低轨卫星通信下的OTFS信号检测算法研究
摘要
低轨卫星通信系统由于具有低功耗、广覆盖、单星可替代性强、不受地表极端情况
影响等优点，被列为6G发展中促进“空天海地”一体化融合的重要组成部分之一，具
有广阔的应用前景。然而低轨卫星通信系统存在卫星相对地面移动速度高、多普勒频移
大、信道特性复杂等问题，在地面通信系统中广泛使用的正交频分复用（Orthogonal
FrequencyDivisionMultiplexing,OFDM）调制技术在大多普勒频移信道条件下误码性能
差，不适用于低轨卫星通信系统。正交时频空（OrthogonalTimeFrequencySpace,OTFS）
调制是近年提出的新兴调制技术，不同于OFDM在时频域对信号进行处理，OTFS引入
时延-多普勒域的概念，将高动态场景下的时频双选信道转变为时延多普勒域下稀疏慢
变、所有符号经历近似相同复信道增益的时间无关信道，因此具有更强的鲁棒性。OTFS
信号检测是影响误码性能的关键技术之一，如何在计算资源紧张、可靠性要求高的低轨
卫星通信系统中实现复杂度与误码率的权衡是目前的热点问题。因此，论文对低轨卫星
通信下的低复杂度、高性能OTFS信号检测算法展开研究，论文主要研究内容如下：
首先，研究了低轨卫星移动通信特征与常用卫星通信信道模型，并根据低轨卫星通
信特性进行信道模型的适用性分析，同时研究了OTFS技术的基本原理以及常用信号检
测算法，对比分析低轨卫星通信下不同检测算法的优缺点及误码性能。
其次，针对低轨卫星通信下的OTFS信号检测算法难以实现复杂度与误码率权衡这
一问题，论文对误码性能较好的高斯近似消息传递（GaussianApproximateMessage
Passing,GA-MP）检测算法进行复杂度与计算量方面的优化改进，利用边缘后验概率替
代外部信息进行消息传递来减少计算量，同时引入概率阈值设置迭代停止准则以有效降
低计算复杂度。仿真结果表明，改进后的GA-MP算法在低轨卫星信道条件下误码性能
较好且复杂度有一定优势，实现了复杂度与误码率的权衡。
最后，为进一步提升误码性能，论文研究了联合译码的迭代检测算法。考虑一种采
用低密度奇偶校验码（LowDensityParityCheckCode,LDPC）编译码的单输入单输出
OTFS系统，将基于最大比合并的Turbo检测算法框架引入所提的Turbo检测算法中，
同时将复杂的对数似然比计算转变为符号表之间的映射。仿真结果表明，所提基于GA-
MP的Turbo检测算法在不同进制下性能均优于另外两种常用Turbo检测算法。
关键词：正交时频空调制；低轨卫星移动通信；信号检测；Turbo检测；消息传递算法
低轨卫星通信下的OTFS信号检测算法研究
Abstract
TheLowEarthOrbit(LEO)satellitecommunicationsystemislistedasoneofthe
importantcomponentsinthedevelopmentof6Gtopromotetheintegrationofthespace-air-sea
integratednetworkduetoitsadvantagessuchaslowpowerconsumption,widecoverage,strong
single-satellitereplaceability,andnotaffectedbyextremeconditionsontheground,whichhas
verybroadapplicationprospects.However,LEOsatellitecommunicationsystemsalsohave
problemssuchashighmovingspeedofLEOsatellitesrelativetotheground,largeDoppler
frequencyshift,andcomple