CN106789780B

CN106789780B - 低轨卫星ofdm系统中载波间干扰自消除方法

Info

Publication number: CN106789780B
Application number: CN201611204153.3A
Authority: CN
Inventors: 马天鸣; 姜泉江; 赵笙罡; 王文川
Original assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Current assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN106789780A

Abstract

本发明公开了低轨卫星通信OFDM系统中载波间干扰自消除的方法，包括：步骤一、序列发生器发送子载波序列组X₀(k)，k＝0,2,…,N/4‑2；步骤二、对X₀(k)进行插零、取反、圆周移位等变换后得到子载波序列组X₂(k)，0≤k≤N/4‑1，N/4为整数；步骤三、对X₂(k)按照4种不同的插零、乘以旋转参数、圆周移位等方式进行调制处理后得到4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)，0≤k≤N‑1，再将这4个序列组进行合并后得到所需要的子载波序列组X(k)，0≤k≤N‑1；步骤四、调制处理后，接收端对发射端的4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)分别进行解调后得到4组接收信号，再将这4组接收信号进行合并相加，便可得到接收端最终所需要的接收信号Y′(k)，0≤k≤N‑1。

Description

低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法

技术领域

本发明涉及低轨卫星通信系统技术领域，尤其涉及一种低低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法。

背景技术

卫星以其通信距离远、覆盖范围广、组网灵活、不受地理环境条件限制以及不受地面设备条件限制等特点，因而在无线通信领域占有重要的地位。在卫星移动通信系统中，低轨(Low Earth orbit,LEO)卫星移动通信系统起着越来越重要的作用。低轨移动通信系统具有许多其他地面传输设备所不具备的优越性：相对于地面无线通信系统，低轨卫星通信系统覆盖面广；相对于静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)、中轨(Medium Earth Orbit,MEO)卫星通信系统，低轨卫星组网灵活，卫星运行轨道低，星地链路传输时延较小，并且可以与高轨卫星、中轨卫星组成天机系统。

低轨卫星通信系统在卫星通信系统中的重要地位，决定了低轨卫星通信系统链路传输质量的高效性。但相对于地面用户终端来说，低轨卫星较高的运行速度，高频段载波传输，星地链路传输损耗以及信道衰落严重等特性，使得低轨卫星移动通信系统的信号传输质量受到严重的影响。同时由于低轨卫星波束频繁切换造成信道的时变性，以及信号带宽传输时多径信道频率选择性衰落特性，造成复杂多变的信道环境。因此低轨宽带卫星通信系统需要采用一种较好的抗频率选择性衰落的多载波传输方式。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)属于一种多载波调制技术，针对需要提高频带利用率的低轨宽带卫星通信系统而言，其可以解决频带资源受限的问题，同时由于卫星通信传输过程中经历地理环境较复杂，OFDM的抗多径的特点可以削弱复杂多变的环境对信号传递的负面影响。因此自上世纪末以来，将OFDM技术与卫星通信相结合已经引起了国内外学者们的广泛关注。

虽然OFDM系统较传统的频分复用系统相比具有很强的抗多径和干扰的能力，能够有效的抑制符号间串扰(Inter Symbol Interference,ISI)，但实际中的低轨卫星移动衰落信道在传输时也会受到诸如多径传播、时延扩展、衰落特性以及多普勒效应等因素的影响，由此造成OFDM系统子载波之间的正交性受到破坏，导致载波间干扰(Inter-channelInterference,ICI)。而OFDM是建立在子载波严格正交的基础上的，如果不采取有效措施对ICI进行抑制，不仅会使OFDM系统误码率性能恶化，还会带来严重的地板效应，即无论怎样在发射端增加信号的发射功率，都不能改善OFDM系统的良好性能。因此如何减小ICI对OFDM的影响，是低轨卫星OFDM系统能够得到广泛应用的前提条件之一。同时实际LEO卫星信道中往往具有较大的多普勒频移，而当多普勒频移大于OFDM的子载波间隔时，接收端解调出来的信号将会存在相位旋转，从而导致接收数据错误并影响系统的误码率性能。

针对OFDM系统中ICI干扰严重破坏系统性能的问题，国内外的一些学者们已经提出了很多抑制ICI的方法，主要有ICI干扰自消除(Self-Cancellation)算法、时域加窗算法、频偏估计与消除算法等等，其中ICI干扰自消除算法由于实现简单并且能够有效对抗ICI的干扰，从而得到了广泛的应用。迄今为止主要的干扰自消除算法有：(1)相邻子载波取反算法(简称算法1)[YupingZhao,S.-G.Haggman.Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems[J].IEEETransactions on Communications,2001,49(7):1185-1191.]、(2)对称子载波共轭取反算法(简称算法2)[F.Prianka,A Z M Saleh,M A Matin.A New Approach to Improve ICISelf-Cancellation Technique in OFDM[C].6th International Conference onElectrical and Computer Engineering,2010:18-20.]、(3)相邻子载波复数加权共轭算法(简称算法3)[Qiang Shi,Yong Fang,Min Wang.A Novel ICI Self-CancellationScheme for OFDM Systems[C].2009 5th International Conference on WirelessCommunications,Networking and Mobile Computing,2009:1-4.]等等。经过仿真分析后发现由于算法1和算法2采用了子载波取反的方法，因此它们的载干比(Carrier toInterference Ratio,CIR)要比算法3中对子载波取共轭的要来得高。但算法3采用了复数加权的方法，故较之算法1和算法2，它所造成的相位旋转误差最小，因而可以有效地减少接收信号的相位误差的影响并进一步改善系统的误码率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的LEO卫星OFDM系统ICI干扰自消除算法，使得新算法在确保具有良好的CIR的同时，进一步减少接收信号的相位旋转误差的影响并改善OFDM系统的误码率性能，以满足在实际LEO卫星信道中的通信需求。整个发明大致包括了如下的几个步骤：

第一步、序列发生器发送一组N/8个序列的子载波序列组，记为X₀(k)＝[X(0),X(2),…,X(N/4-2)]^T，k＝0,2,…,N/4-2；

第二步、对X₀(k)进行插零、取反、圆周移位、合并相加等变换后成为一个N/4个序列的子载波序列组，记为X₂(k)，0≤k≤N/4-1，N/4为整数；

第三步、对X₂(k)按照4种不同的插零、乘以旋转参数、圆周移位等调制处理后成为4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)，0≤k≤N-1，再将这4个序列组进行合并后变为所需要的子载波序列组X(k)，0≤k≤N-1；

第四步、接收端对发射端的4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)分别进行解调，再将所得的接收信号进行合并相加，便可得到接收端最终所需要的接收信号Y′(k)，0≤k≤N-1。

进一步，所述步骤二包括：

(1)插零：将X₀(k)通过一个零值插值器，它对X₀(k)中的每个序列之后插入1个零序列，得到：

X₁(k)＝[X(0),0,X(2),0,…,X(N/4-2),0]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数；

(2)取反、圆周移位：将X₁(k)中的每个序列取反，之后在进行圆周右移一位，得到：

X₁′(k)＝[0,-X(0),0,-X(2),…,0,-X(N/4-2)]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数；

(3)合并相加：将X₁(k)与X₁′(k)对应位置上子载波序列相加，得到：

X₂(k)＝[X(0),-X(0),X(2),-X(2),…,X(N/4-2),-X(N/4-2)]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数。

进一步，所述步骤三包括：

(1)共轭对称映射、乘以旋转参数、插零、圆周移位：得到4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)，0≤k≤N-1，具体如下：

(a)对X₂(k)的右端插入3N/4个零，得到：

(b)对X₂(k)中的每个序列乘以旋转参数e^jπ，得到：[X(0)e^jπ,-X(0)e^jπ,X(2)e^jπ,-X(2)e^jπ,…,X(N/4-2)e^jπ,-X(N/4-2)e^jπ]^T，然后在其右端插入3N/4个零并进行圆周右移N/2，得到：

(c)对X₂(k)中的每个序列先进行共轭对称映射并乘以旋转参数e^jπ/2，得到：[-X^*(N/4-2)e^jπ/2,X^*(N/4-2)e^jπ/2,…,-X^*(0)e^jπ/2,X^*(0)e^jπ/2]^T，然后在其右端插入3N/4个零，再进行圆周右移N/4，得到：

(d)对X₂(k)中的每个序列先进行共轭对称映射并乘以旋转参数e^j3π/2，得到：[-X^*(N/4-2)e^j3π/2,X^*(N/4-2)e^j3π/2,…,-X^*(0)e^j3π/2,X^*(0)e^j3π/2]^T，然后在其右端插入3N/4个零，再进行圆周右移3N/4，得到：

(2)合并相加：将X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)对应位置上子载波序列相加，即可得到所需要的子载波序列组：

进一步，所述步骤四包括：

(1)接收端第k个子载波序列处的接收信号可以表示为：

其中，0≤k≤N-1，W_k为Y(k)的高斯白噪声，Y_Ⅰ(k)、Y_Ⅱ(k)、Y_Ⅲ(k)、Y_Ⅵ(k)分别表示Y(k)中第1、2、3、4组子载波序列在接收端所得的接收信号，

同理，接收端第k+1、N/2-1-k、N/2+k、N-1-k个子载波序列处的接收信号分别为：

(2)接收端对发射端的4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)分别进行解调，所得的接收信号可以表示为：

Y₁(k)＝Y_Ⅰ(k)-Y_Ⅰ(k+1)，0≤k≤N-1，

Y₂(k)＝Y_Ⅱ(k)-Y_Ⅱ ^*(N/2-1-k)e^-jπ/2，0≤k≤N-1，

Y₃(k)＝Y_Ⅲ(k)-Y_Ⅲ ^*(N/2+k)e^-jπ，0≤k≤N-1，

Y₄(k)＝Y_Ⅵ(k)-Y_Ⅵ ^*(N-1-k)e^-j3π/2，0≤k≤N-1；

因此，接收端最终所需要的接收信号Y′(k)，0≤k≤N-1，可以表示为：

由此不难发现，本方案在算法1的基础上，对子载波序列按照分组对称共轭映射并乘以相应的旋转参数的方式进行了处理，因此该序列组在接收端解调后确保在具有算法1良好CIR性能的前提下，还能有效地减少接收信号中相位旋转误差的影响，达到进一步提高系统误码率性能的目的。

附图说明

图1是序列发生器发出的子载波序列组经过步骤二之后，得到的子载波序列组的结构图；

图2是将图1中的子载波序列组经过步骤三之后，得到的所需要的子载波序列组结构图；

图3是构造本发明所需子载波序列组的工作流程图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的ICI自消除算法普遍存在的一个问题是其算法本身无法同时获得良好的CIR性能和系统误码率性能。本发明的目的在于提供一种新的载波间干扰自消除方法，以期确保在具有良好CIR性能的同时，能有效地减少接收信号中相位旋转误差的影响，进一步提高OFDM系统的误码率性能，以满足在实际LEO卫星信道中的通信需求。

下面结合图3对本发明提供的低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法中所需的子载波序列组构造的具体实施方式来加以详细说明：

本发明中构造所需的子载波序列组的具体实施方式中，包括了如下的几个步骤：

第二步、对X₀(k)进行插零、取反、圆周移位、合并相加等变换后成为一个N/4个序列的子载波序列组，其结构如图1所示，包括：

步骤2.1、将X₀(k)通过一个零值插值器，它对X₀(k)中的每个序列之后插入1个零序列，得到：

X₁(k)＝[X(0),0,X(2),0,…,X(N/4-2),0]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数；

步骤2.2、将X₁(k)中的每个序列取反，之后在进行圆周右移一位，得到：

步骤2.3、将X₁(k)与X₁′(k)对应位置上子载波序列相加，得到：

第三步、对X₂(k)按照4种不同的插零、乘以旋转参数、圆周移位等调制处理后成为4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)，0≤k≤N-1，再将这4个序列组进行合并后变为所需要的子载波序列组，其结构如图2所示，包括：

步骤3.1、将X₂(k)的右端插入3N/4个零序列，得到：

步骤3.2、将X₂(k)的子载波序列值乘以旋转参数e^jπ，然后在其右端插入3N/4个零序列，再进行圆周右移N/2个序列，得到：

步骤3.3、将X₂(k)的子载波序列值取共轭，接着进行对称映射(这里采用将序列组左乘矩阵K来加以实现)，然后对其子载波序列乘以旋转参数e^jπ/2，再在其右端插入3N/4个零序列并进行圆周右移N/4个序列，得到：

其中

为一个初等变换矩阵；

步骤3.4、将X₂(k)的子载波序列值取共轭，接着进行对称映射(这里采用将序列组左乘矩阵K来加以实现)，然后对其子载波序列乘以旋转参数e^j3π/2，再在其右端插入3N/4个零序列并进行圆周右移3N/4个序列，得到：

步骤3.5、将X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)进行合并，即可得到所需要的子载波序列组：

构造完X(k)之后，还包括：接收端对发射端的4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)分别进行解调后得到4组接收信号：Y₁(k)，Y₂(k)，Y₃(k)，Y₄(k)；再将所得的接收信号进行合并相加，便可得到接收端最终所需要的接收信号Y′(k)，0≤k≤N-1。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法，其特征在于，包括：

步骤一、序列发生器发送由N/8个序列组成的子载波序列组X₀(k)，k＝0,2,…,N/4-2；

步骤二、对序列发生器所发送的载波序列组X₀(k)＝[X(0),X(2),…,X(N/4-2)]^T，k＝0,2,…,N/4-2，进行插零、取反、圆周移位等变换后，得到：

X₂(k)＝[X(0),-X(0),X(2),-X(2),…,X(N/4-2),-X(N/4-2)]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数；

步骤三、对X₂(k)按照4种不同的插零、乘以旋转参数、圆周移位进行调制处理后得到4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)，0≤k≤N-1，再将这4个序列组进行合并后得到所需要的子载波序列组X(k)，0≤k≤N-1；得到：

步骤四、调制处理后，接收端对发射端的4个子载波序列组X_Ⅰ(k)、X_Ⅱ(k)、X_Ⅲ(k)、X_Ⅳ(k)分别进行解调，再将所得的接收信号进行合并相加，得到接收端最终所需要的接收信号Y′(k)，0≤k≤N-1。

2.依据权利要求1所述的低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法，其特征在于，所述步骤二包括：

X₁(k)＝[X(0),0,X(2),0,…,X(N/4-2),0]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数；

步骤2.3、将X₁(k)与X₁′(k)对应位置上子载波序列相加，得到：X₂(k)＝[X(0),-X(0),X(2),-X(2),…,X(N/4-2),-X(N/4-2)]^T，0≤k≤N/4-1，N/4为整数。

3.依据权利要求1所述的低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法，其特征在于，所述步骤三包括：

步骤3.1、将X₂(k)的右端插入3N/4个零序列，得到：

步骤3.3、将X₂(k)的子载波序列值取共轭，接着左乘矩阵K，然后对其子载波序列乘以旋转参数e^jπ/2，再在其右端插入3N/4个零序列并进行圆周右移N/4个序列，得到：

其中

为一个初等变换矩阵；

步骤3.4、将X₂(k)的子载波序列值取共轭，接着左乘矩阵K，然后对其子载波序列乘以e^j3π/2，再在其右端插入3N/4个零序列，并进行圆周右移3N/4个序列，得到：

4.依据权利要求1所述的低轨卫星OFDM系统中载波间干扰自消除方法，其特征在于，所述步骤四中，接收端第k个子载波序列处的接收信号可以表示为：

其中0≤k≤N-1，W_k为Y(k)的高斯白噪声，Y_Ⅰ(k)、Y_Ⅱ(k)、Y_Ⅲ(k)、Y_Ⅵ(k)分别表示Y(k)中第1、2、3、4组子载波序列在接收端所得的接收信号；

同理，接收端的第k+1个子载波序列、第N/2-1-k个子载波序列、第N/2+k个子载波序列、第N-1-k个子载波序列处的接收信号可以分别表示为：

同时，接收端对发射端的子载波序列组X_Ⅰ(k)进行解调后所得的接收信号Y₁(k)可以表示为：Y₁(k)＝Y_Ⅰ(k)-Y_Ⅰ(k+1)，

同理，对发射端的子载波序列组X_Ⅱ(k)进行解调后所得的接收信号Y₂(k)可以表示为：Y₂(k)＝Y_Ⅱ(k)-Y_Ⅱ ^*(N/2-1-k)e^-jπ/2，

对发射端的子载波序列组X_Ⅲ(k)进行解调后所得的接收信号Y₃(k)可以表示为：Y₃(k)＝Y_Ⅲ(k)-Y_Ⅲ ^*(N/2+k)e^-jπ，

对发射端的子载波序列组X_Ⅳ(k)进行解调后所得的接收信号Y₄(k)可以表示为：Y₄(k)＝Y_Ⅵ(k)-Y_Ⅵ ^*(N-1-k)e^-j3π/2；

5.实现权利要求1至4中任意一项所提供的低轨卫星通信OFDM系统中载波间干扰自消除的系统，其特征在于，包括：序列发生器、调制处理器、接收端；序列发生器输出的载波序列组由调制处理器处理后输出到接收端。