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低轨宽带卫星移动通信系统OFDM传输技术研究

关庆阳  
【摘要】:空天地一体化信息网络是当前通信领域的研究热点。低轨宽带卫星移动通信系统将随时随地为各种接入用户终端提供宽带服务,成为空天地一体化信息网络的重要组成部分。低轨宽带卫星移动通信系统信道具有频率选择性衰落特性、并且系统频带资源受限,因此需要通信链路所采用的传输技术不仅仅能够抗信道频率选择性衰落,而且具有较高的频带利用率。正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiple, OFDM)是一种采用正交子载波进行信息传输技术,具有抗信道频率选择性衰落能力,并且具有较高的频带利用率;同时可以进行子载波灵活分配以实现低轨宽带卫星系统上、下行链路用户业务的非对称传输。因此研究低轨宽带卫星移动通信系统OFDM传输技术具有重要意义。 在这样的背景下,本文针对低轨宽带卫星移动通信系统的OFDM传输技术进行研究,以下是研究的几个主要方面。 第一,低轨宽带卫星移动通信系统的OFDM传输技术适用性研究。首先针对低轨宽带卫星系统的典型仿真场景信道统计特性进行描述,针对低轨宽带卫星的通信系统上、下行链路,分别采用DFT-S OFDM(Discrete Fourier Transformation Spread Orthogonal Frequency Division Multiple),OFDM建立链路模型。根据低轨宽带卫星移动通信信道特性,分析研究了上、下行链路DFT-S OFDM与OFDM传输体制抗信道多径衰落性能、多普勒频移下性能,峰均比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)性能,及高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道下性能。证明OFDM传输技术在低轨宽带卫星移动通信系统中具有适用性,从而为后面章节的低轨宽带卫星移动通信系统的OFDM传输技术研究奠定基础。 第二,低轨宽带卫星系统DFT-S OFDM上行链路用户检测方法。针对传统单用户信号检测算法不能跟踪低轨宽带卫星时变信道,提出一种改进递归最小二乘(Recursive Least Squares, RLS)单用户信号检测算法;该算法能够对时变信道进行较好跟踪,以适应低轨宽带卫星系统信道的时变性。针对低轨宽带卫星移动通信系统上行链路的多用户由于频偏差异引入接入干扰,传统并行干扰消除(Parallel Interference Cancellation, PIC)算法或者串行干扰消除(Successive Interference Cancellation, SIC)算法干扰消除精度不高,迭代次数过多的问题,提出一种最优权值并行干扰消除(Optimal Weight Parallel Interference Cancellation, OWPIC)算法消除多用户接入干扰(Multi-user Access Interference, MUI),该算法干扰消除精度较高与迭代次数较低。 第三,低轨宽带卫星系统OFDM下行链路信号检测方法。由于较大载波频偏破坏OFDM的子载波正交性而引入干扰,针对传统频偏干扰消除算法的复杂度过高,频偏消除范围有限,提出一种低复杂度的时频联合最小均方误差(Time and Frequency Domain Least Mean Square, TF-LMS)算法来消除频偏干扰。该算法对于较大频偏引入干扰有较好的消除性能。针对低轨宽带卫星服务诸如城区等信道多径衰落严重的场景,提出一种联合信道及载波频偏干扰消除的频域空间选择性期望最大化(Frequency Space Alternating Generalized Expectation Maximization, FSAGE)算法。该算法首先进行频域频偏预估计及预消除,然后进行联合信道及频偏干扰的精跟踪及消除。为了降低低轨宽带卫星移动通信系统传输信号的冗余信息,提高信号传输效率,提出一种级联的MCMA-RLS(Modified Constant Modulus and Recursive Least Squares Algorithm)用户信号盲检测算法。该算法无需采用训练序列并且收敛速度较快。 第四,低轨宽带卫星OFDM系统资源分配方法。为了提高上行链路用户终端功率利用率,提出一种基于星上功率检测的用户功率控制算法,有效降低用户功率损耗。针对保证低轨宽带卫星服务不同用户业务的速率比例以及用户传输速率的最优化,提出一种低复杂度的均分联合功率、载波、比特资源分配算法。该算法首先在保证接入用户的速率比例的条件下,通过功率、子载波均分的方式降低资源分配的复杂度,并且在一定程度上满足用户传输速率最大化的需求。 第五,低轨宽带卫星OFDM系统链路吞吐量分析。结合自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding, AMC)建立链路模型,对接入用户的链路吞吐量进行分析。通过与低轨宽带卫星多频时分多址接入(Muti-Frequency Time Division Multiple, MF-TDMA)通信系统的链路吞吐量进行比较,表明低轨宽带卫星OFDM系统具有更好的链路吞吐量性能。


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