件編程來實現通信功能，從而創造更靈活和可配置的通信系統。SDR 技術可以應用于多天線系統，實現動態的天線管理和調整，通過實時監測鏈路狀態和信道條件，并根據實際情況優化天線的指向和增益，最大限度地提高系統性能。例如，在信號弱化或干擾增加時，系統可以自動調整天線的指向，以保持穩定的信號傳輸。這種靈活的天線管理使得系統能夠更好地適應不同的通信環境，提升鏈路的可靠性和性能。

SDR 技術也能實現信號處理算法的靈活部署。多天線系統需要根據不同的信道環境和問題選擇合適的信號處理算法，以優化信號質量。信號處理算法能夠利用SDR 技術，并通過軟件方式進行調整和部署，無須修改硬件。這使得系統能夠根據實際需求選擇最合適的算法，提升信號的傳輸質量和系統性能。SDR技術的另一個優勢在于系統虛擬化與資源利用率的提升。通過在軟件層面模擬多個天線和信道，系統可以實現虛擬化，降低對硬件資源的需求，提高資源的利用率。例如，虛擬化可以模擬多個天線在不同位置工作，通過在軟件層面模擬信道，可以更好地了解不同信道環境下的系統表現，并為優化提供有力指導。

3 性能實驗與結果分析

為驗證多天線系統的性能，實驗員選擇了一個真實的通信場景，并在實驗室環境中模擬了相應的無人衛星通信鏈路。實驗員設置了不同的信道條件，包括信號強度變化、多徑效應、干擾等。為了盡可能貼近實際情況，還模擬了不同天氣和地形變化對信號傳輸的影響。同時，精心設計了多天線系統的天線布局。通過合理的天線分布，盡量減少天線之間的相互干擾，以提高系統的性能。最后還采用了自適應天線技術，根據實時監測的信道狀態，動態調整天線的指向和角度，最大限度地減少干擾。應用了自適應調制技術和干擾抑制技術。自適應調制技術能夠根據信道條件選擇最適合的調制方式和傳輸速率，以優化傳輸效果。干擾抑制技術可以有效減少外界干擾的影響，提高接收信號的信噪比[7]。

進行一系列實驗后記錄了不同情況下多天線系統的性能數據。測量信號的接收強度、誤碼率、傳輸速率等指標，并進行了詳細的數據分析。通過對實驗數據的分析，深入了解多天線系統在不同條件下的性能表現。部分實驗結果的數據如表1 所示。

表1 部分實驗結果的數據表

從表1 中可以看出，在不同信道條件下，采用不同天線配置的多天線系統表現出不同的性能。“2×2 MIMO”和“4×4 MIMO”分別表示采用2 根天線和4根天線MIMO 系統。在信號強度變化的情況下，4×4 MIMO 配置的系統表現出更高的信號強度和更低的誤碼率，同時傳輸速率也更高。這表明多天線系統在弱信號環境下，通過使用更多的天線，能夠增強信號的強度和質量。在多徑效應的情況下，4×4 MIMO 配置的系統與2×2 MIMO 配置的系統相比，在信號強度、誤碼率以及傳輸速率上均有明顯提升。這證實了多天線系統在克服多徑效應方面的優勢，通過多個天線接收不同路徑上的信號，可以減少信號的折射和干擾，從而提高鏈路質量。然而，在強干擾環境中，雖然4×4 MIMO 配置的系統表現出較好的性能，但由于干擾的存在，信號強度下降且誤碼率增加。這強調了干擾抑制技術在多天線系統中的重要性，通過采用適當的干擾抑制方法，可以有效降低外界干擾對信號傳輸的影響。

4 結 論

文章全面探討了多天線系統在無人衛星通信鏈路中的應用，并通過一系列實驗和詳細分析，充分驗證了其在提升性能方面的巨大潛力。通過優化天線布局、應用自適應調制技術、采用干擾抑制方法以及引入軟件定義無線電技術，多天線系統在無人衛星通信鏈路中取得了顯著的性能改進。未來，可以探索更先進的信號處理技術。例如，可以結合機器學習和人工智能方法，自動優化天線布局和信號處理參數，以實現更精確的性能提升。