基于双正交极化MIMO的高速率卫星移动通信技术研究

We propose this project to provide high data rate mobile satellite communications based on the dual orthogonal polarization MIMO (DP-MIMO) technique. The transmission schemes, the modulation waveforms and the satellite-terrestrial cooperation will be studied to overcome different inherent impairments in mobile satellite communication systems and to pursuit the near-optimal performance of DP-MIMO. The details of the project are as follows, (1) we will study on the new multiple polarization transmission scheme for DP-MIMO to mitigate the interference caused by the cross polarization discrimination and the inter-beam interference; (2) we will study on the proper multicarrier modulation (MCM) waveforms for the new MIMO transmission scheme and the combination of the two techniques to overcome the nonlinearity in HPA, the synchronization errors and the Doppler spread; and (3) we will design satellite-terrestrial cooperative schemes with joint optimization in time, frequency, polarization and the extra space domain to overcome the large scale fading and the shadowing. With careful theoretical analysis and numerical simulations, we’ll propose new schemes and algorithms to overcome the constraints in mobile satellite communication systems. With the expected near-optimal performance of DP-MIMO，we are going to bring about future high data rate transmission for mobile satellite communications.

本项目拟面向卫星移动通信系统中高速数据传输的需求，深入研究基于双正交极化多天线（DP-MIMO）技术的新型传输模式、调制波形与星地协作等关键技术，克服卫星移动通信中各种固有不利因素的影响，尝试逼近DP-MIMO传输的性能极限。具体研究内容为：（1）研究基于DP-MIMO的非正交多极化传输模式及其性能边界，克服极化天线间干扰（交叉极化鉴别率XPD）与多点波束系统中波束间干扰对性能的影响；（2）研究适应新型多极化传输模式的多载波调制（MCM）波形及其具体结合方式，克服器件非线性、同步差错、多普勒频移等问题；（3）研究基于多极化传输模式的星地协作通信方案，通过空域与时频极化域的联合优化，适应卫星信道大尺度衰落与遮蔽效应等不利条件。我们将通过深入的理论研究与实验分析，对以上三方面关键技术分别突破，化解卫星移动通信相关制约因素，逼近DP-MIMO传输性能极限，为实现未来高速卫星移动通信提供技术保障。

针对卫星移动通信系统高速数据传输需求，本项目开展了双正交极化卫星MIMO系统传输方法、卫星多载波调制方法、星地协作传输方法、空间网络化传输协议性能研究等工作。（1）在双正交极化卫星MIMO传输方法研究中提出了单星极化调制（PM）、多星双极化空间调制（DPSM）两种高效传输方案、低复杂度全接收分集MIMO检测算法，并理论推导了Nakagami-m信道下DPSM的平均误码率（ABER）上界，通过计算机仿真验证了两种传输方法的性能。（2）在卫星多载波调制的研究中，针对星上高功率放大器非理想特性重点研究了改善峰均功率比（PAPR）的多载波调制方法，重点验证了极化MIMO信道条件下GFDM、V-OFDM两种调制方式的性能；同时针对V-OFDM在低信噪比条件下的解码提出了一种基于加权表决的部分交集球形解码器算法，完成了算法设计实现与仿真验证。（3）研究了基于卫星极化MIMO与多载波调制的星地协作通信传输方法，验证了DPSM+GFDM的有效性，同时也在研究过程中明确了星地协作通信面临的技术挑战和可行性。（4）在完成项目设定的研究内容的基础上，本项目进一步结合当前空间信息网络的研究，针对高速链路网络传输性能问题，即受上层传输协议影响，实际有效吞吐量可能远低于物理带宽的问题，项目进一步研究了现有典型传输协议在长时延、高误码链路中的传输性能，并针对空间容迟容断网络（DTN）在长时延情况下的传输性能提出了改进。