[论文解读] Signal Processing for High Throughput Satellite Systems: Challenges in New Interference-Limited Scenarios

A Perez-Neira, Miguel Ángel Vázquez+3 more|Open Repository and Bibliography (University of Luxembourg)|Feb 12, 2018

Satellite Communication Systems被引用 6

一句话总结

本文提出用于超高速卫星（V/HTS）系统的信号处理技术，以应对由于密集频率复用和与地面网络共存而引起的干扰受限场景。通过地面预编码、卫星-地面混合缓存以及认知无线电技术，提升频谱效率并支持5G融合。

ABSTRACT

The field of satellite communications is enjoying a renewed interest in the global telecom market, and very high throughput satellites (V/HTS), with their multiple spot-beams, are key for delivering the future rate demands. In this article, the state-of-the-art and open research challenges of signal processing techniques for V/HTS systems are presented for the first time, with focus on novel approaches for efficient interference mitigation. The main signal processing topics for the ground, satellite, and user segment are addressed. Also, the critical components for the integration of satellite and terrestrial networks are studied, such as cognitive satellite systems and satellite-terrestrial backhaul for caching. All the reviewed techniques are essential in empowering satellite systems to support the increasing demands of the upcoming generation of communication networks.

研究动机与目标

• 通过采用多 spot beam 的 V/HTS 系统满足卫星通信中对高速率日益增长的需求。
• 克服由于与地面网络共享频谱而导致的密集频率复用场景下的干扰限制。
• 通过卫星-地面混合架构实现卫星系统与未来 5G 及更网络的无缝集成。
• 开发降低用户终端复杂度的同时保持高 spectral efficiency 的信号处理技术。
• 研究在 V/HTS 系统中采用编码缓存和混合传输模式（单播/广播）以实现最优负载均衡的可行性。

提出的方法

• 在关口站采用地面预编码，以减轻高频率复用下多波束 V/HTS 系统中的多用户干扰。
• 在用户终端实施先进的多用户检测技术，以提升低信噪比和干扰受限环境下的信号检测性能。
• 集成能够动态适应频谱可用性并与地面网络共存的认知卫星系统。
• 利用带缓存的卫星-地面混合回传链路，实现流量卸载并减轻回传负载。
• 在地面部分应用编码缓存，预先处理并将文件的异或组合分发至基站，以实现传输增益。
• 使用依赖于流行度参数和阈值的代价函数，对单播与广播传输模式之间的权衡进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过地面预编码和多用户检测提升在高频率复用下干扰受限的 V/HTS 系统中的频谱效率？
• RQ2 在不同流量需求和流行度分布下，V/HTS 系统中单播与广播传输模式的最优平衡是什么？
• RQ3 如何将编码缓存适配至卫星-地面一体化网络，以实现全局缓存增益而不增加回传负载？
• RQ4 在将 V/HTS 系统与 5G 及未来移动网络集成时，关键的信号处理挑战是什么？
• RQ5 多普勒频移和星间链路如何影响中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）卫星巨型星座中的信号处理？

主要发现

• 通过地面处理（OGP）结合预编码，显著提升了多波束 V/HTS 系统中的频谱效率，有效管理了波束间干扰和多用户干扰。
• 混合单播/广播传输模式的代价函数在中间阈值处取得最小值，表明两种模式之间存在最优平衡。
• 编码缓存实现了与总缓存内存倒数成正比的全局缓存增益，优于非编码缓存。
• 当文件流行度服从参数为 α 的幂律分布时，缓存增益达到最大，且文件交付的最优阈值取决于 α。
• 编码缓存的放置阶段必须严格采用单播传输，因此地面网络在预缓存中至关重要。
• 系统级性能对单播与广播速率比高度敏感，典型配置下最优性能出现在 R_uc/R_bc ≈ 3 时。