GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信MIMO傳輸技術(shù)研究.pdf

1、地球同步軌道(GEO，Geostationary Earth Orbit)衛(wèi)星移動(dòng)通信利用GEO人造地球衛(wèi)星作為中繼為地面移動(dòng)用戶建立無線鏈接，是一種重要的移動(dòng)通信方式。多波束覆蓋將成為下一代GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)提高傳輸速率的主要手段。理論上，多波束同頻組網(wǎng)可以在最大程度上發(fā)揮多波束空分復(fù)用的優(yōu)勢(shì)，但是同頻組網(wǎng)會(huì)受到嚴(yán)重的波束間干擾(IBI，Inter-Beam-Interference)。將同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)信道視為一個(gè)多

2、輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)信道，并采用MIMO傳輸技術(shù)，可以有效減小IBI從而發(fā)揮多波束覆蓋的優(yōu)勢(shì)。本論文開展適用于同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信的MIMO傳輸技術(shù)研究。
　　首先，基于同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信MIMO信道統(tǒng)計(jì)模型，研究了同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)信道遍歷容量，提出一種閉式形式信道遍歷容量上界，揭示了波束增益矩陣、自由空間損耗、萊斯因子、陰影遮蔽

3、、以及發(fā)射信噪比等信道參數(shù)對(duì)同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)信道遍歷容量的影響。利用所提信道遍歷容量上界提出一種基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)的可達(dá)和速率估計(jì)方法，進(jìn)而提出一種基于統(tǒng)計(jì)CSI的和速率優(yōu)化用戶調(diào)度方法。所提和速率優(yōu)化用戶調(diào)度方法可以保證系統(tǒng)和速率以及平均每用戶傳輸速率均足夠大。
　　其次，研究了采用雙極化多波束陣列天線的GEO衛(wèi)星移動(dòng)信道的統(tǒng)計(jì)特性，建立了同頻組網(wǎng)雙極化

4、多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)MIMO信道統(tǒng)計(jì)模型，揭示了用戶所處環(huán)境、用戶位置分布、天線交叉極化鑒別度、以及萊斯因子等因素對(duì)信道遍歷容量的影響。仿真結(jié)果顯示，重陰影用戶越多信道遍歷容量越小，用戶分布越靠近波束中心信道遍歷容量越大，信道萊斯因子越大天線交叉極化鑒別度對(duì)信道遍歷容量的影響越大。進(jìn)而提出一種基于統(tǒng)計(jì)CSI同頻組網(wǎng)雙極化多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信可達(dá)和速率估計(jì)方法，以及相應(yīng)的和速率優(yōu)化用戶調(diào)度方法，并結(jié)合和速率優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)典的比例公平調(diào)度

5、，給出一種適用于雙極化多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信的比例公平用戶調(diào)度方法。仿真結(jié)果表明，引入比例公平算法后調(diào)度的公平性得到極大優(yōu)化。
　　然后，針對(duì)同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信上行MIMO傳輸，提出一種分布式迭代檢測(cè)譯碼方法，可將有害的IBI轉(zhuǎn)化為有用的信號(hào)從而有效降低傳輸誤碼率。傳統(tǒng)的最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean-Square Error)迭代檢測(cè)譯碼方法在有數(shù)百個(gè)波束的多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中運(yùn)算復(fù)雜

6、度太高。所提方法利用迫近消息傳遞(AMP，Approximate Message Passing)算法作為檢測(cè)器，結(jié)合低密度奇偶校驗(yàn)碼軟輸入軟輸出譯碼實(shí)現(xiàn)了分布式的多波束上行迭代檢測(cè)譯碼。分布式算法把一個(gè)大計(jì)算任務(wù)拆分成多個(gè)小計(jì)算任務(wù)，然后由多個(gè)相互獨(dú)立的運(yùn)算單元同時(shí)工作以完成運(yùn)算，既可以減小對(duì)單個(gè)處理器運(yùn)算能力的依賴以便于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又可以提高運(yùn)算速度。所提方法不但計(jì)算復(fù)雜度低，而且具有比傳統(tǒng)MMSE迭代檢測(cè)譯碼更大的迭代增益，通過相同

7、次數(shù)迭代，可以獲得比MMSE迭代檢測(cè)譯碼更低的誤碼率。
　　最后，針對(duì)同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信下行MIMO傳輸，提出一種分布式多波束聯(lián)合預(yù)編碼方法。多波束聯(lián)合預(yù)編碼可以減小下行傳輸IBI，但是傳統(tǒng)的正則化(RZF，Regularized Zero-Forcing)預(yù)編碼在有數(shù)百個(gè)波束的多波束GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中運(yùn)算復(fù)雜度太高。通過引入AMP算法提出一種分布式GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信下行多波束聯(lián)合預(yù)編碼方法，可以極大降低運(yùn)算復(fù)

8、雜度。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了干擾消除置信傳播(IC-MP，Interference Cancelation Message Passing)算法。在低信噪比場(chǎng)景中IC-MP算法的收斂速度、每波束傳輸速率、以及均方誤差(MSE，Mean-Square Error)均優(yōu)于AMP算法，但是在高信噪比場(chǎng)景中AMP算法每波束傳輸速率和MSE均優(yōu)于IC-MP算法。綜合AMP算法和IC-MP算法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種混合消息傳遞算法，不但收斂速度快，計(jì)算