基于部分信道信息的卫星多波束协作传输方法研究

The co-channel interference (CCI) between the satellite beams and rain attenuation are the main problem which affects the high-band satellite communications system performance, in particular being more serious in full-frequency reuse. The project proposes collaboration transmission method based on a channel statistical amount and beam direction gain information to explore the joint CCI suppression and resource allocation problem of satellite mobile communication system by means of using Frequency Division Multiple Access (FDMA). This research includes mainly (1) collaboration user grouping criteria and methods based on multi-beam satellite channel model feature (2) optimization models and its algorithms of zero forcing pre-coding and resource allocation (ZFP-RA) method as well as stochastic analysis and calculation method based on multi-beam satellite channel model (3) Optimization Model, its algorithm and the performance constraints mode for joint pre-coding and resource allocation (JP-RA) method (4) Cooperative transmission method performance research and comparing with traditional methods, through simulation means, for verifying the effectiveness and feasibility of this method. The purpose of this project is to overcome the limitations that traditional pre-coding interference suppression method requires accurate channel information, expand new theories and methods of the satellite multi-beam signal transmission, and provide the theoretical foundations for the application of cooperative transmission technology to satellite mobile communication.

波束间同信道干扰(CCI)和雨衰是影响高频段卫星移动通信系统性能的主要问题，尤其是全频复用时更为严重。本项目研究采用频分多址(FDMA)的多波束卫星通信系统的CCI抑制和资源分配问题，提出了基于信道统计量和波束方向增益信息的协作传输方法，探索联合协作干扰抑制和系统资源优化分配方法。主要研究内容包括(1)基于多波束卫星信道模型特征的协作用户分群准则和方法研究(2)迫零预编码和资源分配(ZFP-RA)方法的优化模型、算法以及针对多波束卫星信道模型的随机分析和计算方法研究(3)联合预编码和资源分配(JP-RA)方法的优化模型、性能约束方式和优化算法研究(4)仿真研究提出的协作传输方法性能，并与传统的方法进行比较，验证提出方法的有效性和可行性。通过本项目研究，克服传统预编码干扰抑制方法需要精确信道信息的局限性，拓展卫星多波束信号传输的新理论和新方法，为协作传输技术在卫星移动通信中的应用提供理论依据

多天线技术被视为下一代移动通信系统的一项关键核心技术，通过空间分集应用能增强无线通信系统的抗衰落能力，降低系统的误码率，进而提高信号传输质量；通过空间多路复用应用能有效的提高系统的频谱利用率。本项目主要致力于自适应的协作传输方法研究，包括预编码问题，发射端的空间的功率分配问题，信道信息反馈问题等，并将研究方法推广到多波束卫星系统。主要的研究内容包括1. 针对时空的衰落特性，提出了一种时空二维空间的自适应功率分配方法，这种方法只需要信道的平均值和协方差信息反馈，有效的降低了信道信息反馈延迟问题，并且，研究的结果也表明，提出的方法比只进行空间功率分配的方法有更好的性能。2. 预编码方法在实际系统中应用时，由于信道容量的限制，只能采用有限长的信道信息反馈，然后根据这个信息从预先确定的码本中选择预编码。但是这种方法并不适用于全流传输模式，本项目提出了基于奇异值分解的预编码选择准则，研究结果表明，这种方法在全流传输模式中实现了相当大的编码增益。 3. 由于卫星到地面巨大的传输距离，基于实时信道信息反馈的预编码方法是很难应用的，提出了基于信道统计量信息的预编码方法，并导出了最优的设计方法；由于多波束信道空间相关性具有上下行链路的近似互易性，因此，可以通过上行链路的信道信息估计下行链路的信道统计量信息，克服了反馈的延迟问题。4. 自适应编码调制方法依赖精确的信道状态信息，但是，在卫星移动通信环境下，由于信道的时变特性以及巨大的往返传输延迟，极大地限制了这种自适应方法的应用。本项目提出了基于信道统计量信息的自适应调制编码方法，克服了现有自适应方法的局限性，同时，频谱效率性能的仿真结果验证了提出方法的有效性。