基于认知的宽带星地混合系统OFDM传输关键技术

Mobile satellite communication which plays an irreplaceable role can be widely used for many aspects, such as the national security, disaster emergency communication,internet application, education, medical treatment, satellite television broadcasing and personal communication, especially for the two aspects of national security and disaster emerency communication which are associated to the country and people's security closely in the condition of complex geographical environment. And the broadband satellite communication systems can satisfy the requirements of more users, more services and more frequencies in future. However, the broadband satellite communication systems also meet the problems of the limited channel and frequency resources at the same time. Therefore, following the characteristics of broadband and intelligentize with the development of wireless communication technology, this research adopts the idea of cognitive radio which can use the frequency spectrum resource effectively, and focuses on the time variation, mobility of satellite communication links, and non-continuous of multi-carrier OFDM scheme. Moreover, the contents of this research includes the characteristics of satellite links for OFDM scheme under Ka frequency band. Furthermore, broadband spectrum sensing algrithom for multi-carrier broadband satellite communication systems，channel sensing for the complex channels of broadband satellite-terrestrial links and optimal joint scheme of sub-carrier and power allocation for multi-users are proposed in this research. The frequency spectrum utilization and the system performance can be improved by the above techniques, and this research can provide theoretical basis and technical support to the implement of next hybrid broadband Satellite-Terrestrial communication systems for our country and all over the world.

卫星移动通信在国家安全、应急救援、互联网、教育及医疗、卫星电视广播以及个人移动通信等方面都有着广泛的应用，尤其在我国地理环境复杂的国情下，在国家安全及应急救灾两个方面更可直接关系到国家和民众的安危，充分发挥其不可替代的作用。宽带卫星移动通信系统可以满足未来越来越多的用户、更多业务、更多频段的业务要求，同时其也面临着系统频谱、信道资源日益紧张的局面。本课题以无线通信发展的宽带化和智能化为导向，采用可以有效利用空闲频谱的认知思想，针对卫星通信链路的时变特性、节点的移动性及OFDM子载波不连续的特点，研究Ka频段多载波OFDM卫星星地链路传输特性，并提出多载波宽带卫星通信系统星地链路宽带频谱感知方法、宽带卫星星地复杂信道的感知技术以及子载波、多用户功率联合优化机制，从而提高系统频谱利用率及系统性能，并为推进我国乃至全球实现下一代宽带星地混合系统提供理论基础和技术支持。

本项目主要对认知无线电技术在星地混合通信系统的应用进行了深入研究，在跟踪国外关于此方向的研究成果并进行分析和研究基础上，主要在如下方面取得了一些重要研究成果。首先，在频谱感知方面，研究了基于簇的协作检测算法及经典的软硬合并方法，仿真分析表明基于簇的D-S证据理论加权协作感知算法系统检测概率则可达到，发现对于簇外都利用硬判决的检测法来说，簇内利用软判决的检测法性能要好于簇内也使用硬判决的检测法；研究了双门限协作频谱感知算法，在检测性能与数据传输量之间通过调整两个门限的大小，根据实际需要进行折中；针对传统单门限检测算法对用户检测到能量值利用不够充分的问题，研究了基于多比特模型的协作频谱感知算法，并与传统协作频谱感知算法进行了性能仿真比较分析；提出一种基于信任度的多比特判决认知无线电协作频谱感知算法以解决认知网络中可能出现的恶意用户攻击问题，并对所提算法减弱恶意用户攻击影响的有效性进行仿真验证与分析；针对实际应用场景中认知用户始终不断运动的情况，给出了一种软判决协作频谱感知数据融合方法，该方法无需任何先验信息，且具有对实际环境的自适应特性。仿真结果显示，本方法相对于传统数据融合方法而言，在一定虚警概率的前提下，具有更高的检测概率，更低的漏检概率和更小的错误概率。其次，讨论了压缩感知理论在星地信道感知应用的可行性。压缩感知信道估计方法可以充分利用信道时域上的稀疏特性，用少量的导频子载波即可探测信道变化，比传统方法节约了大量的导频开销，系统资源利用率得到了提升。而在实际通信系统设计中，除了需要考察算法在原理上的可行性外，还需要考察其可实现性，计算复杂度便是其中一个重要指标。由于SL0算法本身为启发式的迭代算法，不同原始数据具有不同的迭代进程，难以用闭合表达式表示其计算复杂度，故我们利用计算机CPU运行时间作为衡量标准。最后，本项目验证了所提出的在认知无线电underlay模式下的功率分配算法和在overlay模式下的时间分配算法的效果。功率分配策略会受用户间位置分布、博弈系数、时间比例等因素的影响，在实际通信过程中，会随着系统负载的增长而变得复杂。在时间分配方案中，认知用户可以获得的通信时间比例也会受信道质量及用户的分布等多方面因素制约。