CN102412863B - 低轨稀路由卫星扩频通信传输方法 - Google Patents
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Abstract
低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,包括:在发送端,采用码分复用的方式将单路高速串行信号转化为多路低速并行信号传输,多路并行信号采用正交码字序列进行扩频,多路扩频输出信号在时域相加得到最终的扩频信号;在接收端,由于多路低速并行信号是正交扩频的,则在扩频码捕获时,接收信号与多路扩频码相关输出相加,提高信噪比,扩频码捕获完成后,接收信号经过多路正交解扩得到并行信号;该并行信号进行非相干迭代解调译码,在多普勒频移捕获和跟踪时,将多路解扩信号相加,提高信噪比,进行数据辅助频偏估计并校频。该方法具有扩频增益大、占用带宽小、易捕获和跟踪,同时也容易支持多信息速率传输。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术,具体地,涉及一种低轨稀路由卫星扩频通信传输方法。
背景技术
卫星移动通信系统最大的优势是不受地域和天气的限制,可在地球表面实现无缝隙覆盖,真正实现全球信息传输。随着国家战略利益的拓展,特种通信需求也日益增多,对数据速率和通信覆盖范围也提出更高要求。
与高、中轨道卫星移动通信系统相比,低轨道卫星移动通信系统的最突出特点是:可以做到覆盖全球,受地理环境影响较小;网络的顽存性强,少量卫星被摧毁,系统仍可使用,并能在几个小时之内补偿发射;传播时延短、传输损耗小、用户终端小、机动灵活;在支持大范围大量移动用户的数据通信方面更是具有突出的优势。这些特点使得低轨卫星移动通信系统非常适合国防军事和政府部门的应用。具体来说,低轨卫星移动通信系统可以提供如下特殊业务:
(1)低轨卫星移动通信系统可以在全球的任何地方,通过使用方便携带的收发终端给用户提供语音和数据业务,从而提供在一些通信设施薄弱或没有通信设施的地域进行通信的有效途径。
(2)低轨卫星移动通信系统容易支持手持终端,可以在分散的地理空间范围内方便地向个人、地面部队或者移动部队的多种移动平台提供语音和数据通信,可以快速的在战争指挥中心和前线作战人员之间进行命令的下达和信息的反馈,在军事行动中先期进入战区的侦察部队可以通过随身携带的终端以话音或者短消息的方式向战争指挥中心汇报战区信息。
(3)战时或平时经常需要在一些偏远地方运用小规模的部队或个人进行侦察情报搜集工作,这种分散的小区域行动,很难应用大的军事设施,低轨卫星移动通信系统因其小而灵活,非常适合分散的小规模大范围的军事侦察。
低轨稀路由应用环境的特种卫星通信体制,业务主要以突发短数据通信为主,对此有两个基本的要求:强抗干扰能力和通信的隐蔽性,而这正是直接序列扩频通信的特点,因而DS-CDMA体制特别适合低轨稀路由卫星通信。此外,DS-CDMA具有允许用户随机地访问卫星、通信保密性好、不需要全网同步、抗干扰、易切换和易扩容等优点,因此我们设计的传输方法采用突发DS-CDMA技术。
对于扩频系统而言,如果扩频码字越长,则抗干扰能力越强,此时需要的射频带宽也越大。要满足链路自适应抗干扰能力指标,可以从两个方面考虑:(1)不采用任何干扰抑制算法,仅依靠提高扩频处理增益,即增加扩频码长的方法满足该指标。(2)采用干扰抵消,参见公开文献“Rahul Singly, L B Milstein. Adaptive interference suppression for DS-CDMA. IEEE Transactions on Communications, 2002, 50(12):1902-1905”、自适应滤波,参见公开文献“Jenq-Tay Yuan, Jenq-Nan Lee. Narrow-band interference rejection in DS/CDMA systems using adaptive(QRD-LSL)-based nonlinear ACM interpolators. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2003, 52(2):374-379”和变换域处理,参见公开文献“Xuemei Ouyang, Moeness G Amin. Short-time Fourier transform receiver for nonstationary interference excision in direct sequence spread spectrum communications. IEEE Transactions On Signal Processing, 2001, 49(4): 851-863”等干扰抑制技术,与扩频处理增益结合一起达到指标要求。此时,虽然可以降低对扩频码长的要求,但是干扰抑制技术的能力有限,必须采用足够长的码长才能实现该指标。这里,我们考虑通过增加扩频码长度,即尽量提高扩频处理增益的方法,降低对干扰抑制算法的要求,同时增强链路对宽带信号的抗干扰能力。对于低轨卫星通信系统,目前常用的频段主要为UHF、L和S频段,这些频段的带宽资源有限,因此也必须考虑考虑如何降低扩频信号的带宽。
由于OFDM采用正交多载波调制技术,把高速率数据流分成多个低速数据流,用并行数据流去调制多个正交载波,减小了带宽需求,因此有文献提出将OFDM与CDMA结合起来,即为多载波CDMA技术,以降低信号所占带宽。多载波CDMA技术分为:频域扩频的MC-CDMA,参见公开文献“K Fazel, L Papke. On the performance of conolutionally-coded CDMA/OFDM for mobile communication system. IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobil Radio Communications, Yokohama, Japan, 1993: 468-472”、时域扩频的MC-DS-CDMA,参见公开文献“V Dasilva, E S Sousa. Performance of orthogonal CDMA codes for Quasisynchronous communication systems. Proceedings IEEE International Conference on Universal Personal Communications(ICUPC’93), Ottawa, Canada, Oct 1993: 995-999”和MT-CDMA,参见公开文献“L Vandendorpe. Multitone direct sequence CDMA system in an indoor wireless environment. IEEE First Symposium of Communications and Vehicular Technology, Benelus, 1993: 411-418”。遗憾的是,多载波CDMA技术要减小信号所占带宽,就必须大大增加子载波的个数,一方面增加了系统复杂度,不适宜小卫星和手持用户终端使用;另一方面使得调制信号在解调时对相位噪声和多普勒频移十分敏感,不利于在低轨卫星信道中使用。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题,提供一种低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,该方法具有扩频增益大、占用带宽小、易捕获和跟踪等优点,同时容易支持多信息速率传输。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,包括如下步骤:
步骤一:在发送端,采用码分复用的方式将单路高速串行信号转化为多路低速并行信号传输,多路并行信号采用正交码字序列进行扩频,多路扩频输出信号在时域相加得到最终的扩频信号;
步骤二:在接收端,由于多路低速并行信号是正交扩频的,则在扩频码捕获时,接收信号与多路扩频码相关输出相加,提高信噪比,扩频码捕获完成后,接收信号经过多路正交解扩得到并行信号;
步骤三:在接收端,解扩得到的多路并行信号进行非相干迭代解调译码,在多普勒频移捕获和跟踪时,将多路解扩信号相加,提高信噪比,进行数据辅助频偏估计并校频。
优选地,在所述步骤一中,选取基准扩频码C,同时选择多个正交Walsh序列W 1,W 2,…,W N ,基准扩频码C与Walsh序列W 1,W 2,…,W N 分别作与运算构造并行正交码字序列C 1(t),C 2(t),…,C N (t),按照并行正交码字序列C 1(t),C 2(t),…,C N (t)的个数对输入数据进行串并变换,得到N路低速并行数据流,N路低速数据流分别进行串行级联卷积码SCCC编码和数据成帧后,进行N路并行扩频和BPSK调制,再进行并行成形滤波,最后相加输出得到扩频信号。
优选地,在所述步骤一中,因为当扩频码长足够长时,其序列数是非常多的,同时扩频码序列的自相关性和互相关性都非常好。本发明构造并行正交码字C 1(t),C 2(t),…,C N (t)的过程为:选取长度为L的基准扩频码C,同时选择N个长度为L的正交Walsh序列W 1,W 2,…,W N ,则码字C 1(t),C 2(t),…,C N (t)可由基准扩频码C与Walsh序列W 1,W 2,…,W N 分别作与运算得到,因为Walsh序列同步时是正交的,则C 1(t),C 2(t),…,C N (t)也是正交的。此时,对于单个用户而言,串并变换后的N路并行扩频信号在码字域也是正交的。对于多个用户而言,由于扩频码较长,多个用户基准扩频码C之间的互相关值非常小,因此多用户之间并行正交码字的互相关值也非常小,而且对于并发用户数较少的稀路由系统,由此带来的多址干扰可以忽略不计。
优选地,在所述步骤一中,每一个并行支路的前导序列和帧间独特码UW都可以选择相同的信息,因此可以在扩频码捕获与跟踪、多普勒频移捕获与跟踪时,将N路信号进行相加,提高信噪比,从而提高捕获概率和跟踪精度。
优选地,在所述步骤一中,在每一路串行级联卷积码(SCCC)之间插入帧间独特码UW,以利于接收机在高动态和低信噪比条件下进行数据辅助参数估计。
优选地,在所述步骤一中,在所需带宽不变的条件下,更改并行支路个数,即可实现多速率传输。
优选地,在所述步骤二中,对于接收机而言,由于N路并行信号同时传输,且N路扩频信号是正交的,则在扩频码捕获时,用码字C 1(t),C 2(t),…,C N (t)并行相关后得到的N路Chip信号序列是相同的,则可直接相加,提高扩频码捕获的输入信噪比。
优选地,所述步骤三中,多普勒频移捕获和跟踪时,接收机在帧间独特码UW期间采用数据辅助的方法,估计出当前频偏,并根据串行级联卷积码SCCC编码长度,估计出多普勒频移变化率的值,并根据该值对解调译码信号进行频偏校正,从而提高信噪比。
本发明采用码分复用的方式将单路高速串行信号转化为多路低速并行信号传输,此时在传输带宽有限的情况下,可以采用大的扩频比,获得大的扩频处理增益,增强链路对宽带信号的抗干扰能力;结合干扰抑制技术,大大提高对窄带信号的抗干扰能力。同时,该方法在扩频比和传输带宽不变的条件下,容易实现多速率信号传输。针对低轨卫星信道的高动态特性,本发明采用SCCC编码BPSK信号作为编码调制方式。在接收端,在非相干迭代解调译码过程中,采用数据辅助校频的方法,可以消除多普勒频移变化率的影响,获得良好的误码率性能。
附图说明
图1是本发明提供的发送端结构框图;
图2是本发明提供的SCCC编码和数据成帧结构框图;
图3是本发明提供的接收机结构框图。
具体实施方法
下面结合附图和实施示例进一步说明本发明。
图1是本发明提供的发送端结构框图。先按照并行正交码字C 1(t),C 2(t),…,C N (t)的个数对输入数据进行串并变换,得到N路低速并行数据流,这些低速数据流再进行串行级联卷积码SCCC编码和数据成帧后,进行N路并行扩频,再进行并行成形滤波,最后相加输出得到扩频信号。假设输入信息速率为R b,经过串并变换后,每一路数据流的信息速率为R b/N,再经过效率为κ的SCCC编码和数据成帧后,每一路数据流的速率为R b/(Nκ),扩频码长为L,码片速率R c=LR b/(Nκ),当采用BPSK调制,平方根升余弦成形滤波器系数为α,则最终的扩频信号带宽为W=LR b (1+α)/(Nκ),可见扩频信号带宽W与扩频码长L成正比,与并行路数N成反比。要减小扩频信号带宽W,可以减小扩频码长L,或者增加并行路数N。减小扩频信号带宽W需要减小扩频码长L,而抗干扰能力指标要求增大L,这是一对矛盾。减小扩频信号带宽W需要增加并行路数N,此时每一路数据流的速率R b/(Nκ)将减小,而在大多普勒频移和多普勒频移变化率条件下选择调制解调方式时又要求尽量提高信息速率,这也是一对矛盾。根据以上分析,扩频码长L和并行路数N必须根据系统需求综合考虑各方面因素进行选择。
直接扩频方案:选取长度L=4096的扩频码,当信息速率为9.6kb/s时,进行码率为1/2的纠错编码后,扩频系统的码片速率也大于78Mchip/s,当采用BPSK调制,成形滤波器系数α=0.25时,扩频信号带宽W大于97.5MHz。如此大的扩频信号带宽,在低功耗手持终端上很难实现。
本发明提供的方法:选择扩频码长L=4096,并行路数N=4,当输入信息速率R b=9.6kb/s,SCCC编码和数据成帧的效率κ=6/13,码片速率R c=21.2992Mchip/s,成形滤波器系数α=0.25时,扩频信号带宽W=26.624MHz。可见本发明在采用长扩频码时可大大降低信号带宽。
本发明提供的方法具有扩频增益大、占用带宽小、易捕获和跟踪等优点,同时也容易支持多信息速率传输。例如,在上述参数包括扩频码长L、SCCC编码和数据成帧的效率κ、成形滤波器系数α和扩频信号带宽W不变的情况下,我们只需要分别改变并行路数N=1、2、4和8时,就可以实现速率R b=2.4、4.8、9.6和19.2kb/s的信息传输。
图2是本发明提供的SCCC编码和数据成帧结构框图。N路低速信号并行进行SCCC编码与数据成帧操作,其输出进行正交扩频。SCCC编码的外码选择为卷积码,内码采用差分编码。
图3是本发明提供的接收机结构框图。对于接收机而言,由于N路并行信号同时传输,且N路扩频信号是正交的,则在PN码捕获时,用码字C 1(t),C 2(t),…,C N (t)并行相关后得到的N路Chip信号序列是相同的,则可直接相加,提高PN码捕获的输入信噪比。同样的,多普勒频移捕获和跟踪时,如果用UW进行数据辅助频偏估计,也可以N路相加,提高信噪比。也就是,接收机仅需一个解扩和频偏估计电路,需要N个解调译码电路,由于N个支路的总速率为R b,因此接收机的复杂度并不大。对非相干迭代解调译码时,外码译码的加法SISO译码算法可参见公开文献“Benedetto S, Divsalar D, Montorsi G, Pollara F. A soft-input soft-output APP module for iterative decoding of concatenated codes. IEEE Communications Letters, 1997, 1(1): 22-24”。内码译码算法参见公开文献“Ian D. Marsland, P. Takis Mathiopoulos, et al. On the performance of iterative noncoherent detection of coded M-PSK signals, IEEE Transactions on Communications, 2000, 48(4), 588-596”,其简化算法参见公开文献“曹敏,尹虹,王国栋,李际平。基于SCCC结构非相干MAP 译码的简化算法。电子与信息学报,2010,32(10): 2526-2530”。针对多普勒频移变化率的情况,接收机在帧间独特码期间采用数据辅助的方法,估计出当前频偏,并根据SCCC编码长度,估计出多普勒频移变化率的值,并根据该值对解调译码信号进行频偏校正。
Claims (6)
1.一种低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一:在发送端,采用码分复用的方式将单路高速串行信号转化为多路低速并行信号传输,多路并行信号采用正交码字序列进行扩频,多路扩频输出信号在时域相加得到最终的扩频信号;
步骤二:在接收端,由于多路低速并行信号是正交扩频的,则在扩频码捕获时,接收信号与多路扩频码相关输出相加,提高信噪比,扩频码捕获完成后,接收信号经过多路正交解扩得到并行信号;
步骤三:在接收端,解扩得到的多路并行信号进行非相干迭代解调译码,在多普勒频移捕获和跟踪时,将多路解扩信号相加,提高信噪比,进行数据辅助频偏估计并校频;
在所述步骤一中,选取基准扩频码C,同时选择多个正交Walsh序列W1,W2,…,WN,基准扩频码C与Walsh序列W1,W2,…,WN分别作与运算构造并行正交码字序列C1(t),C2(t),…,CN(t),按照并行正交码字序列C1(t),C2(t),…,CN(t)的个数对输入数据进行串并变换,得到N路低速并行数据流,N路低速数据流分别进行串行级联卷积码SCCC编码和数据成帧后,进行N路并行扩频和BPSK调制,再进行并行成形滤波,最后相加输出得到扩频信号;
所述构造并行正交码字C1(t),C2(t),…,CN(t)的过程为:选取长度为L的基准扩频码C,同时选择N个长度为L的正交Walsh序列W1,W2,…,WN,则并行正交码字序列C1(t),C2(t),…,CN(t)可由基准扩频码C与Walsh序列W1,W2,…,WN分别作与运算得到,此时,由于Walsh序列同步时是正交的,则C1(t),C2(t),…,CN(t)也是正交的。
2.如权利要求1所述的低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,其特征在于:所述步骤一中,在每一路串行级联卷积码SCCC之间插入帧间独特码UW,以利于接收机在高动态和低信噪比条件下进行数据辅助参数估计。
3.如权利要求2所述的低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,其特征在于:所述串行级联卷积码SCCC的外码采用卷积码,内码采用差分编码。
4.如权利要求2所述的低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,其特征在于:所述步骤一中,每一个并行支路的前导序列和帧间独特码UW都选择相同的信息,可以在扩频码捕获与跟踪、多普勒频移捕获与跟踪时,将N路信号进行相加,提高信噪比,从而提高捕获概率和跟踪精度。
5.如权利要求1所述的低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,其特征在于:在所述步骤一中,为实现多速率传输,在所需带宽不变的条件下,可更改并行支路个数。
6.如权利要求1所述的低轨稀路由卫星扩频通信传输方法,其特征在于:所述步骤三中,多普勒频移捕获和跟踪时,接收机在帧间独特码UW期间采用数据辅助的方法,估计出当前频偏,并根据串行级联卷积码SCCC编码长度,估计出多普勒频移变化率的值,并根据该值对解调译码信号进行频偏校正,从而提高信噪比。
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