GEO宽带多媒体通信卫星系统动态信道分配算法研究

摘要

进入20世纪90年代后期，民用和军用两方面需求都推动着宽带多媒体通信卫星系统的发展。在民用通信领域，由于多媒体业务已经深入到人们的日常生活当中，全天候、多地域、大容量的多媒体通信业务已成为市场的必然需求；在军用通信领域，语音、数据、图像和视频等战地信息的实时共享已经成为现代战争中最为关键的任务。为了满足用户对于多媒体通信的迫切需求，各国都将宽带多媒体通信网络的建设作为通信基础设施的重点发展方向，致力于建设一个融合空间和地面宽带通信的天地一体化通信网络体系。作为其中的重要组成部分，GEO宽带多媒体通信卫星系统的研究受到了广泛的重视。
　　随着卫星通信频谱资源的逐渐紧张，传统的固定信道分配方式由于只能实现较低的信道利用率，已经不能满足日益增长的用户需求，因此，动态信道分配成为GEO宽带多媒体通信卫星系统中的一个重要问题。动态信道分配算法设计必须重点考虑系统延时和算法复杂性：由于卫星处于同步静止轨道，信号的传输时延较长，如果算法的系统延时过长可能导致当信道分配方案传递到目的地面站时已经“无效”了；另一方面，由于星上设备处理能力有限，动态信道分配算法的复杂性不能过高。本文重点研究基于演化计算的动态信道分配算法设计过程中的几个问题：
　　第一，GEO宽带多媒体通信卫星系统的体系结构研究。信道分配算法必须依存于一个特定的卫星系统，因此，本文首先研究GEO宽带多媒体通信卫星系统的体系结构，并且针对卫星的有效载荷、地面网络控制中心、关口站和用户终端提出相应的设计方案。
　　第二，GEO宽带多媒体通信卫星系统的信息链路接入体制研究。信道分配算法的设计依赖于信息链路的接入体制，不同的接入体制适用不同的信道分配方案。本文针对卫星系统上、下行信息链路的不同业务需求，提出上行链路采用MF-TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式的接入体制，并据此设计了相应的信息帧格式和捕获同步方案，利用OPNET仿真软件对其性能进行仿真分析。
　　第三，GEO宽带多媒体通信卫星系统多波束天线对中国大陆地区优化覆盖的研究。卫星天线点波束数量是所能分配信道的集合，因此，在设计动态信道分配算法之前，必须先确定点波束的数量。由于本文研究的卫星系统只针对中国大陆地区的用户，所以需要对点波束的数量进行优化，在能够保证对中国大陆完全覆盖的前提下，尽量减少点波束的数量，从而降低转发器的负担。据此，本文提出一种多波束覆盖优化算法，并利用MATLAB仿真软件对其性能进行仿真验证。
　　第四，GEO宽带多媒体通信卫星系统业务模型和干扰模型研究。信道分配的具体算法是基于干扰和业务的，也就是说，系统要根据所承载的业务来分配信道，同时必须满足系统的干扰容限。本文在研究原有的传统业务源模型的基础上，根据多媒体业务突发性强的特性，提出采用自相似过程来拟合卫星系统的业务信源模型，并对自相似业务流的特点、产生方法以及估计方法进行系统阐述。仿真结果表明，具有不同自相似特征参数的业务流进行聚合后，该聚合流仍然具有自相似的特点，并且用来表征自相似特性的参数H，非常接近具有最大自相似参数业务流的H值，也就是聚合后业务流的突发性和具有最强突发业务的信源的突发性一致。
　　第五，基于演化计算的动态信道分配算法研究。本文首先对GEO宽带多媒体通信卫星系统的动态信道分配问题进行数学建模，提出利用演化计算来求解该问题的思想，并设计出演化算子、演化计算的核心算法以及其它功能函数。本文以理论和仿真方法分析了基于经典算法、神经网络算法和演化计算的动态信道分配算法的系统延时性能和呼损率性能，指出基于演化计算的动态信道分配算法更加适用于GEO宽带多媒体通信卫星系统。

目录

GEO宽带多媒体通信卫星系统动态信道分配算法研究

DYMATIC CHANNEL ASSIGNMENT ALGORITHM FOR GEO BROAD-BAND MULTI-MEDIA COMMUNICATION SATELLITE SYSTEM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 宽带多媒体通信卫星系统的发展趋势

1.2 GEO宽带多媒体通信卫星系统中的关键技术

1.3 课题来源及研究的目的与意义

1.4 卫星信道分配问题研究现状分析

1.5 演化算法研究

1.6 学位论文的主要研究内容

1.7 学位论文的组成结构

第2章 宽带多媒体卫星通信体制和多波束覆盖研究

2.1 引言

2.2 GEO宽带多媒体通信卫星系统体系结构设计

2.3 GEO宽带多媒体通信卫星系统接入方式研究

2.4 GEO宽带多媒体通信卫星系统对国土的多波束覆盖研究

2.5 本章小结

第3章 信道分配问题中的业务模型和干扰分析

3.1 引言

3.2 语音业务信源模型

3.3 数据业务信源模型

3.4 多媒体业务信源模型

3.5 GEO宽带多媒体通信卫星系统业务模型

3.6 GEO宽带多媒体通信卫星系统干扰分析

3.7 本章小结

第4章 基于演化计算的动态信道分配算法研究

4.1 引言

4.2 GEO宽带多媒体通信卫星系统的动态信道分配问题

4.3 动态信道分配问题的数学模型

4.4 演化算法

4.5 利用演化计算求解动态信道分配问题

4.6 基于演化计算的动态信道分配算法仿真分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历