多波束宽带卫星通信系统的预编码方法研究

发布时间：2020-03-25 21:38

【摘要】：多天线技术凭借高容量、高速率以及较强的抗干扰能力等优势,在卫星通信系统中得到了广泛应用。然而,该技术的引入使得卫星链路中波束间干扰问题日益严重,从而影响了系统的传输速率,如何消除波束间干扰是当前亟待解决的关键问题。由于波束间干扰问题类似于地面蜂窝通信网中的小区间同信道干扰问题,而预编码技术是目前解决小区间干扰的有效方法,所以可以将预编码技术推广到多波束卫星系统中,以此克服波束间干扰,从而提高卫星通信系统的性能,进一步营造高质量的卫星通信链路环境。因此,本课题对多波束卫星通信系统的预编码方法展开重点研究,具有极其重要的研究价值与实际意义。首先,介绍了卫星通信信道的空间传播特性,包括各种因素产生的原理以及影响;同时详细分析了几种经典的卫星信道衰落模型,分别从基本概念、结构组成以及适用场景层面进行描述;并且对Ka频段卫星通信中雨衰因素作了简要概述;最后,重点研究了多波束卫星信道模型,包括多天线模型的优势以及卫星信道的主要特点,为第四章预编码技术的性能研究作铺垫。其次,主要介绍了预编码技术的理论基础,包括基本原理、分类标准以及信道状态信息(Channel State Information,CSI)的获取等;着重分析了常见的几种线性预编码算法的原理以及性能优劣;同时重点研究了通信链路中存在信道估计误差时,非理想CSI下鲁棒线性预编码的设计问题,针对信道估计误差影响系统性能的问题,提出了两种基于MMSE准则的预编码优化算法,并通过构建误差模型,推导出两种优化算法的最优解;最后在瑞利信道下通过仿真比较分析了理想与非理想CSI时预编码算法的误码率、系统传输速率以及均方误差的性能,进一步验证了本文提出算法的鲁棒性。最后,阐述了预编码技术应用于多波束卫星系统的重要性;并介绍了三种卫星预编码实现方法,包括各种方法的系统模型以及优缺点,给出了对应的系统框图;深入分析了多波束卫星系统模型,阐述了该模型的组成结构、原理以及信道的主要影响因素;最后在莱斯阴影信道下仿真分析了理想CSI时各种线性预编码算法的误码率,同时当通信链路中存在信道估计误差时,将本文提出的算法应用于多波束卫星系统中,并通过误码率以及系统传输速率的仿真,验证了所提算法在多波束卫星系统中的性能优势。
【图文】：

22111 Kkk ii i kH * W,图 3-4 给出了信道估计误差的方差总和2σ 分别为 0.04、0.12 以及 0.28 情，系统平均和速率随 SNR 的曲线变化情况。从图中能够得知，随着 SNR 的，各种预编码方案对应的平均和速率性能也随之提高，当 SNR 足够高时，想 CSI 下的预编码算法对应的平均和速率性能趋于饱和，且在不同 SNR 场，本文提出的鲁棒预编码算法均可以获得比非鲁棒预编码算法更高的平均和，这是因为非鲁棒预编码方案忽略了估计误差对系统性能带来的影响，而鲁编码方案则将估计误差的统计特性考虑进预编码矩阵的求解过程中，进而实由于估计误差的存在对系统性能产生的影响进行补偿，因此本文所设计的鲁编码算法能够较好的改善系统平均和速率性能，尤其在高 SNR 下，这种改度更加明显。与此同时，我们也观察到，随着 的增大，系统平均和速率的逐渐下降，，且 越大，本文所设计的鲁棒方案的优越性体现的愈加充分。当 0.28，SNR 等于 30dB 时，本文所设计的鲁棒预编码算法比非鲁棒算法大约2%的性能提升。

大学硕士学位论文 第 3 章 线性预编码与波束形成技术42图 3-5 给出了信道估计误差的方差总和2σ 分别为 0.02、0.08 以及 0.16 时，MSE 随 SNR 的曲线变化情况。从图中可以看出，本文设计的鲁棒预编码算法的MSE 性能总是优于未考虑信道估计误差影响下的非鲁棒预编码算法，这是因为鲁棒预编码算法对信道估计误差进行了补偿，因此能够对 MSE 性能的恶化起到有效的抑制作用，且在同一估计误差2 下，随着 SNR 的增大，鲁棒预编码算法的改善程度更加显著。同时
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN927.2

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本文编号：2600480