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LEO-MIMO卫星通信系统中多普勒频偏问题研究

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LEO-MIMO卫星通信系统中多普勒频偏问题研究

作者：张子枫东南大学

学位级别：硕士

卫星通信系统可以提供低开销、无缝连接和无处不在的通信服务,有助于6G实现全球覆盖的目标。由于卫星系统中的高速移动和资源受限特点,多普勒频偏(Doppler Frequency Offset,DFO)问题、资源分配问题和切换管理问题都会影响系统的性能。... 详细信息

卫星通信系统可以提供低开销、无缝连接和无处不在的通信服务,有助于6G实现全球覆盖的目标。由于卫星系统中的高速移动和资源受限特点,多普勒频偏(Doppler Frequency Offset,DFO)问题、资源分配问题和切换管理问题都会影响系统的性能。本文首先考虑含DFO影响的卫星通信系统,对系统频谱效率进行了分析与优化。同时,为了解决多普勒频偏问题,本文设计出一种低复杂度的自适应DFO估计补偿算法,可在不同环境下快速准确地估计并补偿DFO,以保障信号传输的鲁棒性。然后,针对多星协作场景中考虑DFO影响下资源分配与切换管理问题,本文运用多智能体深度强化学习(Multi-Agent Deep Reinforcement Learning,MADRL)算法较好地解决此类多约束混合变量优化问题,显著提高了系统性能。首先,介绍了卫星通信系统的两类信道建模方法,即确定性模型与随机性模型。研究了卫星系统多种多普勒频偏估计算法,包括时域算法、频域算法、变换域算法和波束域算法,并仿真分析了不同算法的性能。接着对几种常见的信道估计算法做了阐述,包括基于导频的信道估计、基于压缩感知的信道估计和角度域信道估计。然后,研究了多普勒频偏对低轨多输入多输出(Low Earth Orbit Multiple-Input and MultipleOutput,LEO-MIMO)卫星通信系统频谱效率的影响。给出存在DFO情况下的最小均方误差(Minimum Mean Squared Error,MMSE)信道估计,推导出采用最大比传输(Maximum Ratio Transmission,MRT)和最大信漏噪比(Maximum Average Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio,MASLNR)预编码时系统频谱效率准确的闭合表达式。为了降低多普勒频偏的影响,提出了一种基于历史数据的分阶段自适应DFO补偿算法。算法分为预补偿和精细补偿两个阶段。预补偿阶段根据卫星的轨道信息和用户的位置信息得到卫星端移动产生的DFO值,计算复杂度低,易于快速实现。精细补偿阶段应用基于过采样快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的波束对齐算法,可以得到更高的估计精度。所提出的两阶段补偿算法有益于实现复杂度和精确度的平衡,仿真结果验证了算法的有效性与鲁棒性。最后,研究了DFO影响下多星协作系统中资源分配、用户选择和切换管理问题。首先,推导出DFO影响下多星协作系统下行传输和速率、频谱效率及能量效率的闭合表达式,以最大化和速率为优化目标,建立了多约束混合变量的优化问题。基于观测空间、动作空间和奖励函数,创建了多星协作系统的部分可观察马尔科夫决策过程(Partially Observable Markov Decision Processes,POMDP)。提出了一种基于多智能体深度确定性策略梯度(Multi-Agent Deep Deterministic Policy Gradient,MADDPG)的用户选择与功率分配联合优化算法。为了解决动态多星系统中切换管理和移动资源分配问题,以最大化卫星服务时间内能效之和为目标,我们提出了一种基于MADDPG的切换管理与功率分配联合优化算法。通过与遗传(Genetic Algorithm,GA)算法和随机选择算法比较,仿真结果表明基于MADDPG的用户选择与功率分配联合优化算法能取得更好的性能表现。

关键词： LEO-MIMO卫星通信系统多普勒频偏自适应补偿算法多智能体深度强化学习多星协作系统

一种基于时域导频相位补偿的SOFDM大多普勒频偏抑制方法

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宇航学报 2009年第5期30卷 1985-1991页

作者：杨童李集林中国空间技术研究院卫星应用系统部北京100086

针对在卫星高速移动信道中传输SOFDM数据符号时受到较大的多普勒频偏干扰这一问题,研究并提出了一种通过直接校正数据符号的相位误差来抑制多普勒频偏的方法。对时域导频符号的相位按照一定的规则进行补偿,然后对补偿后的导频相位进行... 详细信息

针对在卫星高速移动信道中传输SOFDM数据符号时受到较大的多普勒频偏干扰这一问题,研究并提出了一种通过直接校正数据符号的相位误差来抑制多普勒频偏的方法。对时域导频符号的相位按照一定的规则进行补偿,然后对补偿后的导频相位进行线性插值来估计并校正数据符号的相位误差;理论分析表明,这种方法的计算复杂度较低,易于实现,并且占用的SOFDM系统资源仅为0.049%,便于工程应用;仿真结果表明,这种方法能够在速度为500km/h并且CIR接近0dB的高速移动环境下准确校正U分布峰值为1000Hz的大多普勒频偏引起的相位误差,进而使系统的误比特率(BER)降低到10-4量级,比普通系统的误码性能提高了两个数量级。

关键词：相位误差校正相位补偿时域导频多普勒频偏 SOFDM

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卫星通信中多普勒频偏的预校正

电波科学学报 2006年第2期21卷 224-228页

作者：孙川梅顺良清华大学电子工程系北京100084

在低轨道卫星通信中,由于多普勒效应,无线电信号会产生频率偏移现象,这为接收机设计带来了一定的困难。一种新方法可用于消除多普勒频偏的影响:根据卫星与地面接收站之间的相对位置和速度,可预先计算出信号的多普勒频偏。据此实时地修... 详细信息

在低轨道卫星通信中,由于多普勒效应,无线电信号会产生频率偏移现象,这为接收机设计带来了一定的困难。一种新方法可用于消除多普勒频偏的影响:根据卫星与地面接收站之间的相对位置和速度,可预先计算出信号的多普勒频偏。据此实时地修正接收机中数字频率合成器输出的本振频率,以达到消除多普勒频偏的目的。

关键词：低轨道卫星通信轨道参数多普勒频偏直接数字频率合成器

扩频系统中多普勒频偏快速估计算法的性能分析

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宇航学报 2008年第2期29卷 648-652页

作者：陈晓挺刘会杰梁旭文上海微小卫星工程中心

研究了直接序列扩频系统中基于DFT技术的大多普勒频偏估计算法。在分析DFT处理前后信噪比,DFT输出信号包络概率分布函数的基础上,推导了多普勒频偏检测的虚警概率、检测门限、检测概率和信噪比之间的关系。并结合某特定LEO卫星通信系统... 详细信息

研究了直接序列扩频系统中基于DFT技术的大多普勒频偏估计算法。在分析DFT处理前后信噪比,DFT输出信号包络概率分布函数的基础上,推导了多普勒频偏检测的虚警概率、检测门限、检测概率和信噪比之间的关系。并结合某特定LEO卫星通信系统应用,得到了各参数的选取方法以及多普勒频偏估计的性能。

关键词：低轨卫星多普勒频偏直接序列扩频 DFT

多普勒频偏条件下锁相环的捕获与跟踪技术研究

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多普勒频偏条件下锁相环的捕获与跟踪技术研究

作者：谷青川燕山大学

学位级别：硕士

随着通信技术的不断发展,使得信息交换技术正逐渐成为信息产业研究领域的主要问题。尤其为卫星通信提出了更高的要求,因此信息的准确发送与成功接受是卫星正常运行的前提。鉴于信息在长距离传送过程中噪声的严重影响,增加了锁相环信号... 详细信息

随着通信技术的不断发展,使得信息交换技术正逐渐成为信息产业研究领域的主要问题。尤其为卫星通信提出了更高的要求,因此信息的准确发送与成功接受是卫星正常运行的前提。鉴于信息在长距离传送过程中噪声的严重影响,增加了锁相环信号处理单元,用于对信号的快速捕获与无误差跟踪。本文对国内外关于锁相环捕获与跟踪性能的研究现状进行了综合分析比较,从另一个角度对多普勒条件下的锁相环性能进行了分析和研究。首先,本文以锁相环的基本构成为基础分析了锁相环的数学模型,从环路函数关系式的角度出发,对锁相环的稳定性性能进行了深入分析。通过锁相环捕获与跟踪算法的研究,更为全面的掌握了环路的跟踪特征以及捕获特性本身的缺陷。其次,本文针对环路带宽大小的选择与对环路输入噪声的抑制和频率的牵引之间的相互制约关系,根据传统锁相环的基本理论和构成,建立了辅助捕获锁相环的数学模型。通过仿真,给出了不同条件下的相轨迹和时间响应图以及任意初始相差对应的捕获带。实验表明,此方法有效解决了环路带宽与噪声滤除和频率牵引之间的矛盾,在工程应用中具有一定的指导意义。最后,针对传统二阶锁相环不能满足多普勒条件下的精密测速的缺点,本文建立了四阶锁相环的数学模型,分析了四阶环路的滤波器参数设计原则和设计方法,并给出了环路滤波器的数字实现框图和跟踪卫星多普勒频偏能力的仿真结果。实验表明,此方法在实现对卫星多普勒频偏跟踪中具有更大的优越性。

关键词：锁相环辅助捕获跟踪性能多普勒频偏相轨迹图

高速铁路环境下TD-SCDMA系统的多普勒频偏校正算法

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北京交通大学学报 2012年第5期36卷 51-56页

作者：巩晓群曹源谢鑫姜明许威东南大学移动通信国家重点实验室江苏南京210096 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程中心北京100044 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044

高速铁路环境带来的大多普勒频偏会严重破坏移动通信系统性能.为消除大多普勒频偏的影响并且不增加终端的设备复杂度,本文提出一种低运算复杂度的TD-SCDMA系统多普勒(Doppler)频偏校正方案.方案首先利用系统上行时隙中训练序列(Midamble... 详细信息

高速铁路环境带来的大多普勒频偏会严重破坏移动通信系统性能.为消除大多普勒频偏的影响并且不增加终端的设备复杂度,本文提出一种低运算复杂度的TD-SCDMA系统多普勒(Doppler)频偏校正方案.方案首先利用系统上行时隙中训练序列(Midamble)的结构特点估计多普勒频偏.然后,根据时分复用系统的特点,利用上行时隙的多普勒频偏估计结果在基站端对下行时隙进行多普勒频偏预校正.仿真结果表明,所提出的多普勒频偏校正方案在高速铁路环境下可以取得良好的性能.

关键词：多普勒频偏 TD-SCDMA 预校正高速铁路训练序列