功率分层卫星信号检测的理论与方法

This project conducted researches into the theory and methods of co-frequency mixed satellite signal detection from the aspects of theory foundation, effectiveness enhancement, specialty mining and scalability. The main contents include general model establishing, communication mechanism recognizing, parameter estimating, and iterative detecting of co-frequency mixed satellite signal detection. .The general model establishing part focused mainly on the mathematical expressions of co-frequency mixed signal and examined the convergence characteristics. The mechanism recognizing part focused mainly on recognition algorithms of signal modulation, coding, multiplexing synchronization, and source filling. The parameter estimating part focused mainly on estimating algorithms of component signals’ carrier frequency, symbol rate, amplitude, initial phase, and time delay. The iterative detecting part focused mainly on decoding, parameter estimating, and sequential joint iteration algorithms of co-frequency mixed signal detectingat low signal to noise ratio. This part also covered the methods of enhancing detecting ability by taking use of redundant source information. The iterative detecting algorithms are very complex, especially for the modulation of high orders(8PSK、8QAM、16QAM etc.). Therefore, in order for further application, researching on the less complex algorithms of iterative detecting is another important direction of this project.

本课题从理论基础研究、有效性提升、特殊性挖掘和可拓展性研究等几个方面开展功率分层卫星信号检测的理论与方法研究。主要研究内容包括功率分层卫星信号通用模型建立、通信体制识别、参数估计和迭代检测四个部分。通用模型建立主要研究功率分层信号通用数学表达和检测算法收敛特性；通信体制识别主要研究信号的调制方式、编码方式、复接同步方式、信源填充方式识别算法；参数估计研究各分量信号载波频率、符号速率、幅度、初始相位和时延等估计算法；迭代检测主要研究低信噪比条件下译码、参数估计与序列联合迭代功率分层信号检测算法，以及利用部分信源冗余信息，提高检测性能的方法。此外迭代检测算法复杂度非常高，特别是对于高阶调制（8PSK、8QAM、16QAM等），为了使检测算法实用化，低复杂度接收算法也是本课题研究的重要方向。

天、空、地一体化信息网络成为维护国家主权利益的战略必争之地和技术制高点。作为天、空、地一体化信息网络的核心组成部分的卫星移动通信系统具有覆盖区域广、组网灵活、受地形地貌影响小和不受自然灾害影响等特点，非常适合于军事移动通信、边海防务、军事演习、抗震救灾、维稳、偏远地区通信等领域，是国家通信基础设施的重要组成部分。随着卫星通信技术、电子技术的不断发展以及军事斗争的日益激烈，各种非标准的和不明体制的未知信号明显增多、结构日趋复杂。同时，卫星通信系统面临的同频干扰现象也日益严重，一方面，地面移动通信等系统会对地面站接收的卫星信号造成严重干扰，导致卫星信号接收信噪比降低，接收质量下降；另一方面，随着卫星通信的发展，同步轨道上的卫星数目越来越多，相邻卫星同频段的干扰变得尤为突出。传统的信号搜索和识别方法已经很难满足卫星信号检测需求，迫切需要对原有方法及设备进行升级改造。本课题针对功率分层信号的三个应用场景，分别进行了深入的研究：针对PCMA场景，从信息论的角度给出了有限字符集条件下符号同步情况下可达和速率的解析解，进而给出了分离算法在特定编码调制下的迭代收敛性能的上界，同时也给出了高阶调制下低复杂度联合迭代检测算法的性能上界，给出了高斯输入条件下符号异步的可达和速率半解析解，进而得到了用户间具有时延差情况下的分离算法的迭代收敛性能的上界；针对A-PCMA场景给出了检测框架，设计了基于GPU的LDPC+BCH码译码算法，性能优于常规最小和算法0.2-0.7dB，并利用该框架对卫星通信中DVB-S2+DVB-RCS2类的A-PCMA信号进行了检测，可以实现DVB-S2+DVB-RCS2类的A-PCMA信号的正确解译；针对大规模免调度随机接入场景，提出了一种新颖的大规模MIMO导频域NOMA，有效地降低了系统的中断概率和延迟，提高了系统的频谱效率。和传统免调度接入相比，当导频长度大于4λN时，该方法可以显著提高频谱效率和降低中断概率，性能几乎与调度接入相同。算法复杂度略高于调度接入，和非正交导频相比复杂度显著降低。利用massive MIMO不同用户信道系数的渐进正交性，当中断概率为2*10^(-12)，天线数为1024时，导频域NOMA可以将单用户频谱效率提高至4 bit/s/Hz。