解锁低轨卫星通信潜力：空间调制与空移键控技术的创新应用

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：A Foundation Model for Wireless Technology Recognition and Localization Tasks

本文针对未来无线网络对高吞吐量和低延迟的需求，探讨了在低轨卫星通信系统中应用空间调制和空移键控技术。研究人员通过建立包含路径损耗、多普勒效应等实际因素的阴影莱斯衰落信道模型，推导了LEO-SM和LEO-SSK方案的闭式误码率上界，并提出基于梯度下降的卫星仰角优化方法。研究结果表明，与传统调制相比，所提方案在提升误码性能和降低检测复杂度方面具有显著优势，为未来卫星通信系统提供了可行的技术路径。

　　

随着6G时代的到来，全球对高速率、低延迟无线通信的需求呈现爆发式增长。传统地面通信系统在覆盖范围和传输性能上逐渐显现瓶颈，特别是在偏远地区、灾害应急等场景下难以满足需求。这就催生了对非地面通信解决方案的迫切需求，其中低轨卫星因其传输延迟小、覆盖范围广等优势成为研究热点。然而，如何在高动态的卫星环境中实现高效的信号传输仍面临诸多挑战，包括频谱利用率提升、误码率优化以及系统复杂度控制等关键问题。

在这篇发表于《IEEE Open Journal of the Communications Society》的论文中，研究人员开创性地将空间调制和空移键控技术引入低轨卫星通信系统，为解决上述问题提供了新的技术路径。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先建立了包含自由空间路径损耗、大气衰减和闪烁损耗的复合信道模型；其次采用阴影莱斯分布描述卫星信道的小尺度衰落特性；然后使用最大似然检测器进行信号解调；最后提出基于梯度下降的仰角优化算法来提升链路质量。研究还考虑了实际系统中存在的信道状态信息不完美的情况。

系统模型设计方面，研究人员构建了包含N_t个发射天线的低轨卫星与单天线地面终端的通信场景。在空间调制方案中，信息比特同时映射到天线索引和M进制相移键控/正交幅度调制符号上；而在空移键控方案中，仅通过天线索引传递信息，简化了系统结构。

信道建模方面，研究团队创新性地将低轨卫星信道表征为包含大尺度路径损耗和小尺度衰落的复合模型。与传统地面通信使用的瑞利或莱斯衰落不同，该模型特别考虑了卫星高度、仰角依赖的路径损耗以及多普勒频移等空间通信特有因素。具体包括基于卫星高度h₀和仰角θ_E计算的斜距d，以及由此衍生的自由空间路径损耗。

性能分析结果显示，在频谱效率方面，LEO-SM方案可达log₂N_t+log₂M bpcu，而LEO-SSK方案为log₂N_t bpcu。检测复杂度分析表明，LEO-SSM需要[N_r(2N_t+3)-1]N_tM次运算，高于LEO-SSK的[N_r(2N_t+2)-1]N_t次运算，这体现了两种方案在性能与复杂度之间的权衡。

在优化问题处理上，研究团队提出了基于梯度下降的卫星仰角选择方法。通过分析路径损耗L和信道矩阵H对仰角θ_E的偏导数，建立了优化目标函数f(θ_E)的梯度表达式，从而实现对最佳通信仰角的快速收敛搜索。

仿真结果验证了理论分析的正确性。在频谱效率为3-5 bpcu时，LEO-SM和LEO-SSK方案均表现出优于传统调制方法的误码性能。特别值得注意的是，在信道状态信息存在估计误差的不完美条件下，所提方案仍保持较好的鲁棒性。仰角优化算法的应用使得系统误码率进一步降低了约1-2 dB。

研究结论表明，空间调制和空移键控技术为低轨卫星通信提供了一种有效的解决方案。通过单天线激活机制，这些方案在保持较高频谱效率的同时，显著降低了系统复杂度和功耗需求。提出的梯度下降优化算法能够动态选择最佳通信仰角，进一步提升链路可靠性。这项工作为未来卫星通信系统设计提供了重要的理论依据和技术参考，特别是在6G非地面网络融合背景下具有广阔的应用前景。

研究的创新性体现在首次将空间调制技术系统性地应用于低轨卫星场景，并建立了完整的理论分析框架。未来研究方向可扩展到多用户场景、智能反射面辅助传输等更复杂的应用场景，进一步提升系统性能和应用范围。