HAPS通信中基于MIMO的信号协作接收方案性能分析

霍辰杰，陈树新，张衡阳

（空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710077）

实施固定或移动用户宽带无线接入的高空平台 （HAPHigh Altitude Platform）简称高空平台通信系统（HAPS）。HAPS兼具地面蜂窝通信系统和卫星通信系统的特点：与卫星通信系统相比，HAPS平台与地面的距离是同步卫星的1/1 800，自由空间衰减减少65 dB，延迟时间只有0.5 ms，有利于通信终端小型化、通信链路宽带化；与地面蜂窝通信系统相比，HAPS平台作用距离远、覆盖地区大，且信道衰落为20 dB/10倍程，只是地面系统衰减的2/5，但是，采用Ka频段进行HAPS通信仍然会受到雨衰的影响[1]。

随着HAPS应用的深入研究，小型化HAPS平台的应用已经成为研究的热点[2]，HAPS平台搭载尺寸的逐渐变小，已经无法在单个平台上实现分集接收；有效载荷重量的减轻，使得平台无法安装大孔径天线。因此，采用小口径接收天线，利用MIMO技术，构建多平台协作接收方案，将有效对抗雨衰对通信性能的影响，实现HAPS通信系统的高速率信息传输。目前针对HAPS通信中MIMO技术的研究主要集中于系统的容量分析[4]，文中将在研究HAPS通信信道在不同仰角区域的特性的基础上，仿真分析基于MIMO的信号协作接收的HAPS通信方案，探讨对于不同通信环境下的HAPS通信系统性能。

1 HAPS通信的信道环境

Ka频段信号传输受到的影响主要为无线信道衰落和空地链路大气衰减[5]，其中，无线信道衰落主要考虑由于MIMO传输而引起的多径衰落，而大气衰减主要考虑雨衰的影响，另外平台间互联方式也是需要考虑的问题。

1.1 多径衰落

依据仰角区域的不同，信号的衰落类型也不同：中、低仰角区由于平台覆盖范围大，传输路径长，且降雨具有区域性，不足以覆盖中、低仰角区全境，且传播信号受到建筑物和植被的散射，不同的路径衰减统计独立，可以认为信号受到多径衰落和雨衰的共同影响；而高仰角区平台覆盖范围明显较小，降雨很容易全境覆盖，且信号为视距传播，不同的路径衰减相关性很强，可以认为信号仅受到雨衰的影响。综上，中、低仰角区的信号受到多径衰落和雨衰的共同影响，高仰角区信号仅受到雨衰影响。

1.2 降雨衰减

雨衰可以表示成一个乘性干扰[6]。

式中，r（t）为接收信号，s（t）为发送信号，aejφ为雨衰造成的乘性干扰，a和φ分别为雨衰信道的包络和相位，二者均为实随机变量。

根据文献[7]和[8]对积累数据的研究可知，雨衰信号包络和相位的概率分布均为高斯分布，文献[9]给出了Ka频段静止卫星通信信道在各种天气条件下信号的概率分布参数。

除此之外，平台之间链路位于地球表面17～22 km处。主要采用自由空间光通信链路[1]，这种通信方式造成的损耗与空地链路相比可以忽略不计。

综合上述讨论，HAPS通信的Ka频段空地链路主要受到信号多径传播和降雨衰减的影响。

2 HAPS基于MIMO的信号协作接收方案

2.1 方案拓扑结构

根据第1节的环境分析，设计HAPS通信中的信号协作接收方案。发端为固定地面站，利用多根天线发射垂直分层空时码（VBLAST），多个单天线HAPS平台协作接收的方案。如图1所示，平台A、B、C、D之间等距排列；其中A平台为中心平台，主要负责分发信道状态信息和接收信号的联合检测，其余B、C、D平台为协作平台，主要负责接收各层数据流并分别进行独立检测，然后通过HAPS平台间链路传输给中心平台。

图1 HAPS平台的协作通信Fig.1 Cooperative communication via HAPS

2.2 方案工作过程

1）在进行HAPS通信以前，设中心平台A能够获得完整的信道状态信息，并将该信息通过平台间链路传输给各个协作平台；

2）发送端将原始信号进行垂直分层空时编码（VBLAST）之后，分别通过HAPS通信的空地链路发送给各个平台；

3）中心平台利用信道状态信息对该时隙内的接收信号进行信号检测得到一个恢复信号副本，协作平台采用同样的步骤得到多个恢复信号副本；

4）各个协作平台将恢复信号副本利用平台间链路传输给中心平台，中心平台采用最大比合并（MRC）将各个副本合成最终的信号检测输出信号。

由此形成分层空时码的协作接收和联合检测，并在事实上构建了虚拟MIMO方案。当信道环境适宜时，该方案能够获得信号协作接收和检测的组合分集增益。

2.3 信号检测技术

其中，方案第3步关于接收机的设计决定了系统的误码性能和实现复杂度。本方案中接收平台较小，搭载的有效载荷结构也相对简单，采用的信号检测算法应在保证一定误码性能的前提下具有较低的实现复杂度，干扰消除算法（SIC）能够折中满足误码性能和实现复杂度的不同要求，对接收到的Nr层数据分层检测，每次独立检测出一层数据流，然后将其从接收信号向量中消除，如此迭代进行，直至最后一层数据流被检测出来，但缺点是存在误差传播现象。

为了减轻该现象，应使每一步检测的最小后验信干噪比η尽可能大，从这一角度出发，Foschini提出一种“最优排序”，即检测算法在迭代的每一步首先选取具有最大η值的一层数据流进行检测，随后按SINR值的降序依次选取子层数据流进行检测。这种局部最优可以直接产生全局最优[10]，即：

其中，li为最优排序，li′为非最优排序，ηi，li表示第 i步检测第li个子层的后验 SINR，ηi，j表示第 i步检测第 j个子层的后验 SINR ，ηi，li≥ηi，j表示全局最优的结果。

3 仿真分析

3.1 仿真模型和参数设定

图2 HAPS通信上行链路中分层空时码的协作检测仿真模型Fig.2 The simulation model of cooperative detection for VBLAST via HAPScommunication

根据上文所述设定仿真条件，HAPS平台的高度h为21 km，平台间距离S设为50 km，设定发射天线数目为4根，接收天线也为4根，分别位于4个HAPS平台上。

HAPS信道的雨衰条件设定为中雨，仰角取θ=14.2°和θ=65°两种情况，分别代表用户位于中、低仰角区和高仰角区，设定中、低仰角区的单个平台覆盖半径r为560 km，高仰角区单个平台的覆盖半径为70 km。根据图2所示进行计算机仿真，其中接收端的主HAPS平台采用基于MMSE的排序串行干扰相消检测算法，采用ZF算法和MMSE算法作为对比。

3.2 仿真实现

设定θ=65°，用户位于高仰角区，HAPS通信上行链路仅考虑雨衰，仿真结果如图3所示。

图3 用户位于高仰角区时VBLAST结构的误码率曲线Fig.3 The error rate curve of VBLAST structure in high-elevation angle area

观察图3发现，当用户位于高仰角区，每根天线发出的信号都受到同类型的雨衰影响，因此各发送天线与对应的HAPS平台上接收天线之间的路径衰减统计相关，基于VBLAST的MIMO技术误码率性能在信噪比达到30 dB时仅为10-3。

设定θ=14.2°，此时用户位于中、低仰角区，HAPS通信上行链路考虑多径衰落和雨衰，仿真结果如图4所示。

观察图4，当用户位于中、低仰角区，传输信号同时受到多径和雨衰影响时，每根天线发出的信号产生不同的衰减，各个传播路径之间统计独立。以误码率为10-3为性能分界线，基于MMSE的排序串行干扰相消技术（OSIC）比单纯的MMSE检测技术性能提高了4 dB，比单纯的ZF检测技术性能提高了8 dB。与图3对比，该协作接收方案在中、低仰角区的性能表现明显优于高仰角区。

3.3 结果分析

图4 用户位于中、低仰角区时VBLAST结构的误码率曲线Fig.4 The error rate curve of VBLAST structure in middle&low-elevation angle area

产生这种现象的原因：1）中、低仰角区和高仰角区的传输环境不同；2）使用的MIMO编码技术不能提供发射分集增益；3）文中提出的协作接收方案仅能提供适宜信道下多个HAPS平台接收的组合分集增益。

中、低仰角区同时经受多径传播和雨衰的影响，由于该区域覆盖范围大，通信时空地链路跨度大，多径传播的各个可分辨径都穿过不同的雨衰环境，由此造成此区域内信道高度不相关，各个HAPS平台得出的恢复信号副本统计独立，取得了MIMO协作方案预计的组合分集增益；反观高仰角区，区域覆盖范围小，仅为中、低仰角区的1.56%，通信时空地链路跨度小，信号仅受到雨衰的影响，各个HAPS平台得出的恢复信号副本具有一定相关性，难以获得组合分集增益。

因此，综合上面的分析，以获得组合分集增益为目的的MIMO协作方案（利用垂直分层空时码实现）更适合在HAPS通信的中、低仰角区使用。

4 结束语

文中在HAPS通信中引入基于垂直分层空时码（VBLAST）的MIMO技术，利用多个HAPS平台的协作接收提供组合分集。仿真表明，接收端采用排序串行干扰相消检测（OSIC）技术，相比ZF检测和MMSE检测提高了HAPS通信上行链路的误码率性能；而当信号传输链路统计相关时，这种单纯基于VBLAST的MIMO技术不能发挥分集优势。

为了改善HAPS通信上行链路在高仰角区雨衰影响下的误码率性能，必须在高仰角区的HAPS通信中挖掘分集增益，此时，单纯的组合分集已不能改善系统性能，因此可以寻求引入各种空时编解码技术；此外，为了适应目前宽带通信的要求，在考虑系统误码性能改善的同时，也应折中考虑系统容量的提升。

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