面向跳波束的Q/V频段卫星自适应传输优化研究

作     者：杨江涛 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张更新

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：高通量卫星 Q/V频段 降雨衰减 自适应编码调制 跳波束 资源分配 

摘      要：高通量卫星系统在极大提升通信容量的同时,能有效地降低每比特的传输成本,从而有效克服了卫星通信系统费用昂贵的缺陷,近几年来受到了广泛关注与研究。然而卫星通信固有长路径导致的强信号衰减以及频谱资源缺乏等问题,都将严重限制高通量卫星系统的性能。采用Q/V频段和跳波束技术的高通量卫星以更高的频谱效率和系统容量为目标,有效克服了上述几个关键问题。但是Q/V频段高路径损耗和跳波束资源分配问题是设计卫星通信系统时不得不考虑的问题,鉴于此本文针对Q/V频段高链路衰减,分析了信号空间传播特性,重点分析了降雨衰减,为了提高系统链路频谱效率,对严重的降雨衰减开展了自适应编码技术研究,并利用仿真结果研究了动态雨衰影响下跳波束前向链路时隙资源分配问题,具体如下:本文首先概述了高通量卫星发展优势和国内外现状,在指出频段拓展和跳波束技术为高通量卫星的关键技术的基础上,分析了Q/V波段卫星通信信号在传播过程中受到的链路衰减,重点分析了降雨对于Q/V波段卫星通信的影响,研究了基于ITU-R模型的Q/V降雨衰减;给出了Q/V波段短期和长期降雨衰减时间序列的合成方法,仿真获得了Q/V波段降雨衰减时间序列,并验证了其有效性,为后文研究Q/V波段卫星自适应编码调制和跳波束资源分配打下了基础。接着针对Q/V频段高链路雨衰,为了提高卫星链路频谱效率,提高资源利用率,研究了自适应编码调制技术。首先阐述了常用的对抗降雨衰减策略,分析了自适应编码技术的优越性,介绍了自适应编码调制技术的基本原理,针对门限法忽略传输时延的影响,为了实现最优的自适应性能,设计了自适应编码调制模式选择方法,提出一种期望频谱效率最大的模式选择方法。最后,针对降雨影响下的自适应过程,通过Matlab仿真验证了提出优化算法的性能优劣。最后在讨论采用跳波束技术的高通量卫星系统前向链路资源分配问题时,区别以往计算链路衰减时将由降雨引起的信号衰减视为定值的情形,结合链路采用的自适应编码调制抗雨衰措施,提出了一种动态雨衰下跳波束时隙资源分配方法。考虑雨衰对链路性能造成的影响,在采用自适应编码调制动态调整链路速率时,以最小化二阶差分容量为目标建立了跳波束时隙资源分配模型。为了对所建立的目标函数模型求解出跳波束时间计划表,分析解空间跳波束时间计划表多维性和目标函数的非线性,引入遗传算法进行求解。仿真结果显示,提出的资源分配算法在满足约束条件下系统容量和业务需求满足度皆有提升。