低轨卫星通信系统OFDM传输技术研究

Although OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technology has many advantages, as transmission scheme for LEO (Low Earth Orbit) satellite communication, there are still a lot of issues to be discussed mainly because LEO satellite communication not only has limited resources, but also it suffers from frequent beam switches, time-varying channel, multi-path fading and large frequency offset. Current OFDM transmission technology for satellite communication cannot meet users' QoS (Quality of Service) requirements. First, according to characteristics of LEO satellite communication, this project establishes OFDM transmission link models for LEO satellite communication and proves the rationality. Second, from physical layer taking delay and algorithm precision as optimized objectives, single-user signal detecting method according to time-varying channel for uplink is proposed; multi-user detecting scheme based on improved parallel interference cancellation according to frequency offset interference for uplink is proposed; improved interference cancellation algorithm for downlink to cancel the interference introduced by frequency offset and multi-path fading is proposed; signal blind detecting method for downlink to increase bandwidth utilization is proposed. Third, from both link layer and physical layer, power control algorithm to meet different users' QoS requirements is designed.

尽管正交频分复用（OFDM）技术有很多优势，但是将其作为低轨卫星通信传输体制仍然有很多问题亟待解决，究其原因主要是资源受限的低轨卫星通信中存在频繁的波束切换、信道时变特性、多径衰落以及由多普勒频移导致的载波频率偏移，现有针对卫星通信系统OFDM传输技术的研究不能满足用户对服务质量的要求。本项目针对低轨卫星通信特点，首先，建立低轨卫星通信系统OFDM链路模型，论证所提模型的合理性。然后，从物理层出发，以减小时延和提高算法精度为目标，针对信道时变性，提出快速收敛的上行链路单用户信号检测方法；针对载波频偏干扰，提出基于改进并行干扰消除的上行链路多用户检测机制；针对多径衰落和载波频偏干扰，提出联合信道和频偏的下行链路干扰消除算法；针对带宽受限，提出下行链路的信号盲检测机制。最后，从链路层角度，并结合物理层，提出能够满足用户不同QoS需求的功率控制方法。

近年来，正交频分复用（OFDM）技术与低轨卫星通信相结合，为全球范围提供真正无缝、高速数据服务，成为无线通信研究热点之一。低轨卫星通信具有传输时延短、组网灵活和抗毁性强等特点，并且兼具民用和军用意义，各大国在该领域斥巨资研究相关技术。OFDM是一种多载波传输技术，具有很强的抗频率选择性衰落的能力，并且频带利用率高；其子载波之间彼此正交，可以根据需求灵活分配子载波，这特别适合卫星通信中上下行链路的非对称数据速率传输。.尽管二者有各自优势，但是将OFDM技术作为低轨卫星通信信号传输方式仍然有很多问题亟待解决。本项目结合OFDM技术和低轨卫星通信的特点，着重研究了以下几个问题。.第一，低轨卫星通信系统上行链路用户信号检测。首先研究了低轨卫星的信道模型，给出了信道模型的数学形式，针对典型场景研究了信道模型的适用性。然后针对采用DFT-S OFDM技术的上行链路，给出了一种基于MMSE准则的频域均衡方法，通过粗细两个粒度实现载波频偏的准确消除。.第二，低轨卫星通信系统下行链路用户信号检测。针对采用OFDM方式的低轨卫星通信系统下行链路，给出了用户接收信号表达式，给出频偏估计，进而为了消除残留频偏，通过最小化目标函数给出了残余频偏精估计，实现载波频偏消除。.第三，低轨卫星通信系统链路的资源分配。针对上行链路特点，研究上行链路功率分配，提出一种基于闭环控制的星上用户联合功率控制方案。针对下行链路特点，以最大化系统传输速率为目标，充分考虑用户间公平性，研究了一种子载波、比特和功率分配方法。.本项目期限从2014年1月到2016年12月。项目执行过程中，按照既定研究计划执行。项目组在国外期刊和国际会议上发表论文8篇，申请专利1项，已毕业硕士生1人、在读4人。项目相关研究成果，对未来我国进一步发展新一代宽带通信卫星系统具有一定的积极意义。