GEO衛(wèi)星移動通信MIMO傳輸技術研究.pdf

1、地球同步軌道(GEO，Geostationary Earth Orbit)衛(wèi)星移動通信利用GEO人造地球衛(wèi)星作為中繼為地面移動用戶建立無線鏈接，是一種重要的移動通信方式。多波束覆蓋將成為下一代GEO衛(wèi)星移動通信系統(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)揮多波束空分復用的優(yōu)勢，但是同頻組網(wǎng)會受到嚴重的波束間干擾(IBI，Inter-Beam-Interference)。將同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動信道視為一個多

2、輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)信道，并采用MIMO傳輸技術，可以有效減小IBI從而發(fā)揮多波束覆蓋的優(yōu)勢。本論文開展適用于同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動通信的MIMO傳輸技術研究。
　　首先，基于同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動通信MIMO信道統(tǒng)計模型，研究了同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動信道遍歷容量，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)對同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動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)計信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)的可達和速率估計方法，進而提出一種基于統(tǒng)計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)星移動信道的統(tǒng)計特性，建立了同頻組網(wǎng)雙極化

4、多波束GEO衛(wèi)星移動MIMO信道統(tǒng)計模型，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信道遍歷容量的影響。仿真結果顯示，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信道遍歷容量的影響越大。進而提出一種基于統(tǒng)計CSI同頻組網(wǎng)雙極化多波束GEO衛(wèi)星移動通信可達和速率估計方法，以及相應的和速率優(yōu)化用戶調(diào)度方法，并結合和速率優(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)星移動通信的比例公平用戶調(diào)度方法。仿真結果表明，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，針對同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動通信上行MIMO傳輸，提出一種分布式迭代檢測譯碼方法，可將有害的IBI轉化為有用的信號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)迭代檢測譯碼方法在有數(shù)百個波束的多波束GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中運算復雜

6、度太高。所提方法利用迫近消息傳遞(AMP，Approximate Message Passing)算法作為檢測器，結合低密度奇偶校驗碼軟輸入軟輸出譯碼實現(xiàn)了分布式的多波束上行迭代檢測譯碼。分布式算法把一個大計算任務拆分成多個小計算任務，然后由多個相互獨立的運算單元同時工作以完成運算，既可以減小對單個處理器運算能力的依賴以便于實現(xiàn)，同時又可以提高運算速度。所提方法不但計算復雜度低，而且具有比傳統(tǒng)MMSE迭代檢測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迭代檢測譯碼更低的誤碼率。
　　最后，針對同頻組網(wǎng)多波束GEO衛(wèi)星移動通信下行MIMO傳輸，提出一種分布式多波束聯(lián)合預編碼方法。多波束聯(lián)合預編碼可以減小下行傳輸IBI，但是傳統(tǒng)的正則化(RZF，Regularized Zero-Forcing)預編碼在有數(shù)百個波束的多波束GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中運算復雜度太高。通過引入AMP算法提出一種分布式GEO衛(wèi)星移動通信下行多波束聯(lián)合預編碼方法，可以極大降低運算復

8、雜度。在此基礎上，進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，提出一種混合消息傳遞算法，不但收斂速度快，計算