LEO衛(wèi)星多普勒頻移及信道參數(shù)估計(jì)與頻譜感知研究.pdf

1、在低軌(LEO)衛(wèi)星通信中，信道存在多普勒頻移、多徑衰落等多種干擾，嚴(yán)重影響接收性能，同時(shí)主用戶在實(shí)際通信中只占用很小的帶寬，在頻域上呈現(xiàn)稀疏特性，頻譜利用率較低。針對這些問題，本論文主要開展LEO衛(wèi)星多普勒頻移估計(jì)算法、稀疏信道估計(jì)與頻譜感知研究，來實(shí)現(xiàn)LEO衛(wèi)星信道的高效識別、估計(jì)及利用的目的。首先，簡介了LEO衛(wèi)星通信背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。然后，概述了LEO衛(wèi)星信道，針對其在傳輸中存在的問題，基于現(xiàn)有的算法提出改進(jìn)方案。之后，建立

2、了典型中低軌衛(wèi)星信道的多普勒頻移模型，并分析其特征。針對單顆LEO衛(wèi)星頻譜資源受限，重點(diǎn)研究采用壓縮感知理論對衛(wèi)星稀疏信道估計(jì)與頻譜感知。最后總結(jié)了全文，即針對衛(wèi)星信道中存在較大多普勒頻移且呈現(xiàn)稀疏特性，改進(jìn)了傳統(tǒng)多普勒頻移估計(jì)算法，并采用壓縮感知重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信道的頻譜感知與信道估計(jì)，提高信道通信傳輸抗干擾性能。全文內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.在衛(wèi)星信道中，多普勒頻移是影響其通信性能的主要因素。針對中低橢圓軌道衛(wèi)星信道特點(diǎn)

3、，提出一種利用半長軸、偏心率和載波頻率等參數(shù)來預(yù)測衛(wèi)星多普勒頻移的算法。該算法主要開展了多普勒頻移公式推導(dǎo)和理論分析，得到其估計(jì)的解析解，可作為多普勒頻移的預(yù)補(bǔ)償協(xié)助信道估計(jì)。仿真驗(yàn)證了所提算法能較精確地計(jì)算不同軌道下衛(wèi)星多普勒頻移參數(shù)，且相比傳統(tǒng)三維坐標(biāo)算法降低了復(fù)雜度，提高了效率；
　　2.傳統(tǒng)基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法因?qū)ьl占據(jù)額外信道帶寬，降低了信道利用率。故利用壓縮感知重構(gòu)算法，提出了改進(jìn)的OMP快速稀疏信道估計(jì)算法。該算法

4、在OMP算法基礎(chǔ)上，在每次迭代時(shí)采用多原子選擇方式，即選出殘差與測量矩陣內(nèi)積間最優(yōu)的M列向量，并對其估計(jì)。最后，將所得估計(jì)值優(yōu)化，得到最優(yōu)估計(jì)向量h。在相同估計(jì)效果下，該改進(jìn)OMP算法導(dǎo)頻數(shù)遠(yuǎn)小于LS算法，因而節(jié)省了較多帶寬。仿真表明：在訓(xùn)練序列長度相同時(shí)，該改進(jìn)算法較LS算法雖所耗時(shí)間相差無幾，但其可獲得更優(yōu)越的信道估計(jì)性能；
　　3.針對LEO衛(wèi)星群中單顆衛(wèi)星通信頻譜資源有限問題，提出了利用認(rèn)知無線電協(xié)作寬帶頻譜感知算法，來實(shí)

5、現(xiàn)寬帶頻譜的精確感知。根據(jù)聯(lián)合稀疏模型(JSM-2)，提出了快速低復(fù)雜度頻譜感知算法。其在分布式壓縮感知正交匹配追蹤算法(DCS-OMP)基礎(chǔ)上，以前一時(shí)刻感知結(jié)果為先驗(yàn)條件，來感知當(dāng)前時(shí)刻頻譜占用情況。而且，在信號重構(gòu)中，以殘差門限為判決條件，極大減少了迭代次數(shù)，簡化了重構(gòu)復(fù)雜度。仿真表明：在頻譜占用變化小時(shí)，相對原DCS-OMP算法，所提算法可獲類似性能，且在認(rèn)知用戶數(shù)較多時(shí)，顯著減少復(fù)雜度和延遲。當(dāng)稀疏度為20，信號長度為500，