CN111131123B - 一种低轨卫星多载波通信系统上行采样频偏估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星多载波通信系统上行采样频偏估计与补偿方法，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：用户终端根据下行采样频偏估计值计算上行预补偿采样频偏值，通过调整晶振或使用重采样数字滤波器对上行发射信号进行预补偿；信关站利用上行参考信号，使用分段相关算法估计上行残余采样频偏，并在频域对上行接收信号进行补偿。利用本发明方法，系统可实现上行采样频偏的大范围、高精度、低复杂度估计与补偿，以满足低轨卫星大多普勒采样频偏下多载波通信的解调要求。

Description

一种低轨卫星多载波通信系统上行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上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。对于运行高度在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。

因此，为保证系统的有效工作，有必要提出一种适应低轨卫星多载波通信场景下的上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，采样频偏为接收带来性能损失的问题，本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统上行链路采样频偏估计与补偿方法。

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。本发明方法通过对上行信号进行两次补偿实现采样频偏的最小化：(1)用户终端根据下行采样频偏估计值计算上行预补偿采样频偏值，通过调整晶振或使用重采样数字滤波器对上行发射信号进行预补偿；(2)信关站利用上行参考信号，使用分段相关算法估计上行残余采样频偏，并使用上行残余采样频偏估计值对上行接收信号进行补偿。

因而本发明技术方案为：一种低轨卫星多载波通信系统上行采样频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：用户终端根据下行采样频偏估计结果，计算上行预补偿采样频偏，并根据计算得到的上行预补偿采样频偏，通过调整晶振或使用重采样数字滤波器对用户终端发射的上行信号进行补偿；

步骤2：上行残余采样频偏由上行发射端预补偿误差和晶振频偏导致；接收端将接收到参考信号与本地产生的参考信号进行相关运算，并做分段处理，利用信号的特性，实现上行残余采样频偏的估计；信关站再根据上行残余采样频偏的估计值在接收信号时对上行残余采样频偏进行补偿；

所述步骤1中，记用户终端下行采样频偏估计结果为

下行采样频率为f_s,downlink，上行采样频率为f_s,uplink，则上行预补偿采样频偏估计值f_pre,uplink为：

所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1：令∈_s表示相对频偏，定义为上行残余采样频偏与上行采样频率之间的比值；当存在相对频偏∈_s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；

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的参考信号，如PN序列；信关站本地产生第m₁和第m₂个符号上的参考信号序列副本

和

并与接收信号做相关，得到

Y_m(k)；随后将同一个符号上相关后的参考信号分为2n段；参阅图4，将第2i-1和第2i段的信号再做相关并求其幅角，其中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；

则上行残余采样频偏的计算公式为：

式中，d是符号m₁和m₂之间的采样间隔；

步骤2.3：在频域上对接收信号进行上行残余采样频偏，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：

进一步的，当卫星多载波系统中采样频偏小于∈_s0时，仅采用步骤2的方法进行系统采样频偏的估计与补偿需求；当卫星多载波系统中采样频偏大于∈_s0时，则联合使用步骤1和2进行采样频偏的估计与补偿，其中

本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统上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，用户通过步骤1的下行采样频偏估计结果补偿上行频偏，使得信关站接收端的残余采样频偏值较小，减小了上行信关站频偏估计的范围，同时减轻了多用户上行时，由于不同用户之间采样频偏差过大引起的互干扰问题，降低了多用户上行接收端的采样频偏估计复杂度。此外，上行接收端采用基于参考信号分段相关的采样频偏补偿算法，使得接收机有着较高的可解调信噪比范围。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上行链路采样频偏补偿流程示意图。

图4是参考信号分段相关的示意图。

图5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上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3，上行链路采样频偏估计与补偿方法的具体实例如下：

步骤1：用户终端根据下行采样频偏估计结果，对上行预补偿采样频偏进行估计，并根据计算得到的上行预补偿采样频偏估计值对用户终端发射的上行信号进行第一次补偿；具体地，记用户终端下行采样频偏估计结果为

下行采样频率为f_s,downlink，上行采样频率为f_s,uplink。则上行预补偿采样频偏估计值f_pre,uplink为：

步骤2:用户终端利用上行参考信号对上行残余采样频偏进行估计，并使用上行残余采样频偏估计值对上行接收信号进行第二次补偿。具体地，信关站接收到的信号仍存在残留采样频偏。上行残余采样频偏由上行发射端预补偿误差以及晶振频偏组成。用户终端利用上行参考信号，通过参考信号分段相关的方法，进行上行残余采样频偏估计。令∈_s表示相对频偏，定义为上行残余采样频偏与上行采样频率之间的比值。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的参考信号，如PN序列。用户终端本地产生第m₁和第m₂个符号上的参考信号序列副本

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参考信号分为2n段。以n＝2为例，参阅图4中，将第2i-1和第2i段(i＝1,2,…,n)的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。

则上行残余采样频偏的计算公式为:

式中，d是符号m₁和m₂之间的采样间隔。

然后在频域上对接收信号进行上行残余采样频偏补偿。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：

假设卫星飞行高度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°，卫星波束的宽度为3°，上下行采样频率f_s均为491.52MHz。考虑终端位于波束覆盖中心位置(小区参考点)，由多普勒采样频偏计算公式

可计算得出，该终端-卫星-信关站链路中，上下行多普勒采样频偏均为14.5kHz。假设终端和信关站的采样晶振精度均为100ppb，则最差情况下，下行总采样频偏约为14.4kHz，上行总采样频偏约为14.6kHz。

假设下行链路用户终端采用和上行类似的方法估计下行采样频偏，可得下行采样频偏估计误差小于100Hz，则下行采样频偏估计值为14.3kHz，参照步骤1，可得上行预补偿采样频偏估计值为14.3kHz，经过发送端预补偿后，接收端的上行残余采样频偏为14.6kHz-14.3kHz＝0.3kHz，远小于补偿前14.5kHz的采样频偏。可见本方法有效地降低了接收信号中的采样频偏大小，减小了步骤2中上行残余采样频偏估计范围，降低了接收端处理复杂度。

实施例2：

假设终端-卫星-信关站上行链路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。设上行采样频偏为5000Hz，不经过步骤1的预补偿的情况下，仅依靠步骤2的参考信号分段相关估计采样频偏。仿真结果如图5所示，经仿真可得估计的均方根误差为32.4Hz，可见此方法在估计上行残余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性能。

Claims (2)

1.一种低轨卫星多载波通信系统上行采样频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：用户终端根据下行采样频偏估计结果，计算上行预补偿采样频偏，并根据计算得到的上行预补偿采样频偏，通过调整晶振或使用重采样数字滤波器对用户终端发射的上行信号进行补偿；

步骤2：上行残余采样频偏由上行发射端预补偿误差和晶振频偏导致；接收端将接收到参考信号与本地产生的参考信号进行相关运算，并做分段处理，利用信号的特性，实现上行残余采样频偏的估计；信关站再根据上行残余采样频偏的估计值在接收信号时对上行残余采样频偏进行补偿；

所述步骤1中，记用户终端下行采样频偏估计结果为

下行采样频率为f_s,downlink，上行采样频率为f_s,uplink，则上行预补偿采样频偏估计值f_pre,uplink为：

所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1：令∈_s表示相对频偏，定义为上行残余采样频偏与上行采样频率之间的比值；当存在相对频偏∈_s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；

步骤2.2：时隙内第m₁和第m₂个符号上为PN序列；信关站本地产生第m₁和第m₂个符号上的参考信号序列副本

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参考信号分为2n段；将第2i-1和第2i段的信号再做相关并求其幅角，其中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；

则上行残余采样频偏的计算公式为：

式中，d是符号m₁和m₂之间的采样间隔；

步骤2.3：在频域上对接收信号进行上行残余采样频偏，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.如权利要求1所述的一种低轨卫星多载波通信系统上行采样频偏估计与补偿方法，其特征在于当卫星多载波系统中采样频偏小于∈_s0时，仅采用步骤2的方法进行系统采样频偏的估计与补偿需求；当卫星多载波系统中采样频偏大于∈_s0时，则联合使用步骤1和2进行采样频偏的估计与补偿，其中

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