低軌小衛(wèi)星移動通信與定位關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來低軌小衛(wèi)星移動通信技術(shù)引起人們廣泛關(guān)注。低軌衛(wèi)星移動通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)通信全球化、個(gè)人化和寬帶化的重要手段，利用小衛(wèi)星是突破這一技術(shù)面臨的諸多瓶頸的重要手段之一。本文根據(jù)低軌衛(wèi)星移動通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，對在小衛(wèi)星條件下低軌移動通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括媒體接入控制協(xié)議、低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的路由和重路由技術(shù)、低軌衛(wèi)星移動通信的功率增益估計(jì)和利用低軌衛(wèi)星進(jìn)行定位等幾個(gè)方面進(jìn)行了較為深入的研究。 第一章為緒論，首先介紹了現(xiàn)代小

2、衛(wèi)星系統(tǒng)的概念，列舉了小衛(wèi)星系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢，然后介紹了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的幾種類型和發(fā)展現(xiàn)狀，指明了衛(wèi)星移動通信發(fā)展中面臨的主要問題，說明了小衛(wèi)星系統(tǒng)用于衛(wèi)星移動通信所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，并介紹了本論文取得的成果和內(nèi)容安排。 第二章研究了低軌衛(wèi)星通信中的媒質(zhì)控制層(MAC)協(xié)議，首先對衛(wèi)星通信中的MAC協(xié)議和影響MAC協(xié)議性能的因素進(jìn)行了說明，分析了傳統(tǒng)預(yù)約多址協(xié)議PRMA在衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境下的性能，在此基礎(chǔ)上提出了一種具有擁塞

3、控制功能的衛(wèi)星預(yù)約多址協(xié)議PRMA-AC并建立了協(xié)議的數(shù)學(xué)分析模型。該協(xié)議主要解決在大時(shí)延、大用戶數(shù)量情況下支持實(shí)時(shí)通信的問題，協(xié)議在衛(wèi)星PRMA-HS協(xié)議基礎(chǔ)上引入接入控制機(jī)制。本章通過該協(xié)議的MARKOV狀態(tài)轉(zhuǎn)移穩(wěn)態(tài)方程，建立了協(xié)議的理論分析模型，深入分析了該協(xié)議的吞吐率、丟包率等性能指標(biāo)，通過仿真驗(yàn)證了理論公式的正確性，并與現(xiàn)有其他衛(wèi)星預(yù)約多址PRMA協(xié)議進(jìn)行了對比，說明了該協(xié)議的比較優(yōu)勢。本章還對另一種ALOHA協(xié)議在小衛(wèi)星應(yīng)用

4、背景下的性能改進(jìn)方案進(jìn)行了研究，提出了可自適應(yīng)調(diào)整終端發(fā)送概率，并利用CDMA技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)負(fù)荷能力的自適應(yīng)時(shí)隙ALOHA/CDMA協(xié)議，該協(xié)議用于支持小衛(wèi)星系統(tǒng)在熱點(diǎn)地區(qū)大量終端情況下的猝發(fā)式數(shù)據(jù)通信。仿真分析表明該協(xié)議在大容量情況下，系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng)，能夠滿足工程需要。 第三章研究了含星際鏈路的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由和重路由算法，提出了基于地理網(wǎng)格映射的路由策略，以及基于最短K路由算法的時(shí)延抖動抑制的重路由優(yōu)化算法。本章首先對目前在

5、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究中提出的路由策略和算法進(jìn)行了介紹，然后針對時(shí)延及時(shí)延抖動性能要求較高的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，提出了基于地理網(wǎng)格區(qū)域映射的衛(wèi)星路由策略。基于地理網(wǎng)格區(qū)域映射的路由策略將用戶終端歸屬于地面上按地理位置劃分好的網(wǎng)格區(qū)域中，類似于地面移動通信中的服務(wù)區(qū)概念，簡化了鏈路初始建立的過程。最短K路由的星際鏈路路由算法和重路由優(yōu)化算法在網(wǎng)格映射路由策略的基礎(chǔ)上對星座拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)的路由重新選擇方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。算法首先在當(dāng)前拓?fù)涞牟介L間隔內(nèi)根據(jù)源—目

6、的節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星對計(jì)算出路徑時(shí)延按從小到大排列的K個(gè)路由，構(gòu)成當(dāng)前步長間隔內(nèi)的備選路由。然后通過重路由優(yōu)化算法，在整個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的備選路由中選擇前后步長時(shí)間內(nèi)時(shí)延差最小的路由，以此滿足時(shí)延抖動最小化的要求。通過離線計(jì)算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表并上載到衛(wèi)星上的方式，算法能夠適應(yīng)小衛(wèi)星平臺較低的計(jì)算能力，可支持低軌星座星際鏈路網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信，并有助于衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)路由策略的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。 第四章對低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率增益預(yù)測算法進(jìn)行了

7、研究，提出了一種基于模糊推理規(guī)則的LMS自適應(yīng)功率增益預(yù)測算法。該章首先說明了低軌衛(wèi)星信道的非線性時(shí)變特性，并對現(xiàn)有的幾種預(yù)測信道功率增益的算法進(jìn)行了分析比較，說明了現(xiàn)有方法在非線性信道中預(yù)測長期衰落方面的局限性，然后提出了該算法。本算法利用了兩種不同的輸入數(shù)據(jù)類型形成模糊判決規(guī)則，通過判決規(guī)則構(gòu)造預(yù)測器，并利用自適應(yīng)算法調(diào)整預(yù)測器的參數(shù)，從而使算法能夠跟蹤信道的變化。算法利用了信道增益的觀測值及其滑動平均兩種不同的輸入數(shù)據(jù)類型，較傳統(tǒng)

8、預(yù)測算法中只利用單一的增益觀測值作為輸入，提高了判決的準(zhǔn)確性，文中同時(shí)完整推導(dǎo)了判決函數(shù)參數(shù)的自適應(yīng)更新公式，通過仿真驗(yàn)證了公式的正確性和預(yù)測算法的有效性。 第五章首先介紹了低軌衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，說明了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中主要采用的定位體制和算法，并對之進(jìn)行了分析，隨后提出了低軌定位幾何精度擴(kuò)散因子的概念，推導(dǎo)了低軌定位幾何精度擴(kuò)散因子的計(jì)算表達(dá)式。利用該式分析了影響低軌衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度的因素，并據(jù)此提出了利用靜止軌道衛(wèi)星輔助低軌衛(wèi)