针对低轨卫星通信系统特点,结合当前世界上应用最广泛的数字卫星电视广播(Digital Video Broadcasting,DVB)协议,对卫星通信下行链路进行设计与验证。介绍了协议整体架构的设计和链路模型的搭建,重点描述了同步模块中的预频偏估计过程...
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针对低轨卫星通信系统特点,结合当前世界上应用最广泛的数字卫星电视广播(Digital Video Broadcasting,DVB)协议,对卫星通信下行链路进行设计与验证。介绍了协议整体架构的设计和链路模型的搭建,重点描述了同步模块中的预频偏估计过程的设计。频偏预估计实现了在进行精细的频偏估计和补偿之前对大频偏的估计和补偿,降低了对后面频偏估计模块估计范围的要求,从而提高了整个链路频偏估计和补偿的性能。通过对整个链路进行仿真测试,结果验证了链路的实际效果良好,适用于工程性开发。
相比高轨卫星通信,低轨卫星通信以其传播时延小、路径损耗低等特点成为补充扩展地面网络覆盖的有效选择。由于低轨卫星相对地面高速移动,用户链路需频繁切换以保证终端通信服务连续性,此外,考虑到低轨卫星通信资源受限,面向时变的用户业务需求,波束资源管理也是一项重要研究内容。为此,本文以低轨卫星通信系统级仿真平台为基础,对用户链路切换和波束资源管理技术进行研究和性能评估,主要工作和创新点如下:首先,设计并搭建了低轨卫星通信系统级仿真平台,完成了场景构建模块、星地信道仿真模块、星载多波束天线模块、用户链路切换控制模块和波束资源管理模块,提出了相对地球球面移动的多波束投影建模方法,实现了低轨卫星通信移动波束覆盖场景的动态运行。通过与3GPP相关提案进行终端信号干扰噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)和用户链路耦合损耗校准,验证了平台正确性。之后,针对当前用户链路切换算法复杂度高和对移动波束投影变形情况考虑不全的问题,为移动波束覆盖场景设计了三种简单可行的用户链路切换策略,分别为基于参考信号接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)的切换机制、基于最小波束角的切换机制和基于最长剩余服务时间的切换机制。基于搭建的系统级仿真平台,评估了不同切换机制下切换频率、用户RSRP和链路中断次数等指标,结果表明基于最小波束角的切换机制能较好保证用户RSRP,与其他两种机制相比平均用户链路中断次数降低了 10倍,综合性能最好;基于最长剩余服务时间的切换机制切换频率降低了 40%,但用户总体RSRP水平较低;基于RSRP的切换机制受测量误差等因素影响,链路中断次数和切换频率均较高。最后,针对当前波束资源管理算法仅考虑静态或单星场景且对多维通信资源联合优化考虑不足的问题,面向移动波束覆盖场景提出了基于空间隔离角的波束资源管理机制和基于改进粒子群算法的波束资源管理机制,对跳波束图案、波束频率和功率资源进行联合优化。通过系统级仿真平台对两种机制进行性能验证,结果表明对于full buffer业务,基于改进粒子群算法的波束资源管理机制与基于空间隔离角的波束资源管理机制相比,系统容量提高了约25%,且频率复用因子越低系统容量越高;对于FTP3业务,基于改进粒子群算法的波束资源管理机制在用户业务满足度和数据包发送等待时间方面基本优于基于空间隔离角的波束资源管理机制,且在用户业务量负载较轻时,频率复用因子越高,波束资源分配越灵活,用户业务满足度等性能指标表现越好。综上,本文对低轨卫星通信用户链路切换和波束资源管理进行了研究,通过搭建系统级仿真平台评估了关键技术性能,为后续其他技术的研究提供了仿真平台基础,也为低轨卫星通信系统设计提供了技术方案参考。
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