GEO卫星移动通信MIMO传输技术研究

摘要

地球同步轨道(GEO，Geostationary Earth Orbit)卫星移动通信利用GEO人造地球卫星作为中继为地面移动用户建立无线链接，是一种重要的移动通信方式。多波束覆盖将成为下一代GEO卫星移动通信系统提高传输速率的主要手段。理论上，多波束同频组网可以在最大程度上发挥多波束空分复用的优势，但是同频组网会受到严重的波束间干扰(IBI，Inter-Beam-Interference)。将同频组网多波束GEO卫星移动信道视为一个多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)信道，并采用MIMO传输技术，可以有效减小IBI从而发挥多波束覆盖的优势。本论文开展适用于同频组网多波束GEO卫星移动通信的MIMO传输技术研究。
　　首先，基于同频组网多波束GEO卫星移动通信MIMO信道统计模型，研究了同频组网多波束GEO卫星移动信道遍历容量，提出一种闭式形式信道遍历容量上界，揭示了波束增益矩阵、自由空间损耗、莱斯因子、阴影遮蔽、以及发射信噪比等信道参数对同频组网多波束GEO卫星移动信道遍历容量的影响。利用所提信道遍历容量上界提出一种基于统计信道状态信息(CSI，Channel State Information)的可达和速率估计方法，进而提出一种基于统计CSI的和速率优化用户调度方法。所提和速率优化用户调度方法可以保证系统和速率以及平均每用户传输速率均足够大。
　　其次，研究了采用双极化多波束阵列天线的GEO卫星移动信道的统计特性，建立了同频组网双极化多波束GEO卫星移动MIMO信道统计模型，揭示了用户所处环境、用户位置分布、天线交叉极化鉴别度、以及莱斯因子等因素对信道遍历容量的影响。仿真结果显示，重阴影用户越多信道遍历容量越小，用户分布越靠近波束中心信道遍历容量越大，信道莱斯因子越大天线交叉极化鉴别度对信道遍历容量的影响越大。进而提出一种基于统计CSI同频组网双极化多波束GEO卫星移动通信可达和速率估计方法，以及相应的和速率优化用户调度方法，并结合和速率优化调度和经典的比例公平调度，给出一种适用于双极化多波束GEO卫星移动通信的比例公平用户调度方法。仿真结果表明，引入比例公平算法后调度的公平性得到极大优化。
　　然后，针对同频组网多波束GEO卫星移动通信上行MIMO传输，提出一种分布式迭代检测译码方法，可将有害的IBI转化为有用的信号从而有效降低传输误码率。传统的最小均方误差(MMSE，Minimum Mean-Square Error)迭代检测译码方法在有数百个波束的多波束GEO卫星移动通信系统中运算复杂度太高。所提方法利用迫近消息传递(AMP，Approximate Message Passing)算法作为检测器，结合低密度奇偶校验码软输入软输出译码实现了分布式的多波束上行迭代检测译码。分布式算法把一个大计算任务拆分成多个小计算任务，然后由多个相互独立的运算单元同时工作以完成运算，既可以减小对单个处理器运算能力的依赖以便于实现，同时又可以提高运算速度。所提方法不但计算复杂度低，而且具有比传统MMSE迭代检测译码更大的迭代增益，通过相同次数迭代，可以获得比MMSE迭代检测译码更低的误码率。
　　最后，针对同频组网多波束GEO卫星移动通信下行MIMO传输，提出一种分布式多波束联合预编码方法。多波束联合预编码可以减小下行传输IBI，但是传统的正则化(RZF，Regularized Zero-Forcing)预编码在有数百个波束的多波束GEO卫星移动通信系统中运算复杂度太高。通过引入AMP算法提出一种分布式GEO卫星移动通信下行多波束联合预编码方法，可以极大降低运算复杂度。在此基础上，进一步提出了干扰消除置信传播(IC-MP，Interference Cancelation Message Passing)算法。在低信噪比场景中IC-MP算法的收敛速度、每波束传输速率、以及均方误差(MSE，Mean-Square Error)均优于AMP算法，但是在高信噪比场景中AMP算法每波束传输速率和MSE均优于IC-MP算法。综合AMP算法和IC-MP算法的优点，提出一种混合消息传递算法，不但收敛速度快，计算量小，而且收敛后的传输速率和MSE均优于传统的RZF算法。

目录

声明

摘要

符号说明

英文缩略语表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 GEO卫星移动通信

1．1．2 多波束GEO卫星移动通信

1．2 研究历史与现状

1．3 论文研究工作

第二章 多波束GEO卫星移动通信遍历容量上界及和速率优化用户调度

2．1 引言

2．2 信道统计模型

2．3 信道遍历容量上界

2．4 和速率优化用户调度

2．4．1 和速率优化用户调度

2．4．2 基于统计CSI的和速率估计方法

2．4．3 贪婪搜索算法

2．5 计算机仿真

2．6 本章小结

第三章 双极化多波束GEO卫星移动通信比例公平调度

3．1 引言

3．2 信道统计模型

3．3 比例公平调度

3．3．1 比例公平调度算法

3．3．2 基于统计CSI的可达和速率估计方法

3．3．3 贪婪搜索算法

3．4 计算机仿真

3．5 本章小结

第四章 多波束GEO卫星移动通信上行联合迭代检测译码

4．1 引言

4．2 迭代检测译码

4．3 基于AMP算法的迭代检测译码

4．3．1 AMP检测

4．3．2 无迭代AMP检测及译码

4．3．3 AMP迭代检测译码

4．4 计算机仿真

4．5 本草小-结

第五章 多波束GEO卫星移动通信下行联合预编码

5．1 引言

5．2 联合预编码

5．3 基于AMP算法的联合预编码

5．4 混合消息传递算法

5．4．1 IC-MP算法

5．4．2 混合消息传递算法

5．5 计算机仿真

5．6 本章小结

第六章 总结

参考文献

作者攻读博士学位期间发表与投递的论文

作者攻读博士学位期间授权与申请的专利

致谢