CN101795152B - 前向链路基于sc-ofdma的卫星移动通信系统 - Google Patents
前向链路基于sc-ofdma的卫星移动通信系统 Download PDFInfo
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Abstract
前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，属于卫星移动通信领域，其特征在于，前向链路基于SC-OFDMA体制，将用户的单载波信号通过DFT(离散傅立叶变换)或FFT(快速傅立叶变换)映射到不同子载波上，再进行IFFT(快速逆傅立叶变换)，实现正交发送各用户信号，以提高频谱资源利用率和降低卫星前向链路峰均功率比；在以多波束为基础的卫星移动通信系统中，处于波束重叠区的用户根据所属波束分配不同的子载波组，以降低波束间的同频干扰，从而达到提高系统容量的目的。
Description
技术领域
前向链路基于SC-OFDMA(单载波正交频分多址)的卫星移动通信系统属于卫星移动通信领域，主要解决卫星移动通信系统前向链路峰均功率比大的问题，提高系统的功率效率，降低小区间的同频干扰，为用户提供高质量的移动通信服务。
背景技术
卫星移动通信系统具有广泛的覆盖特性，用户的机动性不受地面基础设施的影响，很好地弥补了地面移动通信系统集中在人口密集区域和交通干线的不足。卫星移动通信系统不依赖于局部的地面基础设施，当部分区域遭受到人为或自然灾害破坏时，卫星移动通信系统能够发挥突出的作用。
在下一代移动通信系统LTE(长期演进计划)中被广泛接受的OFDM(正交频分复用)技术具有抗多径衰落和频谱利用率高等优点，然而其存在的缺点是峰均功率比高，导致功率放大器可能工作于非线性区域而引入交调畸变，因而降低信道估计和信号检测等性能。为避免非线性失真常常应用功率回退技术，却降低了放大器的功率效率，应用于卫星通信系统将受卫星功率资源的制约。
本发明针对卫星移动通信的特点，提出前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统。传统的FDMA(频分多址)技术使用滤波器和NCO(数控振荡器)实现不同用户在不同载波上的发送与接收，载波之间必须预留一定的保护间隔，降低了频谱利用率，同时接收机还需要大量的滤波器分离用户信号，具有较高的实现复杂度。本发明结合预编码正交复用和频分多址技术，将用户的单载波信号通过DFT(离散傅立叶变换)或FFT(快速傅立叶变换)映射到不同子载波上，再进行IFFT(快速逆傅立叶变换)，实现各用户信号的正交发送，接收端只需单个FFT变换就能实现用户信号分离，节省滤波器的同时能够有效提高信道的频谱利用率，降低卫星前向链路的峰均功率比，提高卫星的功率效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，系统包括采用SC-OFDMA体制的信关站、卫星转发器和采用SC-OFDMA体制的终端。本发明使用的SC-OFDMA多址体制，将用户的单载波信号通过DFT或FFT映射到不同子载波上，再进行IFFT，实现各用户信号的正交发送。和已有的卫星移动通信系统相比，本发明可以有效降低前向信号峰均功率比、提高功率效率和提高无线资源利用率。另一方面，SC-OFDMA实现了频率分集和干扰平均，通信链路具有良好的抗衰落性能。为适应业务需求，还可以动态选择子载波的比特分配、发射功率和调制编码方式。
此外，在以多波束为基础的卫星移动通信系统中，本发明在下行波束间采用分数频率复用技术，在波束重叠区和波束中心区使用不同的子载波组，降低波束间的同频干扰，从而达到降低频率复用因子、提高系统容量的目的。
前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，其特征在于，含有发射机、卫星转发器和接收机，其中：
发射机，设于信关站中，由单载波正交频分多址SC-OFDMA基带处理模块和射频模块串接组成，其中：
SC-OFDMA基带处理模块由数字集成电路芯片组成，设有依次串接的以下单元：信道编码单元、星座映射单元、DFT单元、子载波映射单元、IFFT单元和组帧单元，其中：
信道编码单元，对输入的信息比特流进行信道编码，输出编码比特流，
星座映射单元，对输入的编码比特流进行星座映射，输出复数数据流，
DFT单元，对输入的所述复数数据流进行离散傅里叶变换，输出DFT扩展的复数数据流，
子载波映射单元，根据用户的地理位置信息为所述DFT扩展的复数数据流分配子载波序号，用户通过向所述信关站发送注册信息获取地理位置信息，注册信息至少包括：消息类型、本机用户地址、用户的经度、用户的纬度和用户的高度，
IFFT单元，所有子载波对应的数据并行输入此IFFT单元以实现正交调制，用作保护间隔的子载波和用作导频的子载波也含在内，
组帧单元，首先对IFFT单元输出的并行数据进行串并变换得到IFFT数据块，再在IFFT数据块的前面插入保护间隔构成正交频分复用符号，添加训练序列作为帧头、以若干个正交频分复用符号作为帧体构成无线帧，最后添加训练序列作为帧头、以若干无线帧作为帧体构成超帧，输出基带数字信号，
射频单元，对输入的所述基带数字信号进行数模变换和上变频处理产生模拟射频信号，使用天线将射频信号辐射出去，
卫星转发器，接收所述发射机发送的射频信号，对其滤波和放大后发向地面，
接收机，由依次串接的射频模块、基带处理模块和检测模块构成，其中：
射频模块，接收卫星转发器发向地面的信号，对其进行下变频处理和模数变换，输出基带数字信号，
基带处理模块，依次对所述基带数字信号做如下处理：匹配滤波、去循环前缀、串并变换、FFT变换、子载波去映射、频域均衡和IDFT，输出编码符号估计序列，
检测模块，对输入的所述编码符号估计序列进行译码判决，输出信息比特。
根据权利要求书1所述的前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，其特征在于，在以多波束为基础的卫星移动通信系统中，把使用于所述卫星转发器到所述接收机之间的前向用户频段划分为A和B两个不重叠的频段，发射机的子载波映射单元根据用户的位置信息判断用户属于小区中心区用户还是小区边缘用户，把A频段分配给小区中心区用户，把B频段进一步分为B1，B2和B3三个频段，分别分配给两两相邻小区的边缘用户，确保波束重叠区中的用户不会发生子载波冲突。
本发明中的SC-OFDMA多址体制和传统卫星移动通信体制相比具有以下四个显著特征：
●降低前向信号峰均功率比；
●提高频带利用率；
●减少下行波束间同频干扰；
●自适应调整子载波的比特分配、功率分配和调制编码方案。
下面分别对这四个特点进行说明：
●降低前向信号峰均功率比；
SC-OFDMA的主要原理和OFDMA类似，同样具备抗多径衰落、无需复杂均衡器的优点，所不同的是SC-OFDMA在IFFT处理前对数据符号作DFT处理，将数据符号扩展到整个子载波范围，形成了单载波结构，相比OFDM表现出较低的峰均功率比。将SC-OFDMA应用于卫星移动通信系统的前向链路可以提高卫星转发器功率效率，降低对功率放大器性能要求，有利于卫星载荷的小型化和轻量化。
●提高频带利用率；
传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。在SC-OFDMA系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，SC-OFDMA系统可以最大限度地利用频谱资源。因此，本发明的频带利用率高是本系统的一个最重要特征。
●减少下行波束间同频干扰；
所有下行波束使用相同的频带能够最大化提高频谱利用率，然而，在这样的系统中波束边缘用户将遭受恶劣的同频干扰。研究表明，使用分数频率复用技术，系统的频率复用系数处于1/3～1之间，在降低同频干扰的同时为提高频谱利用率提供了一种良好的解决方案。一方面，相邻的波束边缘用户使用不同子载波组，可以避免同频干扰，另一方面，位于波束中心区用户复用相同的频段，由于距离的作用，引入的同频干扰很小，因而可以在降低波束间干扰的同时维持较高的频谱利用率。
●自适应调整子载波的比特分配、功率分配和调制编码方案。
SC-OFDMA各子载波的比特分配、调制方式、前向纠错编码和发射功率都是可以自由选择的，因此可以根据广播信道的动态变化调整这些参数，满足业务的需要。其主要特征在于：
总之，本发明提出的前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，采用了SC-OFDMA体制，解决了卫星通信载荷峰均功率比大的问题，提高了系统功率效率，降低了用户间多址干扰，提供了高容量、高质量的移动通信服务。
附图说明
图1前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统的组成框图；
图2SC-OFDMA调制器的组成框图；
图3分数频率复用技术；
图4子载波分配示意图；
图5用户地理位置信息的获取；
图6卫星转发器的组成框图；
图7终端接收机的组成框图；
图8前向信号峰均功率比比较。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式说明如下：
本发明提出的前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统如附图1所示，包括包括采用SC-OFDMA体制的信关站、卫星转发器和采用SC-OFDMA体制的终端。
为实现本发明的目的，本发明的信关站具有SC-OFDMA调制器，其结构组成如附图2所示。其中，预编码实现了星座映射、DFT扩展和子载波映射，星座映射可采用查表的方式实现，DFT可采用FFT快速实现，子载波映射的实现只需将各路数据符号按照分配的子载波序号输入IFFT。可用的频谱资源划分为若干个子载波，两端子载波作为保护间隔，剩下的子载波动态地划分为若干信道，包括业务信道和控制信道。本发明所述的方法在发射端依次进行以下步骤：
(1)首先使各路编码比特流分别经过星座映射，成为复数数据流；
(2)分别对各路复数数据流进行DFT扩展；
(3)根据用户的地理位置信息，为各路经DFT扩展后的复数数据流分配子载波序号，满足分数频率复用的需要；
(4)所有子载波(包括保护子载波、插入的导频)对应的数据符号作为IFFT的并行输入，进行IFFT变换；
(5)对IFFT输出的数据进行并串转换，并在IFFT数据块的前面插入保护间隔形成时域符号；
(6)上述时域符号按照无线帧的结构进行组帧，可选择在帧头添加训练序列组成无线帧；
(7)上述无线帧按照超帧的长度进行分帧，可选择在超帧的帧头添加训练序列组成超帧；
(8)把上述基带数据进行数模变换和上变频调制，生成射频信号；
(9)最后射频信号经天线辐射出去。
为实现如图3所示的分数频率复用，分配子载波的过程如图4所示，所述的分数频率复用技术，在降低同频干扰的同时还保持较高的频谱利用率，其具体步骤是，将整个下行用户频段分为两个不重叠的部分A和B，进一步将B频段分为3个频段B1，B2和B3，预留给两两相邻小区的边缘用户使用。将每个小区中的用户分为两组，分别为小区中心区用户和小区边缘用户，小区中心区用户使用A频段，分配方式可以是连续分配也可以是非连续分配；小区边缘用户分配B1，B2和B3内的子载波，确保波束重叠区中的相邻用户不会发生子载波冲突。
所述的子载波分配方法，信关站根据用户地理位置信息(经度、纬度和高度)和波束几何特征判断用户处于哪一个下行波束小区以及是否处于波束重叠区，若用户处于波束小区i的中心区域位置，则从波束小区i对应的馈电频段为其分配空闲子载波组，此馈电频段在卫星转发器中变频至下行频段A；否则，选择的馈电频段在卫星转发器中变频至下行频段Bj。分配子载波组时利用无线资源调度算法，可实现特定准则的最优分配，例如最大公平性，最大吞吐量等。所述的用户地理位置信息可以通过用户注册获取，其流程如图5所示。当用户地理位置发生变化(根据事先设定的阈值判定)时，则向信关站发送基于位置的注册，信关站向用户相应注册确认及应答。注册消息的结构必须包含用户的地理位置信息，及用户所在的经度、纬度和高度。信关站获取用户地理位置信息后可将其存入位置寄存器，以备后续使用。
卫星转发器如附图6所示，实现了信号的放大、滤波和变频，把所有波束的前向馈电频段变频至相同的下行用户频段，以实现频率复用。
终端接收机的组成结构如图7所示，实现了特定用户的信息的接收。其中，去子载波映射只需按照用户分配的子载波序号从DFT输出选择对应的符号。
在本发明中，我们针对卫星移动通信的特点提出前向链路基于SC-OFDMA的多址通信体制，降低了发射信号的峰均功率比。结合分数频率复用技术，可以减少了小区间干扰，充分利用了宝贵的频谱资源。SC-OFDMA调制器基本原理如附图2所示，上述物理实现都可利用数字信号处理芯片(DSP)、微处理器(MCU)或者现场可编程逻辑阵列(FPGA)编程实现，不需要专门的电路。
本发明的一个具体实施例
本发明提出的前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，下行链路使用带宽为1.4MHz的S频段，子载波数量为128个。以下给出工作流程，便于理解本发明的目的、特征和优点。
(1)采用1/2Turbo码对信息比特编码，并计算各路编码比特流所需子载波数；
(2)各路编码比特流进行QPSK星座点映射后，形成复数数据流，其中(0，0)映射为
(1，0)映射为
(1，1)映射为(0，1)映射为
(3)再对其进行DFT变换，DFT的点数和分配的子载波数目相同；
(4)经过子载波映射后，数据子载波、导频(也可以不加入导频)和保护子载波、零频子载波一同作为IFFT的128个并行输入，进行128点的IFFT变换；
(5)在IFFT输出的数据块前端插入长度为4μs的保护间隔，并串转换后输出时域数据流；
(6)对上述时域数据流按照无线帧的长度进行组帧，在帧头添加训练计序列组成无线帧；
(7)对上述所有无线帧按照超帧体的长度进行分帧，在帧头添加训练序列组成超帧；
(8)基带处理以后的数据经过数模(D/A)变换，形成连续模拟信号，然后经过上变频，调制到射频；
(9)最后将调制信号发射出去。
为完整说明本发明的具体实施方法，以下给出一种可能的移动终端实现流程的例子：
(1)终端的射频单元接收卫星信号，实现下变频和模数变换，产生数字基带信号；
(2)利用基带信号中的同步训练序列进行帧同步和载波同步，载波同步以后，可以从无线帧帧头的信道估计序列和无线帧帧体的导频中提取信道的状况，用于信道均衡；
(3)去掉数据符号中的循环前缀恢复IFFT数据块，对其进行FFT变换、子载波去映射、均衡和IDFT变换实现频域均衡，最后符号检测产生信息比特。
对上述系统进行计算机仿真测试，得出了下面的结果：
附图8比较了SC-OFDMA和传统的OFDMA、FDMA体制的峰均功率比。仿真场景设为四个用户的通信系统，总带宽1.4MHz，每个用户带宽350kHz，FDMA体制下采用两种方式：一是分配单用户10个32.5kHz子载波，二是分配单用户单个350kHz载波。这两种情况下的峰均功率比都大于SC-OFDMA体制。这是因为SC-OFDMA用户间信号叠加是在IFFT之前进行的，更加接近单载波系统。可以看到，同等条件下，SC-OFDMA通信体制下的功率效率最高。
Claims (2)
1.前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，其特征在于，含有发射机、卫星转发器和接收机，其中：
发射机，设于信关站中，由单载波正交频分多址SC-OFDMA基带处理模块和射频模块串接组成，其中：
SC-OFDMA基带处理模块，由数字集成电路芯片组成，设有依次串接的以下单元：信道编码单元、星座映射单元、DFT单元、子载波映射单元、IFFT单元和组帧单元，其中：
信道编码单元，对输入的信息比特流进行信道编码，输出编码比特流，
星座映射单元，对输入的编码比特流进行星座映射，输出复数数据流，
DFT单元，对输入的所述复数数据流进行离散傅里叶变换，输出DFT扩展的复数数据流，
子载波映射单元，根据用户的地理位置信息为所述DFT扩展的复数数据流分配子载波序号，用户通过向所述信关站发送注册信息获取地理位置信息，注册信息至少包括：消息类型、本机用户地址、用户的经度、用户的纬度和用户的高度，
IFFT单元，所有子载波对应的数据并行输入此IFFT单元以实现正交调制，用作保护间隔的子载波和用作导频的子载波也含在内，
组帧单元，首先对IFFT单元输出的并行数据进行并串变换得到IFFT数据块，再在IFFT数据块的前面插入保护间隔构成正交频分复用符号，添加训练序列作为帧头、以若干个正交频分复用符号作为帧体构成无线帧，最后添加训练序列作为帧头、以若干无线帧作为帧体构成超帧，输出基带数字信号，
射频模块，对输入的所述基带数字信号进行数模变换和上变频处理产生模拟射频信号，使用天线将射频信号辐射出去，
卫星转发器，接收所述发射机发送的射频信号，对其滤波和放大后发向地面，
接收机，由依次串接的射频模块、基带处理模块和检测模块构成，其中：
射频模块，接收卫星转发器发向地面的信号，对其进行下变频处理和模数变换，输出基带数字信号，
基带处理模块，对所述基带数字信号依次做如下处理：匹配滤波、去循环前缀、串并变换、FFT变换、子载波去映射、频域均衡和IDFT，输出编码符号估计序列，
检测模块，对输入的所述编码符号估计序列进行译码判决，输出信息比特。
2.根据权利要求1所述的前向链路基于SC-OFDMA的卫星移动通信系统，其特征在于，在以多波束为基础的卫星移动通信系统中，把使用于所述卫星转发器到所述接收机之间的前向用户频段划分为A和B两个不重叠的频段，发射机的子载波映射单元根据用户的位置信息判断用户属于小区中心区用户还是小区边缘用户，把A频段分配给小区中心区用户，把B频段进一步分为B1，B2和B3三个频段，分别分配给两两相邻小区的边缘用户，确保波束重叠区中的用户不会发生子载波冲突。
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