热带海洋上分布式MIMO卫星通信系统信道建模与传输特性研究

Technique of multiple-input and multiple-output (MIMO) is widely utilized in ground cellular communication. Requirement of transmitting big data and providing multiple services should be fulfilled in future satellite communications. So wideband satellite with MIMO technique is an issue attacting much attention at the moment. However, the channel condition of Tropical Ocean for MIMO satellites system is quite different from land mobile system, espcially multiple antennas receiving signals from distributed satellites above the sea. At first, we will discuss the relationship of changes of amplitude and phase of MIMO signals and hydrology and atmosphere in tropical areas, and study the changing rules of maritime MIMO channel and signals in order to establish a time-varying, stochastic-parametered and three-dimensional MIMO satellites communication channel model above Tropical Ocean. Secondly, we will consider the capacity of this system and find the principles of capacity gain changes with structures of satellites and with distribution of the ground antennas. And we will calculate the system capacity when antennas array deployed on islands, ships or oil and gas platforms above the South China Sea. Pointing errors of satellite antennas and ground antennas are analyzed and we will propose several optimal MIMO structures for special cases in this area. Thirdly, we will tentatively carry on the research of influence of rain attenuation on MIMO channel independence in Ku/Ka and above frequency bands, put forward a method of space-time coding with polar code as precoding and test the performance of this coding plan facing the raining mode of bivariate inverse Gaussian distribution and non-Gaussian noise which is common in South China Sea.

卫星通信面临大数据传输和多种业务的通信需求，将MIMO技术应用于卫星通信是宽带卫星通信发展热点之一。然而，海上天线阵列接收MIMO卫星发射信号时，面临着与陆地MIMO通信系统迥然不同的信道环境。研究分布式MIMO信号幅度和相位改变与热带地区水文和大气的耦合关系，研究MIMO卫星信号畸变与海上MIMO信道动态变化规律，建立海上时变、随参三维MIMO卫星信道模型。研究MIMO系统容量随星、地两端体系结构不同和海面天线阵列所处位置(海岛、舰艇、油气平台)不同而发生的改变，分析MIMO系统传输性能与卫星位置误差、海面天线构型、指向误差、海面/卫星天线晃动误差之间的关系，提出适应我国南海的分布式MIMO卫星系统架构。研究南海高强度、大范围持续降雨对Ku/Ka及以上频段MIMO信道独立性影响，给出极化码加空时码的编译方法，提高MIMO信道正交性，在双变量反高斯分布降雨模型和非高斯噪声背景下验证其性能。

以分布式MIMO卫星架构为基础、研究了海上 MIMO 卫星通信中的信道特征和传输特性与海面环境之间的关系。研究了MSMA模式下分布式 MIMO 卫星通信系统 3-D 信道模型，开展了符合海上通信的 MIMO 卫星系统架构和容量变化之间关系的研究。.关于低轨卫星引发的多普勒偏移问题，提出了使用导频来计算多普勒频偏并设置保护间隔的方法，并验证了其可行性；又提出了通过对比通信仰角大小选择组成MIMO系统的卫星的方法并通过导频实现，并制定了总体流程。推导了低轨道MIMO系统信道容量随收发天线间距时变公式，分析了其覆盖区域内中心用户和边缘用户的性能。.将MIMO与SISO技术进行了对照，同时基于南海多岛屿的特点，提出了在岛屿上设置地面站与两颗同步卫星构建分布式MIMO系统的模型。并对MIMO系统的信道容量进行了分析，测试了天线间距、俯仰角、方位角对信道容量的影响。.分析了通用信号检测技术，并针对非高斯噪声，给出了相关噪声的数学模型。研究了Middleton模型和双模噪声模型，包括概率密度函数。基于系统极化编码和非系统极化编码等编码方法，仿真分析各相关参数对极化码的SC译码算法及其相应的改进算法和辅助算法等译码算法性能的影响，并在码长类型不同的情况下，研究了基于l×l多维核矩阵的系统极化码(SPCs)的性能，系统地分析了SPCs和NSPCs的性能差异。.分析了大规模MIMO系统中下行链路的能效优化方案。首先，探讨了下行链路的系统能效模型以及约束条件。然后将分数优化问题转化为非分数优化问题进行求解，给出了三个能效优化方案，分别是天线数选择方案、发射功率优化方案、用户选择方案。最后提出了天线数和用户数的联合优化方案。通过仿真分析，我们发现下行链路系统的能效函数非单调函数、存在极值点，即能效函数在限定条件下，有最优值。