空间信息网络多星多波束高效协同传输技术研究

The Space Information Network based on High Throughput Satellite is booming. Due to the limited orbit and frequency resources for geostationary satellites, the multi-satellite and multi-beam interference becomes the key bottleneck of the transmission for the core nodes in Space Information Network. Traditional interference-avoidance strategies, such as orthogonal resource planning in time, frequency, spatial domains, have approached to the engineering limit. In the future, a significant development of theory and technology in efficiently interference processing is the most dramatic need, which is conducive to solve the problems of wide coverage, severe interference and limited power resources in multi-satellite multi-beam systems. In order to meet the actual efficient transmission requirements of the Space Information Network, our research firstly focuses on the cooperative transmission in multi-satellite multi-beam systems. Based on the interference analysis and modeling in multi-satellite multi-beam systems, low-complexity joint interference processing between multiple beams and multiple satellites is investigated. Moreover, the difficulties of channel estimation and synchronization with high precision and low overhead are also overcome. Finally, the prototypical system is implemented to verify the innovative solutions and key algorithms. This project helps to provide the theoretical basis and technical support for the developments of Chinese Space Information Network infrastructure.

以静止轨道高容量卫星为核心的空间信息网络基础设施正在蓬勃发展，在有限的静止轨道资源与频率资源约束下，卫星间的多星干扰和多波束干扰已成为限制空间信息网络中核心节点传输性能的关键因素。目前以时空频规划的方式避免干扰的传统技术措施已接近工程极限，未来急需从根本上突破高效干扰处理理论和技术，综合解决空间信息网络中多星多波束系统传输面临的用户覆盖广、相互干扰重和功率资源少等问题。面向我国空间信息网络多星多波束系统高效传输的实际需求，重点解决多星多波束系统协同传输的问题，在多星多波束干扰分析与建模的基础上，开展低复杂度的多波束联合处理技术研究，同时解决高精度、低开销的信道估计和同步技术难题，形成创新的解决方案和关键算法，并构建原型验证平台，为我国空间信息网络基础设施的建设和应用提供理论基础和技术支撑。

以静止轨道高容量卫星为核心的空间信息网络基础设施正在蓬勃发展，在有限的静止轨道资源与频率资源约束下，卫星间的多星干扰和多波束干扰已成为限制空间信息网络中核心节点传输性能的关键因素。目前以时空频规划的方式避免干扰的传统技术措施已接近工程极限，未来急需从根本上突破高效干扰处理理论和技术，综合解决空间信息网络中多星多波束系统传输面临的用户覆盖广、相互干扰重和功率资源少等问题。.本项目面向空间信息网络多星多波束系统高效传输的实际需求，重点研究多星多波束系统协同传输的问题，具体包括多星多波束模型与干扰机理分析，多星多波束协同传输中的联合处理技术、信道估计和同步技术等，形成创新的解决方案和关键算法，构建原型验证平台，解决资源制约下容量最大化的核心问题，为我国空间信息网络基础设施的建设和应用提供理论基础和技术支撑。项目所取得成果如下：.首先，建立了多星多波束的干扰模型，通过STK软件对卫星轨道建模，输出多星之间相对运动的参数，结合多波束天线理论以及星地信道模型，建立了多星与多用户之间信道系数的统计模型，刻画了用户之间的干扰特性。.第二，提出了低复杂度的多星多波束联合干扰消除技术。在接收端，基于因子图框架和期望传播原理，提出了低复杂度高性能的多星多波束联合干扰消除技术。针对多星多波束系统中空间相关衰落信道导致迭代检测性能损失的问题，基于因子图理论和分组检测技术提出了一种抗空间相关衰落的迭代检测算法。与迭代分组MMSE-SIC检测算法相比，所提算法在相关衰落信道中不但具有更好的性能，而且具有更低的复杂度。在发送端，通过引入虚拟信道，将正则迫零预编码问题建模为贝叶斯推理问题，基于因子图框架，提出了变分消息传递算法和近似消息传递算法。.第三，提出了低开销，高精度多星多波束联合信道估计技术。基于最小散度优化，我们提出了联合信道估计、检测和译码技术，该联合迭代技术在信道估计环路、符号检测环路和译码模块之间交换未知变量的概率信息，利用了发送信号的判决信息进行信道估计，大大节约了导频的开销。提出了最近邻居稀疏结构学习的近似消息传递算法，可自适应地学习稀疏信道的结构特征，显著提高结构稀疏信号的恢复性能。基于统计学习方法理论，通过最小化自由能量，自适应地学习系统中的时变参数。.最后，构建了原型验证平台，验证了以上所提算法，为下一步应用提供了技术储备。