面向 LEO 卫星通信的大规模 MIMO 传输

低地球轨道（LEO）卫星通信有望被纳入未来无线网络，特别是 5G 及更先进网络，以提供具有增强数据速率的全球无线接入。大规模 MIMO 技术虽已广泛应用于地面通信系统，却尚未应用于 LEO 卫星通信系统。本文提出一种具有全频率复用（FFR）的大规模 MIMO 传输方案用于 LEO 卫星通信系统，并利用统计信道状态信息（sCSI）以解决发射端获取瞬时 CSI（iCSI）的困难。我们首先建立 LEO 卫星通信的大规模 MIMO 信道模型，并通过在用户端（UTs）执行多普勒与延迟补偿来简化传输设计。随后，我们以闭式开发基于低复杂度 sCSI 的下行链路（DL）预编码器与上行链路（UL）接收机，分别旨在最大化平均信漏噪比（ASLNR）与平均信干噪比（ASINR）。研究表明，在某些信道条件下所有 UTs 的 DL ASLNR 与 UL ASINR 均达到其上界。受此启发，我们提出一种基于空间角度的用户分组（SAUG）算法，将服务中的 UTs 调度至不同组，每组 UTs 使用相同的时间与频率资源。所提算法在渐近意义上最优，即当卫星天线数或 UT 组数足够大时，可达速率的下界与上界重合。数值结果表明，所提带 FFR 的大规模 MIMO 传输方案显著提升了 LEO 卫星通信系统的数据速率。值得注意的是，所提基于 sCSI 的预编码器与接收机取得了与基于 iCSI 者相近的性能，而后者在实践中常不可行。