基于LTE的卫星移动通信系统下行链路研究

摘要

卫星移动通信系统应用范围日益广泛，并且没有地理条件方面的约束，信号可以覆盖地理位置偏远、条件复杂的高原地区、边远地区，尤其是2008年四川爆发的汶川特大地震，地面上的基站大部分都发生了瘫痪，在这样的形势下卫星通信系统发挥了重要的作用，使得人民的生命安全与财产安全得到了及时的保障，降低了灾难带来的损失。所以，卫星移动通信的快速发展，对我国未来的发展具有重大的战略意义。本文研究卫星移动通信系统下行链路传输技术。 首先，研究了卫星通信传输信道的特征，讨论了频率选择性衰落信道的特性，着重研究了大气吸收损耗和降雨率对卫星通信信道产生的影响。同时以DAH雨衰预测模型为基础，分别研究工作频率、通信仰角和地区降雨率与雨衰值之间的关系。最后介绍了常用的描述信道特性的概率分布函数。 随后，研究了宽带移动卫星信道概率统计模型。对宽带移动卫星信道的衰落特性进行分析，并建立宽带移动卫星信道的广义平稳非相关散射模型。最后完成宽带移动卫星信道的实现与仿真，对原有的正弦波叠加法进行了改进和补充，将随机性加入到了正弦波叠加法中，通过时域和频域分析验证了模型的准确性。 接着，研究了宽带卫星移动通信系统的下行导频设计与信道估计方法，提出了在大规模MIMO下的最优导频序列设计。大规模MIMO最优导频设计准则是基于LS的信道估计使最坏情况MSE最小化。在大规模MIMO环境下，导频频序列集合满足最佳自相关性和威尔士界。通过采用Chu序列进行最优导频设计，在给定序列长度和可同时使用导频序列最大数目时，推导出导频序列集合的最大上界值。仿真结果表明，所提出的导频序列可以提高MSE性能和系统性能。最后，讨论了LS估计、MMSE估计和传统的DFT估计等几种常见的信道估计方法。为了进一步提高估计的准确性，提出了基于对称扩展的DFT信道估计算法，仿真结果验证了其有效性。 最后，研究了宽带卫星移动通信系统的下行同步估计方法，首先介绍了基于循环前缀的同步算法，该算法利用OFDM系统中循环前缀的特殊结构进行同步，实现复杂度较低。随后利用最大似然准则条件，分别通过对信道建模为确定性的未知变量和符合瑞利衰落的随机变量两种方法，推导了MIMO-OFDM系统的定时估计，在此基础上，提取了一种具有一般意义的估计表达式，并提出了一种基于窗函数的同步算法，并通过仿真说明了不同窗函数对同步性能的影响。仿真结果表明，基于多能量窗的同步算法性能优于基于其它窗函数的同步算法。此外，通过仔细的选取窗函数，可以获得接近多径能量窗算法的性能，因为不需要估计信道的自相关矩阵，更具有低复杂度和鲁棒性。