CN110932770B - 一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，属于无线通信领域。本发明采用m序列作为下行链路的同步序列，m序列的长度可变，取值为31、63或127；本发明先对包含同步信号的时域OFDM符号依次进行一次小数倍频偏估计和补偿、一次整数倍频偏估计和补偿，再对补偿后的时域OFDM符号执行带通滤波，得到只包含同步子载波的时域OFDM信号，然后对该信号再进行第二次小数倍频偏估计，对经过整数倍频偏补偿后的时域OFDM符号进行补偿。本发明有效避免在卫星大动态频偏条件下由数据子载波引入的估计误差问题，提高了卫星星地链路大尺度频偏的估计性能，实现了信号的精确频率同步，提升了卫星移动通信的传输质量。

Description

一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种低轨卫星移动通信系统的星地链路同步序列设计及频偏估计方法。

背景技术

在无线通信系统中，信息以电磁波为媒介，从通信发射机发送至无线信道，并从接收机接收信号实现通信。信号通过无线信道质量容易受到噪声、干扰等信道因素影响，导致接收信号产生幅度和相位的变化，影响通信质量。多载波传输技术将信号调制到多个子载波上，形成了多个相对平坦的子信道，可有效避免频率选择性衰落。正交频分复用(OFDM)技术作为地面第四代移动通信(4G)和第五代移动通信(5G)的关键技术之一，是一种典型的多载波技术。OFDM信号的多个子载波相互正交，显著提升了频谱效率，可提供高速数据传输的能力。在卫星通信场景中，现有的卫星通信传输体制主要基于单载波传输方式，频谱利用效率相对较低。第三代合作伙伴计划(3GPP)组织在制定5G标准时，在卫星与5G融合方向提出了很多提案，在卫星移动通信中采用以OFDM作为多载波基础波形的方案正成为研究的热点。然而，OFDM系统应用于卫星系统面临一些问题，其需要解决的关键问题之一是在卫星场景下，尤其在低地球轨道(LEO)卫星通信场景下，由于卫星和终端高速运动造成的大尺度大动态多普勒频偏会在OFDM系统引入较大的子载波间干扰(ICI)。因此，卫星移动通信系统的接收机上需要实现精确的频率同步，从而保证多载波系统的传输质量。在地面5G系统中，频率同步通过频率放置固定长度的m序列作为同步信号来完成频偏估计。在卫星系统中，由于L频段单波束的带宽受限，无法放置较长的同步序列进行频率同步，Ka频段单波束的带宽资源更多，但在采用大子载波宽度的情形下，仍会出现无法放置长m序列的情形。

目前，在卫星通信场景中的低轨卫星移动通信系统中，存在的问题有二：第一，由于可用带宽受限，固定长度的同步序列无法满足不同帧参数结构的卫星通信同步流程；第二，现有的频偏估计算法不能很好地应用于卫星大动态多普勒频偏估计和信号同步。现有卫星通信多载波传输技术方案中，针对卫星移动通信系统中大动态频偏问题，暂无支持多种带宽条件的同步序列设计方案和相应的频偏估计方法。

发明内容

本发明针对目前现有技术中针对卫星移动通信系统中的不同带宽条件下的同步序列设计问题和大动态频偏问题，提供了一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，设计了一种新型的可变长度的序列设计方案，并提出了一种适用于卫星场景的多次小数倍频偏估计方法，以提高卫星移动通信系统在不同带宽条件下的同步性能，保证信号传输质量。

本发明的低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，包括：

步骤一，采用m序列作为下行链路的同步序列，m序列映射到连续的M个子载波上，在同步子载波的两侧设置保护子载波，在保护子载波外是数据子载波；m序列的长度可变，取值为31、63或127；M为正整数；

步骤二，基于m序列进行多次小数倍频偏估计，包括：对包含同步信号的时域OFDM符号依次进行第一次小数倍频偏估计和补偿，第一次整数倍频偏估计和补偿，然后对补偿后的时域OFDM符号执行带通滤波，再对带通滤波后得到的时域OFDM信号进行第二次小数倍频偏估计；利用估计的第二次小数倍频偏再对经第一次整数倍频偏补偿后的时域OFDM符号进行补偿。

其中，在执行带通滤波时，设置带通滤波器的通带宽度等于同步子载波占用的带宽，带通滤波器的中心设置为放置m序列的中心子载波处；经过带通滤波后得到的时域OFDM信号只保留了包含同步信号的子载波。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明提出了可变长度的m序列设计方案和基于m序列的频偏估计方法，其中可变长度的m序列设计可实现不同可用带宽情形下的星地链路同步，基于m序列的多次小数倍频偏估计方法中，通过增加带通滤波和进行第二次小数倍频偏估计和补偿，可有效避免在卫星大动态频偏条件下由数据子载波引入的估计误差问题，提高了卫星星地链路大尺度频偏的估计性能。

(2)经验证，在卫星场景下应用本发明方法，有效避免了OFDM系统的ICI，实现了信号的精确频率同步，提升了卫星移动通信的传输质量。

附图说明

图1是本发明m序列及保护带宽频域放置示意图；

图2是本发明基于m序列的多次小数倍频偏估计算法流程示意图；

图3是本发明带通滤波过程示意图；

图4是SNR-MSE性能仿真结果示意图；

图5是SNR-BER性能仿真结果示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明针对低轨卫星移动通信系统中的不同带宽条件下的同步序列设计问题和大动态频偏估计问题，设计可变长度的同步序列，并提出相应的频偏估计算法实现频率同步具有重要的研究意义。本发明提供的一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，为卫星系统提供多种带宽条件下的大尺度频偏估计和补偿能力，提高了卫星移动通信系统的传输质量。

在大动态条件下的卫星场景中，即存在大频偏的情形下，m序列相比于ZC序列具有更好的相关性，因此，本发明的低轨卫星星地链路同步序列设计中，采用m序列作为下行链路的同步序列，其映射到连续的M个子载波上，并在两侧分别放置若干个子载波的保护带宽，同步序列的频域放置方式如图1所示，两侧为数据子载波。

在低轨卫星通信场景下，可根据可用带宽大小和OFDM子载波宽度配置情况，选用长度为31、63和127三种长度的m序列作为同步序列，卫星场景的帧结构设计时子载波个数一般大于31个。对于可用子载波个数大于31、不足63的情形，采用31长度的同步序列；对于可用子载波个数长度大于63、小于127长度的情形，采用63长度的同步序列；对于可用子载波个数大于127的情形，均选用长度为127的同步序列。

其中，长度为31的m序列的生成公式如下所示：

其中，d(n)表示生成的BPSK调制后的m序列，x(m)表示二进制的m序列，i,m和n分别表示对应序列的索引值。mod为求余数。

长度为63的m序列的生成公式为：

长度为127的m序列的生成公式为：

如图2所示，基于上述可变的同步序列设计，本发明提出基于m序列的多次小数倍频偏估计方法，可在卫星移动通信系统中提供良好的同步性能，包括如下步骤1～4。

步骤1、进行第一次小数倍频偏估计和补偿；

在卫星通信系统接收端，不考虑信道多径和噪声的条件下，假设接收到包含同步信号的N点时域OFDM符号r(n)，如公式(7)所示：

其中，c(n)表示包含同步子载波、数据子载波承载数据的时域OFDM符号，n为索引值，j表示信号的虚部，ε表示以子载波带宽为基准进行归一化后的频偏。s(n)表示本地仅包含同步子载波、数据子载波为0的时域OFDM符号。用r(n)和s(n)逐点做相关，得到一个新的相关序列，记为x(n),n＝0,1,…,N-1，即：

那么，x(n)的前半段的数据和后半段对应的数据会有一个频偏引起的固定的相位差，上角标的“*”表示共轭，s*(n)表示s(n)的共轭。将x(n),n＝0,1,…,N-1均分为前后两段，再次相关得到序列R(n)，如下：

其中，x*(·)表示x(·)的共轭。通过公式(9)可求得频偏估计值

angle表示求取复数的辐角(相角)，由于复数的辐角的范围为(-π,π]，因此，公式(9)可估计的归一化频偏范围为(-1,1]，即估计的频偏范围为：

其中，Δf为子载波间隔。进一步地，将估计出来的小数倍频偏

补偿到每个符号中去，得到补偿后的时域OFDM符号h(n)，如下：

在第一次小数倍估计时，由于频域上存在数据子载波引入的干扰，因此第一次小数倍频偏估计的结果会存在一定的误差，需要在后续引入第二次小数倍频偏估计来提升小数倍频偏的估计性能。

步骤2、整数倍频偏估计和补偿。

经过步骤1的小数倍频偏补偿后，将时域OFDM符号h(n)通过N点离散傅里叶变换(DFT)变成频域OFDM符号X(k),k＝0,1,…,N-1。X(k)与本地m序列S(k)进行移位互相关，相关值最大时的移位值就是整数倍频偏的估计值，估计整数倍频偏的相关函数可以定义为：

其中，

表示整数倍频偏的估计结果，g表示每次相关的偏移量，当偏移量等于整数倍频偏的数值时，公式(12)括号内的值最大。M表示m序列的长度。

在估计出整数倍频偏以后，须对经过小数倍频偏补偿的接收数据h(n)进行整数倍频偏补偿，得到补偿后的时域OFDM符号u(n)，即：

步骤3、对步骤2输出的包含同步信号的N点时域OFDM符号u(n),n＝0,1,…,N-1进行带通滤波。

经过整数倍频偏估计和补偿后，考虑到第一次小数倍频偏中由于数据子载波带来的估计误差问题，可对步骤2中整数倍频偏补偿的信号进行带通滤波，带通滤波器的通带宽度等于同步子载波占用的带宽，滤波器中心设置为放置m序列的中心子载波处，带通滤波如图3所示。

步骤4、对步骤3输出的时域OFDM信号进行第二次小数倍频偏估计。

在步骤1的第一次小数倍频偏估计时，由于存在数据子载波，会造成小数倍估计的结果存在一定的误差，进而降低同步的性能。因此，本发明引入了第二次小数倍频偏估计。经过带通滤波后的时域OFDM信号中，只保留了包含同步信号的子载波，数据子载波处于带通滤波器的阻带，相当于数据子载波的数据置零。因此，数据子载波引入的干扰被滤除，设经过带通滤波后的信号可表示为

经过与第一次小数倍频偏相同的估计流程，即用

与本地的包含m序列的时域符号s(n)进行相关，得到相关序列

并进一步将

分成前后两端，进行相关得到序列R(n)，计算第二次的频偏估计值

最终利用得到的第二次的小数倍频偏估计结果

再对时域OFDM符号u(n)完成第二次的小数倍频偏补偿，得到补偿后的信号y(n)，如公式(14)所示：

最终得到的时域OFDM符号y(n)为利用本发明方法得到的经过频率同步后的信号。

对本发明的基于m序列的多次小数倍频偏估计方法的性能进行仿真分析。仿真中，假设卫星OFDM系统可用带宽内频域共有300个子载波，设置同步序列长度为127，两边各放置8个保护子载波，其余子载波承载QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)数据。如图4和图5所示，分别仿真分析对比了本发明方法和传统单次小数倍频偏估计方法的均方误差性能和误码率性能。由仿真结果表明，本发明方法的均方误差性能和误码率性能均优于传统单次小数倍频偏估计方法，本发明方法有效提高了估计的性能，提升了低轨卫星星地链路的信号传输质量。

Claims (3)

1.一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，其特征在于，包括：

(1)采用m序列作为下行链路的同步序列，m序列映射到连续的M个子载波上，并在两侧分别放置若干个子载波的保护带宽，两侧为数据子载波，M为正整数，等于m序列的长度，取值为31、63或127；

(2)基于m序列进行多次小数倍频偏估计，包括：对包含同步信号的时域OFDM符号依次进行第一次小数倍频偏估计和补偿，第一次整数倍频偏估计和补偿，然后对补偿后的时域OFDM符号执行带通滤波，再对带通滤波后得到的时域OFDM信号进行第二次小数倍频偏估计；利用估计的第二次小数倍频偏再对经第一次整数倍频偏补偿后的时域OFDM符号进行补偿；

其中，在执行带通滤波时，设置带通滤波器的通带宽度等于同步子载波占用的带宽，带通滤波器的中心设置为放置m序列的中心子载波处；经过带通滤波后得到的时域OFDM信号只保留了包含同步信号的子载波。

2.根据权利要求1中所述的一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，其特征在于，所述的(1)中，对于可用子载波个数大于31、不足63的情形，采用长度为31的同步序列；对于可用子载波个数长度大于63、小于127长度的情形，采用长度为63的同步序列；对于可用子载波个数大于127的情形，采用长度为127的同步序列。

3.根据权利要求1或2所述的一种低轨卫星星地链路同步序列设计及频偏估计方法，其特征在于，所述的(2)中，带通滤波后得到的时域OFDM信号表示为

对

进行小数倍频偏估计，包括：用

与本地仅包含同步子载波、数据子载波为0的时域OFDM符号s(n)进行相关，得到相关序列

进一步将

分成前后两端，进行相关得到序列R(n)，计算第二次的小数倍频偏估计值

其中，angle表示求取复数的辐角(相角)，n＝0,1,…,N-1，N表示N点时域OFDM符号。

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