CN110545136B - 低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法，属于无线通信领域。这里的上行链路指由用户终端发射，经卫星转发，由信关站接收的传输链路。具体方法为：(1)用户终端根据下行载波频偏估计值计算上行预补偿载波频偏值，并对上行发射信号进行预补偿；(2)信关站基于星历对上下行馈电链路多普勒载波频偏进行估计，计算馈电链路载波频偏补偿值，并对上行接收信号进行第一次补偿；(3)信关站利用上行同步或参考信号对上行残留载波频偏进行估计，并对上行接收信号进行第二次补偿。利用本发明方法系统可在用户终端无星历，仅信关站有星历的情况下，准确估计并补偿上行链路载波频偏，满足低轨卫星大多普勒载波频偏下多载波通信的解调要求。

Description

低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及到一种低轨卫星多载波通信中上行链路载波频偏估计与补偿方法。

技术背景

随着通信需求的发展，为了满足无基站覆盖的偏远地区的高速数据传输，在未来移动通信中，通过低轨卫星实现对于偏远地区的通信覆盖成为了一个重要课题。一种典型的低轨卫星通信系统如图1所示，该系统组成部分包括：(1)信关站，(2)卫星，(3)用户终端。其中(2)卫星只负责透明转发，即只对接收信号做移频转发处理，不做信号的调制与解调。信关站与卫星之间的链路为(4)馈电链路。用户终端与卫星之间的链路为(5)用户链路。其中，用户终端位于卫星的用户波束内。这里，将由信关站发射，经卫星转发，由用户终端接收的传输链路(信关站->卫星->用户终端)称作下行链路，将由用户终端发射，经卫星转发，由信关站接收的传输链路(用户终端->卫星->信关站)称作上行链路。

使用低轨卫星的通信技术有着低时延，高信噪比的特点，结合多载波技术如OFDM、DFT-S-OFDM、MC-DS-CDMA等，能很好地满足偏远地区的高速通信需求。然而对于低轨卫星来说，由于低轨卫星运动速度较快，在高频段下，多普勒效应十分显著，会引起系统中严重的载波频偏。

载波频偏指的是发送机和接收机之间的载波频率偏差。由于多载波通信系统在解调时，为了能够正确地解调出每一路数据，必须保证子载波之间保持非常好的正交性。当发送和接收端之间存在较大载波频偏时，会导致子载波的偏移，接收端各个子载波间的正交性被破坏，造成严重的子载波干扰，使得解调性能迅速恶化。对于飞行高度在1200km的低轨卫星，工作在Ka频段时，其多普勒载波频偏典型值大于600kHz，远大于常见多载波系统的子载波间隔，这种情况下，系统将无法正确解调。所以，为保证系统的有效工作，采取频偏估计与补偿技术减少载波频偏，对低轨卫星多载波通信系统是十分必要的。

低轨卫星通信系统的载波频偏由两部分构成，一是发送机和接收机之间相对运动导致的多普勒频偏，二是发送机与接收机的晶振之间的频率差导致的频偏。其中晶振导致的频偏与晶振的制作精度有关，是系统中固有的频偏，对于卫星通信系统，其频偏大小一般远小于多普勒效应引起的载波频偏。

传统的多载波体制下，一般由用户终端基于接收信号进行下行频偏估计，并基于下行频偏估计值换算上行频偏值，利用上行频偏估计值补偿上行发射信号，以实现上行链路频偏补偿。但在低轨卫星通信系统中，由于有卫星参与转发，低轨卫星通信系统的传输链路由馈电链路和用户链路两部分组成，馈电链路和用户链路使用不同的载波频率。基于接收信号的下行链路频偏估计方法无法分离馈电链路和用户链路引入的频偏，直接使用该下行频偏估计值作为终端发射信号时的频偏补偿值，将给上行链路引入额外的补偿误差。

一种解决方案是依靠卫星星历来补偿卫星移动造成的大多普勒频偏，信关站和用户终端分别基于星历和自身位置计算馈电链路和用户链路多普勒频偏，从而实现馈电链路多普勒频偏和用户链路多普勒频偏的分离。然而，用户终端获取实时星历并不容易，当用户终端无法获取星历或无实时星历时，该解决方案依然存在问题。

因此，为了解决低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿面临的补偿误差大、用户终端依赖星历问题，有必要提出一种适应低轨卫星多载波通信场景下，用户终端不依赖星历的新型上行链路载波频偏估计与补偿方法。

发明内容

为了解决低轨卫星多载波通信系统，上行链路载波频偏估计与补偿面临的补偿误差大、用户终端依赖星历问题，本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法。

本发明方法通过对上行信号进行三次补偿实现频偏的最小化：(1)用户终端根据下行载波频偏估计值计算上行预补偿载波频偏值，并使用上行预补偿载波频偏值对上行发射信号进行预补偿；(2)信关站基于星历对上下行馈电链路多普勒载波频偏进行估计，计算馈电链路载波频偏补偿值，使用馈电链路载波频偏补偿值对上行接收信号进行第一次补偿；(3)信关站利用上行同步或参考信号对上行残留载波频偏进行估计，并使用上行残留载波频偏估计值对上行接收信号进行第二次补偿。

因而本发明技术方案为：低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：用户终端根据下行载波频偏估计结果，以及用户链路上、下行载波频率，进行上行预补偿载波频偏估计，并根据计算得到的上行预补偿载波频偏估计值对用户终端发射的上行信号进行补偿；

步骤2：信关站根据星历信息、信关站的位置和上行馈电链路载波频率，计算上行馈电链路多普勒载波频偏估计值；根据星历信息、信关站的位置和下行馈电链路载波频率，计算下行馈电链路多普勒载波频偏估计值，再结合用户链路上、下行载波频率，计算上行预补偿频偏修正值；最后计算上行馈电链路载波频偏补偿值＝上行馈电链路多普勒载波频偏估计值-上行预补偿频偏修正值；信关站根据上行馈电链路载波频偏补偿值对接收的上行信号进行补偿；

步骤3：信关站根据上行同步信号或参考信号，对接收信号中的残留载波频偏进行估计，信关站根据计算得到的残留载波频偏估计值对接收到的上行信号进行补偿。

进一步的，所述步骤1中上行预补偿载波频偏估计值的具体计算方法为：

用户终端根据下行载波频偏估计结果

估计上行预补偿载波频偏f_pre,uplink。设上行用户链路载波频率为

下行用户链路载波频率为

则上行预补偿载波频偏估计值为：

进一步的，所述步骤2中上行馈电链路多普勒载波频偏估计值

的计算方法为：

其中，

是卫星与信关站连线方向，

是卫星速度矢量，c为光速，

为上行馈电链路载波频率；

所述步骤2中下行馈电链路多普勒载波频偏估计值

的计算方法为：

进一步的，所述步骤2中上行预补偿频偏修正值f_{pre_bias,uplink}的计算方法为：

其中，

表示下行馈电链路多普勒载波频偏估计值，

表示用户链路上行的载波频率，

为用户链路下行载波频率。

上行馈电链路载波频偏补偿值的计算方法为：

进一步的，所述步骤3中残留载波频偏估计值的计算方法为：

设残留的相对载波频偏大小为∈_c，相对载波频偏∈_c定义为载波频偏与子载波间隔之比,第一个接收到的参考信号在时域上的样值为

其中x(n)表示发射信号，w(n)为噪声，N为采样点的个数,第二个参考信号在时域上与第一个参考信号相距为Q,其样值为

则残留载波频偏的估计值

计算公式为：

其中(·)^*表示信号的共轭。

本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法，相对于现技术具有以下的有益效果：

(1)本发明中，信关站基于星历对馈电链路多普勒载波频偏进行补偿，可以修正用户终端上行频偏预补偿过程中引入的补偿误差，因而上行载波频偏估计准确度较高。

(2)本发明可运用于用户终端不能依靠星历计算自身相对卫星多普勒载波频偏的场景。

附图说明

图1是本发明低轨卫星多载波通信系统构成示意图

图2是本发明低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏补偿流程示意图

图3是本发明馈电链路多普勒载波频偏计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对发明进一步说明。

本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法。本发明所适用的低轨卫星多载波通信系统如图1所示，该系统组成部分包括：(1)信关站，(2)卫星，(3)用户终端。其中(2)卫星只负责透明转发，即只对接收信号做移频转发处理，不做信号的调制与解调。信关站与卫星之间的链路为(4)馈电链路。用户终端与卫星之间的链路为(5)用户链路。其中，用户终端位于卫星的用户波束内。这里，将由信关站发射，经卫星转发，由用户终端接收的传输链路(信关站->卫星->用户终端)称作下行链路，将由用户终端发射，经卫星转发，由信关站接收的传输链路(用户终端->卫星->信关站)称作上行链路。

参阅图2，上行链路载波频偏估计与补偿方法的具体流程如下：

步骤1用户终端根据下行载波频偏估计值计算上行预补偿载波频偏值，并使用上行预补偿载波频偏值对上行发射信号进行预补偿；具体地，用户终端根据下行载波频偏估计结果

估计上行预补偿载波频偏f_pre,uplink。设上行用户链路载波频率为

下行用户链路载波频率为

则上行预补偿载波频偏估计值为：

步骤2信关站基于星历对上下行馈电链路多普勒载波频偏进行估计，计算馈电链路载波频偏补偿值，使用馈电链路载波频偏补偿值对上行接收信号进行第一次补偿；具体地，信关站根据星历信息、信关站的位置和上行馈电链路载波频率

计算上行馈电链路多普勒载波频偏估计值

参阅图3，上行馈电链路多普勒载波频偏估计值的计算为：

其中，

是卫星与信关站连线方向，

是卫星速度矢量，c为光速；

类似地，信关站根据星历信息、信关站的位置和下行馈电链路载波频率

计算下行馈电链路多普勒载波频偏估计值f_{feeder,downlink}。

信关站根据下行馈电链路多普勒载波频偏估计值

用户链路上行的载波频率为

和用户链路下行载波频率为

计算上行预补偿修频偏修正值f_{pre_bias,uplink}：

则上行馈电链路载波频偏补偿值

经过这一步，上行残留载波频偏将控制在很小的范围内。

步骤3信关站利用上行同步或参考信号对上行残留载波频偏进行估计，并使用上行残留载波频偏估计值对上行接收信号进行第二次补偿。具体地，信关站利用上行同步信号或参考信号的时域重复性做相关运算，对上行接收信号中的残留载波频偏进行估计。设残留的相对载波频偏大小为∈_c，相对载波频偏∈_c定义为载波频偏与子载波间隔之比。第一个接收到的参考信号在时域上的样值为

其中x(n)表示发射信号，w(n)为噪声，N为采样点的个数。第二个参考信号在时域上与第一个参考信号相距为Q。其样值为

则残留载波频偏的估计值

计算公式为：

其中(·)*表示信号的共轭。

以下基于上述流程给出本发明的具体实施例：

本实施例卫星飞行高度1175km，卫星飞行速度为7.2km/s；下行用户链路载波频率

为20GHz,上行用户链路载波频率

为30GHz；下行馈电链路载波频率为40GHz,上行馈电链路载波频率为50GHz；信关站对卫星的仰角为5°。则各链路上的真实多普勒频偏经计算为：下行用户链路多普勒载波频偏为190kHz，上行用户链路多普勒载波频偏为285kHz，下行馈电链路多普勒载波频偏为1040kHz，上行馈电链路多普勒载波频偏为832kHz，则下行链路多普勒载波频偏为190+1040＝1230kHz，上行链路多普勒载波频偏为285+832＝1117kHz。

根据步骤1，假设下行载波频偏估计无误差，则下行载波频偏估计值为1040+190＝1230kHz。计算用户终端的上行预补偿频偏

根据步骤2，信关站根据准确的星历可计算得到

则下行预补偿修频偏修正值

上行馈电链路载波频偏补偿值f_est,uplink＝832-1560＝-728kHz。

经步骤1和步骤2后上行补偿的总频偏为f_pre,uplink+f_est,uplink＝1845-728＝1117kHz，该值与真实的上行链路多普勒载波频偏相等，可见本方案能准确地补偿由多普勒效应引起的载波频偏。

经过步骤1和步骤2后残留的载波频偏仅仅由晶振误差，星历误差等非理想因素引起，一般不超过20kHz。经过步骤3可进一步减少残留载波频偏误差。

对于传统的仅依靠下行频偏估计上行频偏的方法，其上行频偏估计值为：

与真实的上行链路多普勒载波频偏1117kHz相差728kHz，即使不考虑非理想因素引入的误差，也依然远大于本发明方法的误差。可见本发明方法大大提升了多普勒频偏估计与补偿的准确性，同时降低了步骤3中残留载波频偏估计的难度。

Claims (2)

1.低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：用户终端根据下行载波频偏估计结果，以及用户链路上、下行载波频率，进行上行预补偿载波频偏估计，并根据计算得到的上行预补偿载波频偏估计值对用户终端发射的上行信号进行补偿；

所述上行预补偿载波频偏估计值的具体计算方法为：

用户终端根据下行载波频偏估计结果

估计上行预补偿载波频偏f_pre,uplink；设上行用户链路载波频率为

下行用户链路载波频率为

则上行预补偿载波频偏估计值为：

步骤2：信关站根据星历信息、信关站的位置和上行馈电链路载波频率，计算上行馈电链路多普勒载波频偏估计值；由用户都终端发射，经卫星转发，由信关站接收的传输链路称作上行链路；根据星历信息、信关站的位置和下行馈电链路载波频率，计算下行馈电链路多普勒载波频偏估计值，再结合用户链路上、下行载波频率，计算上行预补偿频偏修正值；最后计算上行馈电链路载波频偏补偿值＝上行馈电链路多普勒载波频偏估计值-上行预补偿频偏修正值；信关站根据上行馈电链路载波频偏补偿值对接收的上行信号进行补偿；

所述上行馈电链路多普勒载波频偏估计值

的计算方法为：

其中，

是卫星与信关站连线方向，

是卫星速度矢量，c为光速，

为上行馈电链路载波频率；

所述下行馈电链路多普勒载波频偏估计值

的计算方法为：

所述上行预补偿频偏修正值f_{pre_bias,uplink}的计算方法为：

其中，

表示下行馈电链路多普勒载波频偏估计值，

表示用户链路上行的载波频率，

为用户链路下行载波频率；

上行馈电链路载波频偏补偿值的计算方法为：

步骤3：信关站根据上行同步信号或参考信号，对接收信号中的残留载波频偏进行估计，信关站根据计算得到的残留载波频偏估计值对接收到的上行信号进行补偿。

2.如权利要求1所述的低轨卫星多载波通信系统上行链路载波频偏估计与补偿方法,其特征在于所述步骤3中残留载波频偏估计值的计算方法为：

设残留的相对载波频偏大小为∈_c，相对载波频偏∈_c定义为载波频偏与子载波间隔之比,第一个接收到的参考信号在时域上的样值为

其中x(n)表示发射信号，w(n)为噪声，N为采样点的个数,第二个参考信号在时域上与第一个参考信号相距为Q,其样值为

则残留载波频偏的估计值

计算公式为：

其中(·)^*表示信号的共轭。

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