多波束卫星通信系统中的信号处理与优化技术

随着全球通信需求的不断增长和技术的迅速发展,多波束卫星通信系统成为关键技术之一,其能够提供宽广覆盖且数据传输率高。然而,现有的信号处理和优化技术仍有许多局限性,特别是在应对多样化服务需求和动态变化的通信环境时。因此围绕这一核心问题进行深入讨论,对多波束卫星通信系统的基础、信号处理技术与优化技术进行研究,旨在为多波束卫星通信系统的进一步优化提供新的思路和解决方案。

多波束卫星通信系统中的干扰检测与抑制技术研究

随着全球信息化进程的加速,多波束卫星通信系统已经成为当前及未来通信卫星技术发展的主流趋势。然而,多波束系统在提升通信能力的同时面临着波束间干扰的技术难题,制约着系统性能。基于此,研究多波束卫星通信系统中的干扰检测与抑制技术,以提升通信质量、扩大系统容量、保障用户服务质量。

新型低轨通信卫星载荷设计及在轨应用

低轨卫星互联网系统因其低时延、高容量等特点成为国内外研究热点,被纳入新基建范畴。考虑到低轨卫星小型化、功能多样化的发展趋势,以及对现有地面终端设备的兼容性等因素,并充分发挥透明传输和再生处理的优势,提出了一种低轨通信卫星的新型载荷配置方式,用于实现星地间的多波束通信,每个波束均支持透明转发和再生处理模式的切换。针对该配置方式进行各种工作场景分析和最大工况下的能源平衡分析,结果表明该载荷配置可满足使用要求。

多波束卫星通信系统的能效优化功率分配算法

针对多波束卫星通信系统的能效优化问题,在确定用户分组的情况下,提出了一种基于能效优化的功率分配算法。采用斯坦克尔伯格博弈模型,将用户设为买方,卫星设为卖方。在用户服务质量约束和用户公平性约束条件下,构建双方的效用函数,通过寻找最优功率分配策略来实现效用函数最大化。由于用户效用函数是分式的非凸问题,利用Dinkelbach算法转换为减数形式的凸问题;利用拉格朗日数乘法对凸问题求解。所提算法在内层迭代求得最优功率分配策略,外层迭代计算系统能效。仿真结果表明,所提算法在系统能效上有较大的提升。

多波束卫星通信系统中的物理层安全传输算法

为了提高卫星通信系统的安全性,将物理层安全技术应用到多波束卫星通信系统下行传输中。首先,建立了多波束卫星物理层安全通信系统模型。随后,以系统最大化保密和速率为目标,介绍了迫零(Zero-Forcing,ZF)和增强信漏噪比(Enhanced Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,E-SLNR)两种波束成形算法。仿真结果表明,统一考虑了波束间干扰和窃听者信号泄漏影响的E-SLNR波束成形算法不仅不受限于天线数目,而且相比ZF算法获得了更好的安全性能。

非理想信道状态下多波束卫星通信的鲁棒安全传输设计

考虑多波束卫星通信中存在多天线窃听用户的场景以及非理想信道状态信息带来的系统安全性能恶化,针对合法信道与窃听信道均不理想的多用户MISOME(Multi Input,Single Output,Multi Eavesdropper)系统,该文基于两种类型的信道误差提出了两种鲁棒安全传输方法。在确定误差模型下,利用发送波束成形以及人工噪声协方差的联合优化设计解决系统最差情况安全速率最大化问题(Worst-Case Secrecy Rate Maximization,WC-SRM)问题,通过推导分析将非凸的WC-SRM问题等价为一个1维搜索问题,而这个等价问题的最优解可通过一系列半定规划(Semi Definite Program,SDP)问题的求解而得到。在统计误差模型下,为求解中断概率约束安全速率最大化(Outage Probability Constrained Secrecy Rate Maximization,OP-SRM)问题,该文提出一种基于WC-SRM的鲁棒安全设计的可靠近似方案。仿真分析验证了该文所提方法的鲁棒性与有效性。

多波束卫星通信系统中功率和转发器增益联合优化算法

多波束天线已经广泛用于现代卫星通信系统中,但是在多波束卫星通信系统中基于转发器增益设置的功率分配算法的研究成果很少。旨在最大化系统容量,提出了一种联合功率分配和转发器增益设置的资源优化分配算法。首先建立了功率分配和转发器增益设置联合优化的资源分配模型,该模型考虑了不同波束转发器增益单独可调的因素。然后利用对偶理论和最速下降法,提出了多波束卫星通信系统的功率和转发器增益联合优化算法。仿真结果表明,这里所提出的算法能够提高透明转发卫星通信系统的信道容量。

面向6G的宽带多波束无线通信原型系统设计

面对B5G和6G时代巨流量、巨连接的通信业务需求,宽带动态多波束技术利用高频段的频谱资源并结合动态多波束控制技术,能够在现有多波束技术的基础上进一步挖掘空间维度资源,提升服务质量,已成为下一代移动通信系统的关键技术之一,将广泛应用在地面宽带通信和卫星通信中。本文设计了一种可融合动态波束成形算法的宽带多波束无线通信原型系统。该系统包括基站侧和用户侧,其中基站侧由多核X86通用服务器、RFSoC、射频相控阵天线以及高速接口等硬件单元构成,可实现多波束控制及其他基带信号处理功能,采用了X86与FPGA融合计算架构实现无线基带算法部署。本系统支持智能动态波束成形,并具有带宽大、吞吐量高、算法快速部署等优点,可以应用于面向6G的通信技术开发和智能通信算法的快速集成验证。

多波束GEO卫星通信中CDMA与FDMA的多址容量

从系统容量角度分析了多波束同步轨道(GEO)卫星移动通信系统的最优多址接入方式。通过推导计算波束交叠、功率控制误差条件下的多波束GEO卫星通信CDMA系统的容量,并同CPM调制FDMA/TDMA系统进行对比,得到FDMA/TDMA更适合多波束GEO卫星移动通信的结论。

基于公平效用函数的多波束卫星通信下行链路波束成形算法

为了更好地平衡多波束卫星通信系统的频谱效率和能量效率,以及保证多用户服务场景下的用户服务公平性,该文提出一种基于公平效用函数的波束成形(BF)方案。具体而言,首先在同时考虑卫星发射功率最小化准则以及系统和速率最大化准则的前提下,建立一个多目标优化问题,并在最大化系统频谱效率的同时利用α公平效用函数提升用户间的服务公平性。然后利用加权和方法对复杂的多目标问题进行转换处理,并提出一种联合使用循环坐标上升(CCA)方法以及回溯直线搜索(BLS)方法的波束成形方案,从而求得最优的波束成形权矢量以及最优的帕累托解集。最后计算机仿真结果验证了所提方案的用户服务公平性,以及分析一些典型参数对公平性能的影响。并通过与其他传统方案相比,验证所提方案能够获得更高的系统频谱效率。

多波束宽带卫星广播系统的自适应功率分配

随着互联网和宽带通信需求的不断增长,未来的多波束宽带卫星系统将主要工作在Ka频段或更高频段,在这些高频段下,时变的天气和降雨是影响系统性能的主要因素。针对这一问题,提出了基于公平性指标的启发式多波束动态功率分配方法,并采用了波束用户分群方法降低算法的计算复杂度,从而能实现系统性能和复杂性之间的交换。仿真结果表明,相比于传统的静态功率分配算法,提出的算法可以在雨衰环境下服务更多的用户,实现更高的功率效率;另一方面,算法也明显提高了系统资源分配的公平性。

基于赋形多波束的CDMA系统容量分析

分析是基于赋形多波束天线波束增益模型,相对传统的二阶锥形口径增益模型,这一模型能够较好地补偿路径损耗差异,保证了覆盖区域的"等通量"覆盖。本文分别分析了星地通信系统前向链路和反向链路的系统容量,在反向链路容量分析中综合考虑了阴影衰落、功率控制误差等因素的影响,并提出了提高系统容量、改善系统性能应采取的措施方法。本文中的容量分析方法可以进一步推广到低轨通信星座系统,对低轨通信星座系统的规划和设计具有重要意义。

多波束移动卫星系统的自适应开环预编码方法

对于卫星移动通信系统,由于卫星与地面终端之间的相对运动以及星地间传输延迟,传统的基于理想信道信息的预编码方法是不适用的。针对这一问题,提出了一种基于开环信道估计的预编码方法。卫星端利用开环获取的部分信道信息实现多波束联合预编码,并导出了系统传输速率的闭合解析表达式。此外,为了克服强干扰环境下多波束预编码系统性能恶化问题,提出了一种自适应预编码传输方法。卫星发射机依据开环获得的慢时变用户位置信道信息和信道统计量信息,自适应地选择预编码方法或传统频率复用方法,实现最优的系统性能。理论分析和仿真结果表明,与传统的干扰抑制方法相比,所提方法能实现更优的系统性能,同时也克服了传统预编码方法的局限性。

低轨卫星高能效载波功率资源联合调度算法

结合多波束低轨(multi-beam low earth orbit,MB-LEO)卫星通信场景,研究了一种多目标载波功率联合优化(joint subcarrier scheduling and power control resource allocation,JSSPC-RA)算法。通过求解整数混合规划非凸优化问题,得到了不同通信需求下MC-DS-CDMA子载波和子载波功率的联合调度方案,实现了系统用户未满足容量和卫星总功耗的最小化。仿真结果表明,相对于传统的载波功率均分策略,JSSPC-RA算法能够在满足系统吞吐量需求的前提下大幅节省卫星总功耗;同时,通过调节权值系数,JSSPC-RA算法可以生成用户吞吐量需求与卫星总能耗折中的系统设计方案,适用于频谱、能量资源高度受限的MB-LEO卫星系统。