卫星非线性记忆信道中的最优信号设计与迭代接收技术

Given the ever increasing demand for high data traffic rate, satellite communications are required to employ wideband and spectrum efficient transmission technologies to improve the transmission rate. Due to the nonconstant envelope of signals in multi-carrier applications and high order modulations, the nonlinear and memory phenomenons of satellite transponder become critical factors which determine the overall transimission performance of the system. In this proposal, we study the optimal signal design and iterative receiver in nonlinear satellite channels. First, the capacity of nonlinear channel will be analyzed and the optimal constellates and mapping can be obtained by combined searching. Then, the coefficents the nonlinear channel model are going to be estimated by tensor decomposition and space-alternating generalized expectation maximization (SAGE) algorithm. Building on this, the maximum-a-posteriori (MAP) reciever for nonlinear channel is represented by using factor graph (FG), and the belief condensation filter (BCF) will be applied as message passing to update the message from/to the factor node of nonlinear channel. For the wideband application with large channel memory, we propose to use a channel shortener as the front end filter, and joint optimize the transmit filter and channel shortening detector. Finally, in multi-user frequency division multiplex (FDM) satellite communication, time-frequency packing (TFP) technology is going to be studied. The optimal packing parameters and the achievable spectrum efficiency will be analyzed depending on the different receiver structures employed. The study of this proposal will contribute both the theoretic analysis and practical implementation of the efficient transmission in satellite nonlinear channels.

卫星数据业务的飞速增长，要求卫星通信采用大带宽、高频谱效率的传输技术提高通信速率。考虑到多载波应用和高阶调制信号的非恒包络特性，卫星转发器的非线性和记忆性再次成为制约系统总体传输性能的关键。本课题研究卫星非线性信道的最优信号设计与迭代接收技术。首先，分析非线性信道的容量，并通过组合优化方法搜索最佳信号星座和映射。然后，采用张量分解和空间交替广义期望最大(SAGE)算法对非线性信道进行参数估计和辨识。在此基础上，研究非线性信道最大后验概率(MAP)接收机的因子图表示，并采用置信压缩滤波(BCF)算法处理非线性因式节点的消息更新。针对信道记忆性较大的宽带应用环境，在接收端采用信道缩短滤波，并研究收发滤波器的联合优化。最后，对于非线性信道中的多用户频分复用，针对不同接收机研究采用时频压缩技术时的最优压缩参数和可达频谱效率。本课题的研究对非线性卫星信道的高效传输具有重要的理论意义和实际应用价值。

未来卫星通信要求采用大带宽、高频谱效率的传输技术，以服务日益增加的用户终端和满足更高数据速率的传输需求。多载波应用、高阶调制和超奈奎斯特信号是提高频谱效率，解决频谱资源有限问题的关键技术。然而，上述非恒包络的多载波信号受卫星转发器的非线性和记忆性的影响严重，制约了宽带卫星系统的总体传输性能。本课题首先分析了非线性卫星信道容量，通过似然函数计算互信息，为星座设计和映射方式的优化提供了理论基础。进一步在最小化误码率准则下，设计了双模索引调制映射方式，有效降低了非线性卫星通信系统的误码率。接下来针对非线性卫星信道的特性，对非线性卫星信道进行合理建模并提出了有效估计信道系数的盲辨识算法，分析了采样带宽受限时预失真系统中功放模型有效项估计算法的性能。考虑卫星信道的非理想特性，本课题研究发射端的基带信号预失真技术和接收端的受非线性干扰下的均衡技术。同时，为充分发挥信道编码的作用，并从非线性干扰项中获取有用信息，本课题重点研究非线性码间串扰下的迭代均衡器。在接收端，采用有效的因子图和消息传递算法，在统一框架下设计迭代均衡器。联合优化信源比特、交织编码比特、映射符号和观测符号的联合分布，给出Volterra级数下，非线性卫星信道的概率模型的因子图描述，设计了基于置信传播算法的最大后验概率迭代均衡器，获得了比传统线性最小均方误差迭代均衡器更好的性能，同时拥有更低的复杂度。为了进一步降低接收端的计算复杂度，采用前端滤波器对信道进行缩短，从而使检测器工作在合理范围内的信道记忆长度上，并且能够达到近似最优的检测性能。此外，从信息论角度出发，以最大信息传输速率为优化目标，加入发射机滤波器进行预编码后,进一步提高信息速率。本课题还将有效提高频谱效率的时频压缩信号应用于宽带卫星通信系统中，设计了非线性卫星信道下的超奈奎斯特信号检测算法。通过对色噪声进行合理建模，构建因子图模型并将在其上传递的消息参数化处理，得到了低复杂度的消息传递规则，有效实现了高谱效卫星通信传输。. 本课题的研究成果，对于宽带卫星系统中具有高谱效信号设计和基于消息传递算法的数据检测具有较好的理论研究意义，对于实际中低复杂度接收机设计具有一定的参考价值。