CN110798422B - 低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法，属于无线通信领域。这里的下行链路指由信关站发射，经卫星转发，由用户终端接收的传输链路。具体方法为：信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏进行估计，并使用下行公共多普勒采样频偏估计值，通过改变采样晶振的采样频率或使用重采样数字滤波器，对下行发射信号进行预补偿；用户终端利用下行同步信号，使用分段相关算法估计下行残余采样频偏，并使用下行残余采样频偏估计值在频域对下行接收信号进行补偿。本发明方法可在用户终端无星历，仅信关站有星历的情况下，以较低复杂度，较高精度补偿下行链路采样频偏，满足低轨卫星大采样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下行链路采样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下行链路采样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采样频偏。

采样频偏指的是接收机的采样频率与实际接收信号的采样点之间间隔频率的频率之差。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。当存在采样频偏时，会导致位于频带边缘的子载波上发生严重的采样位置偏移，位于频带边缘的子载波之间失去正交性，造成严重的子载波干扰，使得解调性能迅速恶化。如图2所示，对于多载波系统，将时域接收信号做傅里叶变换至频域上后，采样频偏会导致边缘子载波上信号的相位旋转，且旋转幅度随符号数的增大而增大。

低轨卫星通信系统的采样频偏由两部分构成，一是发送机与接收机的采样晶振之间的频率差导致的采样频偏，该频偏与晶振的制作精度有关，是系统中固有的频偏。二是发送机和接收机之间相对运动的多普勒效应，引起发送端的采样点间隔在接收端出现变化，引起接收端实际接收信号的采样间隔与接收端采样晶振的采样间隔，称为多普勒采样频偏。对于飞行高度在1200km的低轨卫星通信系统，当其工作在Ka频段时，其典型多普勒采样频偏可达20ppm。而采样晶振所导致的频偏通常小于0.5ppm，远小于多普勒效应引起的采样频偏，因此多普勒采样频偏是引起卫星通信系统采样频偏的主导因素。低轨卫星通信系统典型的20ppm采样频偏会为通信系统带来严重的性能损失甚至于无法解调信号，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，采样频偏估计与补偿技术对低轨卫星多载波通信系统是十分必要的。

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链路频偏估计，校正下行信号之中的频偏。但在低轨卫星通信系统中，大多普勒情况下，传统基于接收信号的采样频偏估计方法，频偏估计范围受限，估计精度较低，无法满足低轨卫星大多普勒采样频偏范围的需求。因此，有必要提出一种适应低轨卫星多载波通信场景下，估计范围大，准确性高，复杂度低，且用户终端不依赖星历的新型下行链路采样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，传统基于接收信号的采样频偏估计方法，频偏估计范围受限，估计精度较低，无法满足低轨卫星大多普勒采样频偏补偿范围要求的问题，本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法。

本发发明首先采用信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏进行估计，并使用下行公共多普勒采样频偏估计值对下行发射信号进行预补偿；然后用户终端利用下行同步信号对下行残余采样频偏进行估计，并使用下行残余采样频偏估计值对下行接收信号进行补偿。

因而本发明技术方案为低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏进行估计；

下行公共多普勒采样频偏由下行馈电链路多普勒采样频偏和下行用户链路公共多普勒采样频偏两部分组成；信关站根据星历信息、信关站的位置信息，计算下行馈电链路多普勒采样频偏；选择波束覆盖中心位置为小区参考点，该位置由卫星位置和卫星波束指向唯一确定；当用户终端位于小区参考点时，用户链路引入的多普勒采样频偏定义为用户链路公共多普勒采样频偏；信关站根据星历信息、小区参考点位置和下行用户链路采样频率，计算出下行用户链路公共多普勒采样频偏；信关站使用下行公共多普勒采样频偏估计值，通过改变采样晶振的采样频率或使用重采样数字滤波器的方法，对下行发射信号采样频偏进行预补偿；

步骤2：用户终端利用下行同步信号对下行残余采样频偏进行估计；

下行残余采样频偏由用户终端与小区参考点之间的多普勒采样频偏差、晶振频偏以及步骤1采样频偏预补偿误差组成；接收端将接收到同步信号与本地产生的同步信号进行相关运算，并做分段处理，利用信号的特性，实现下行残余采样频偏的估计；用户终端根据下行残余采样频偏的估计值在接收信号时对下行残余采样频偏进行补偿。

进一步的，参阅图4，所述步骤1中下行馈电链路多普勒采样频偏f_s,feeder的计算为：

其中，

是卫星与信关站的连线方向，

是卫星的速度矢量，c为光速，f_s是多载波系统的采样频率；

下行用户链路公共多普勒采样频偏f_s,user的计算为：

其中，

是卫星与用户终端的连线方向；

下行公共多普勒采样频偏估计值为：

f_s,downlink＝f_s,feeder+f_s,user。

进一步的，所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1：令∈_s表示相对频偏，定义为下行残留采样频偏f_s,residual与由用户端采样频率f_s之间的比值；

当存在∈_s的相对频偏时，记发射端频域的第m个符号上的第k个子载波上的信号为X_m(k)，经发射端变换到时域上，再经用户端接收并作FFT变换后的频域信号记为：

其中，N表示FFT点数，N_g为循环前缀的长度，N_s＝N_g+N，W_m(k)表示噪声；

步骤2.2：假设时隙内第m₁和第m₂个符号上为具有较好自相关性能的同步信号，如PN序列；用户终端本地产生第m₁和第m₂个符号上的同步信号序列副本

和

并与接收信号做相关，得到

和

随后将同一个符号上相关后的同步信号分为2n段；参阅图5中，将第2i-1和第2i段的信号再做相关并求其幅角，i＝1,2,…,n，计算出第m₁和第m₂个符号上的相对采样频偏大小分别为：

式中，(·)^*表示取信号的共轭；

下行残余采样频偏计算公式为:

式中，d是符号m₁和m₂之间的采样间隔；

步骤2.3：对接收信号进行采样频偏补偿，第m个符号上的第k个子载波上的信号Y_m(k)经补偿后的值为

本发明技术方案中的其中步骤1为可选步骤。当卫星多载波系统中采样频偏较小时，仅步骤2即可满足系统采样频偏的估计与补偿需求，因此采样频偏较小时可仅使用步骤2。当卫星多载波系统中采样频偏较大时，则联合使用步骤1和步骤2进行采样频偏的估计与补偿。

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

本发明中，通过下行接收端的采样频偏补偿，使得接收机有着较高的可解调信噪比范围。此外，由于信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏补偿后，用户终端仅需补偿下行残余采样频偏，减小了下行用户终端频偏估计的范围，从而降低了用户终端采样频偏估计模块的实现复杂度。本发明适用于低轨卫星多载波通信，存在较大采样频偏的场景。

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是采样频偏引起的频域相位旋转与多载波系统符号数及子载波编号间关系示意图。

图3是本发明低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏补偿流程示意图。

图4是本发明馈电链路多普勒采样频偏计算原理示意图。

图5是本发明下行同步信号分段相关的示意图。

图6是本发明采样频偏估计与补偿算法的性能仿真结果图。

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下行链路采样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，下行链路采样频偏估计与补偿方法的具体实例如下：

步骤1:信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏进行估计，并使用下行公共多普勒采样频偏估计值对下行发射信号进行预补偿。具体地，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采样频偏。参阅图4，下行馈电链路多普勒采样频偏f_s,feeder的计算为：

其中，

是卫星与信关站的连线方向，

是卫星的速度矢量，c为光速，f_s是多载波系统的采样频率；

选择波束覆盖中心位置为小区参考点，该位置由卫星位置和卫星波束指向唯一确定；当用户终端位于小区参考点时，用户链路引入的多普勒采样频偏定义为用户链路公共多普勒采样频偏；信关站根据星历信息、小区参考点位置和下行用户链路载波频率，计算出下行用户链路公共多普勒采样频偏；参阅图3，下行用户链路公共多普勒采样频偏f_s,user的计算为：

其中，

是卫星与用户终端的连线方向，

是卫星的速度矢量，c为光速；

计算下行公共多普勒采样频偏估计值为：f_s,downlink＝f_s,feeder+f_s,user。信关站使用下行公共多普勒采样频偏估计值对下行发射信号进行预补偿。

步骤2:用户终端利用下行同步信号信号对下行残余采样频偏进行估计，并使用下行残余采样频偏估计值对下行接收信号进行补偿。具体地，用户终端接收到的经过预补偿后的信号仍存在残留采样频偏。残留采样频偏包含了用户终端与小区参考点之间的多普勒采样频偏差、晶振频偏以及步骤1预补偿误差。用户终端利用下行同步信号进行残余采样频偏估计。令∈_s表示相对频偏，定义为下行接收端残留采样频偏f_s,residual与采样频率f_s之间的比值。当存在∈_s的相对频偏时，记发射端的频域上第m个符号上的第k个子载波上的信号为X_m(k)，经发射端变换到时域上，再经接收端接收并作FFT变换后的频域信号记为：

其中，N表示FFT点数，N_g为循环前缀的长度，N_s＝N_g+N，W_m(k)表示噪声。

假设时隙内第m₁和第m₂个符号上为具有较好自相关性能的同步信号，如PN序列。用户终端本地产生第m₁和第m₂个符号上的同步信号序列副本

和

并与接收信号做相关，得到

随后将同一个符号上相关后的同步信号分为2n段。以n＝2为例，参阅图5中，将第2i-1和第2i段(i＝1,2,…,n)的信号再做相关并求其幅角，计算出第m₁和第m₂个符号上的相对采样频偏大小分别为：

式中，(·)^*表示取信号的共轭。

下行残余采样频偏计算公式为:

式中，d是符号m₁和m₂之间的采样间隔。

然后对接收信号进行采样频偏补偿。第m个符号上的第k个子载波上的信号Y_m(k)经补偿后的值为：

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

以下结合流程给出本发明的具体实施例：

实施例1：

卫星飞行高度1175km，卫星飞行速度为7.2km/s。信关站对卫星的仰角为5°，用户链路公共参考点与卫星的最大仰角为30°，采样频率f_s为491.52MHz。由多普勒采样频偏计算公式

信关站可根据星历计算得出，下行用户链路公共部分多普勒采样频偏为4.7kHz；馈电链路下行多普勒采样频偏为9.8kHz。

卫星波束的宽度为3°，小区边缘用户的用户链路多普勒频偏由上述多普勒频偏计算公式计算为13.6kHz。因此用户的残余多普勒频偏为14.5kHz-13.6kHz＝900Hz。用户与卫星晶振导致的采样频偏为50Hz。则总的残余多普勒频偏为950Hz。而在无信关站预补偿情况下接收端的多普勒采样频偏值为14.6kHz。可见本方法有效地降低了接收端的多普勒采样频偏幅度，减小了步骤2中根据接收信号的残留采样频偏估计难度。

实施例2：

信关站-卫星-地面信道高斯白噪声信道，采用8PSK调制，码率为0.891，接收信噪比为10dB的情况下。设初始采样频偏为5000Hz，不经过步骤1的预补偿的情况下，仅依靠步骤2的分段相关估计采样频偏。仿真结果如图6所示，经仿真可得估计的均方根误差为32.4Hz，可见此方法在估计残留采样频偏是有着较高的准确性。如仿真结果所示，在该仿真情景下采样频偏会对系统带来约2.6dB的性能损失，而经本发明算法估计与补偿后，链路性能与无采样频偏的理想链路相比性能损失在0.02dB以内，提升了超过2.5dB的性能。因此，本发明提出的采样频偏补偿算法可显著提高卫星通信系统的解调性能。

Claims (2)

1.低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏进行估计；

下行公共多普勒采样频偏由下行馈电链路多普勒采样频偏和下行用户链路公共多普勒采样频偏两部分组成；信关站根据星历信息、信关站的位置信息，计算下行馈电链路多普勒采样频偏；选择波束覆盖中心位置为小区参考点，该位置由卫星位置和卫星波束指向唯一确定；当用户终端位于小区参考点时，用户链路引入的多普勒采样频偏定义为用户链路公共多普勒采样频偏；信关站根据星历信息、小区参考点位置和下行用户链路采样频率，计算出下行用户链路公共多普勒采样频偏；信关站使用下行公共多普勒采样频偏估计值，通过改变采样晶振的采样频率或使用重采样数字滤波器的方法，对下行发射信号采样频偏进行预补偿；

步骤2：用户终端利用下行同步信号对下行残余采样频偏进行估计；

下行残余采样频偏由用户终端与小区参考点之间的多普勒采样频偏差、晶振频偏以及步骤1采样频偏预补偿误差组成；接收端将接收到同步信号与本地产生的同步信号进行相关运算，并做分段处理，利用信号的特性，实现下行残余采样频偏的估计；用户终端根据下行残余采样频偏的估计值在接收信号时对下行残余采样频偏进行补偿；

步骤2.1：令∈_s表示相对频偏，定义为下行残留采样频偏f_s,residual与由用户端采样频率f_s之间的比值；

当存在∈_s的相对频偏时，记发射端频域的第m个符号上的第k个子载波上的信号为X_m(k)，经发射端变换到时域上，再经用户端接收并作FFT变换后的频域信号记为：

其中，N表示FFT点数，N_g为循环前缀的长度，N_s＝N_g+N，W_m(k)表示噪声；

步骤2.2：假设时隙内第m₁和第m₂个符号上为具有较好自相关性能的同步信号，如PN序列；用户终端本地产生第m₁和第m₂个符号上的同步信号序列副本

和

并与接收信号做相关，得到

和

随后将同一个符号上相关后的同步信号分为2n段；将第2i-1和第2i段的信号再做相关并求其幅角，i＝1,2,…,n，计算出第m₁和第m₂个符号上的相对采样频偏大小分别为：

式中，(·)^*表示取信号的共轭；

下行残余采样频偏计算公式为:

式中，d是符号m₁和m₂之间的采样间隔；

步骤2.3：对接收信号进行采样频偏补偿，第m个符号上的第k个子载波上的信号Y_m(k)经补偿后的值为

2.如权要求1所述的低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法，其特征在于所述步骤1中下行馈电链路多普勒采样频偏f_s,feeder的计算为：

其中，

是卫星与信关站的连线方向，

是卫星的速度矢量，c为光速，f_s是多载波系统的采样频率；

下行用户链路公共多普勒采样频偏f_s,user的计算为：

其中，

是卫星与用户终端的连线方向；

下行公共多普勒采样频偏估计值为：

f_s,downlink＝f_s,feeder+f_s,user。

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