多波束衛(wèi)星通信中的MIMO相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、隨著人們對高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷增長以及陸地移動通信速率的不斷提升，衛(wèi)星通信作為陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)的重要補充以及未來空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中必不可少的組成部分，亟需提高數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)吞吐量。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù)通過引入空間維度，能夠在不增加帶寬的條件下極大地提高系統(tǒng)容量。因此，如何利用MIMO技術(shù)提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)吞吐量已成為一個重要的研究課題。由于多波束衛(wèi)星系統(tǒng)能

2、夠通過頻率復(fù)用提高系統(tǒng)吞吐量，是實現(xiàn)未來高吞吐量衛(wèi)星通信的一種重要方案。因此，本文重點研究多波束衛(wèi)星通信中的MIMO相關(guān)技術(shù)。
　　本文首先簡要描述了多波束衛(wèi)星系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上建立了多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)模型，分析了多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)的特點。然后，主要針對多波束衛(wèi)星系統(tǒng)前向鏈路、反向鏈路和多波束雙極化衛(wèi)星系統(tǒng)中的 MIMO技術(shù)展開深入研究，主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　第一，研究多波束衛(wèi)星系統(tǒng)前向鏈路

3、預(yù)編碼技術(shù)。建立多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)前向鏈路模型，分析三種經(jīng)典預(yù)編碼算法在前向鏈路中的性能。針對格基約減輔助TH預(yù)編碼(LatticeReduction aided Tomlinson-HarishimaPrecoding,LR-THP)算法運算復(fù)雜度高的問題，在一種高性能分組預(yù)編碼算法的基礎(chǔ)上，考慮多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)特點，提出一種基于信漏噪比(Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio,SLNR)的低復(fù)

4、雜度分組預(yù)編碼算法。該算法能夠充分利用多波束衛(wèi)星MIMO信道特點，降低預(yù)編碼矩陣求解時的維度，從而減小算法運算量。但是，上述算法需要多次廣義特征分解，運算復(fù)雜度仍然較高。為了進一步降低預(yù)編碼算法復(fù)雜度，提出一種基于廣義最小均方誤差信道反轉(zhuǎn)(Generalized Minimum Mean Squared Error Channel Inversion,GMI)的分組預(yù)編碼算法。該算法利用GMI和QR分解求解預(yù)編碼矩陣，從而避免了廣義特征

5、分解，使算法具有更低的運算量。復(fù)雜度分析及仿真結(jié)果表明提出的兩種預(yù)編碼算法相比LR-THP均能夠有效地降低運算復(fù)雜度。另外，與原分組預(yù)編碼算法相比，提出的兩種預(yù)編碼算法均具有更低的運算復(fù)雜度，其中基于GMI的分組預(yù)編碼算法復(fù)雜度最低，同時能夠獲得與原分組預(yù)編碼算法相近的性能。
　　第二，研究多波束衛(wèi)星系統(tǒng)反向鏈路多用戶檢測技術(shù)。建立多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)反向鏈路模型，分析經(jīng)典多用戶檢測算法在多波束衛(wèi)星信道下的性能。針對串行干擾消除

6、檢測算法用于多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)時運算量大且處理時延長的問題，提出一種適用于多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度分組干擾消除檢測算法。該算法按波束間距離對用戶分組，在檢測并消除某關(guān)鍵用戶組干擾后，對其余用戶組信號進行并行檢測，從而減小處理時延并降低算法運算量。仿真實驗驗證了所提算法的優(yōu)異性能。最大似然檢測算法能夠獲得最優(yōu)的檢測性能，但運算復(fù)雜度很高。針對這一問題，提出一種混合最大似然/分組干擾消除檢測算法。該算法同樣將用戶按波束間距離分組

7、，組內(nèi)采用最大似然檢測，組間干擾消除則利用多波束衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)特點，通過混合串行/并行干擾消除完成。仿真結(jié)果證明所提算法能夠以較低的運算復(fù)雜度獲得接近最大似然檢測的性能。
　　第三，研究多波束雙極化衛(wèi)星系統(tǒng)MIMO技術(shù)。在多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中，將波束間全頻率復(fù)用和波束內(nèi)雙極化方案結(jié)合，構(gòu)建更大規(guī)模的多波束雙極化衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)。研究多波束雙極化衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)前向鏈路和反向鏈路能夠達到的鏈路容量，以及塊對角化(Block Diago

8、nalization,BD)類型的預(yù)編碼算法在多波束雙極化衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)前向鏈路中的性能。隨后，針對多波束雙極化衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)前向鏈路，設(shè)計一種基于BCH-LDPC碼的MIMO傳輸方案，并結(jié)合Turbo迭代檢測譯碼算法獲得優(yōu)異的系統(tǒng)性能。針對Turbo迭代檢測譯碼算法運算復(fù)雜度高的問題，提出一種適用于級聯(lián)編碼MIMO系統(tǒng)的外碼譯碼反饋迭代檢測譯碼算法。該算法在Turbo迭代檢測譯碼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入外碼譯碼反饋，利用外碼硬判決譯碼信息