CN111147129A - 一种低轨卫星通信系统的预编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星通信系统的预编码方法，S1：用户终端估计信道状态信息，并经由反向链路反馈到地面网关；S2：地面网关根据用户终端反馈的信道状态信息计算预编码矩阵并对发送的信号进行调制、预编码，得到编码后的信号；编码后的信号通过低轨卫星信道输出到用户终端；用户终端对接收的信号进行解预编码、解调，得到接收信息。本方法在发射端实现对信号预处理，即调制和预编码，消除发射的数据流之间干扰并且降低接收端即用户终端的复杂度，改善了系统误码率性能并提高系统吞吐率，提高通信质量，提高系统性能。

Description

一种低轨卫星通信系统的预编码方法
技术领域
本发明涉及卫星通信干扰消除技术领域，尤其涉及一种低轨卫星通信系统的预编码方法。
背景技术
随着卫星通信的发展，数据传输需求与日剧增，而带宽并不能很快提高，如何在不增加带宽的前提下来提高信息传输速率和可靠性是亟待解决的问题。因此，近年来多点波束卫星系统成为了研究人员的一个重要研究对象。多波束卫星系统利用多个波束提供的空间复用増益和分集增益，可以在不额外增加带宽和发射功率的情况下显著提高系统的频谱利用率和传输可靠性，但是多个波束会导致空间和功耗的增加以及处理多维信号带来的复杂度提升，加重波束间干扰问题。考虑到实际传播环境的制约和成本限制，如何更好地解决卫星波束间的干扰问题至关重要。
考虑到实际卫星通信中多波束系统不可避免会造成接收端处理复杂度大大增加，使得很多理论上具有优异性能的方案在工程应用上受限，因此寻求从发射端对信号进行处理的技术势在必行。预编码(Precoding)正是一种在发射端实现的信号预处理技术，通过在发射端利用信道状态信息(Channel State Information，CSI)对发射信号进行预处理，使得发射信号与衰落信道相匹配，以达到消除发射的数据流之间干扰并且降低接收端复杂度的目的，从而改善系统误码率性能并提高系统吞吐率。事实上，在地面传统的MIMO系统中，预编码技术已经相对比较成熟，很好的改善了MIMO系统的误码性能。可以预见，将预编码技术引入到多波束卫星通信系统中，对于提高通信质量有着重要的意义。预编码技术的一个典型应用是收发机设计，目前的研究多集中于线性收发机设计，考虑基于非线性预编码的鲁棒性收发机进行设计并将其应用于卫星移动通信系统中，对于提高卫星通信质量有着重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种低轨卫星通信系统的预编码方法，能够有效处理严重波束间干扰问题，从而改善系统误码率性能并提高系统吞吐率，提高通信质量。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低轨卫星通信系统的预编码方法，所述方法包括：
S1：用户终端估计信道状态信息，并经由反向链路反馈到地面网关；
S2：地面网关根据用户终端反馈的信道状态信息计算预编码矩阵并对发送的信号进行调制、预编码，得到编码后的信号；编码后的信号通过低轨卫星信道输出到用户终端；用户终端对接收的信号进行解预编码、解调，得到接收信息。
进一步的，所述步骤S2的具体方法如下：
A1：输入进行发送的信号x(n)；
A2：对输入的信号x(n)进行调制，其输出信号为s(n)；
A3：对输出信号s(n)进行预编码，得到编码后的信号y(n)；
A4：将信号y(n)输出通过低轨卫星信道的信号y1(n)＝Hy(n)+nk；
A5：用户终端对收到的信号y1(n)进行解预编码，得到可以解调的信号y2(n)；
A6：对收到的信号进行解调，得到接收信息x2(n)。
进一步的，步骤A2中，对输入的信号x(n)进行8PSK调制。
其中，对输入的信号x(n)进行8PSK调制，其初始相位为0,信号集表达式为:
Figure BDA0002350928500000031
式中R1＝1，
Figure BDA0002350928500000032
exp为自然指数函数，ik为系数。
进一步的，对输出信号s(n)进H行预编码，得到编码后的信号y(n)，
y(n)＝s(n)*w
式中w＝HH(HHH)-1，
Figure BDA0002350928500000033
其中信道H满足概率密度函数：
Figure BDA0002350928500000034
式中s为信道的功率，
Figure BDA0002350928500000035
进一步的，步骤A4中，将信号y(n)通过Gauss白噪声模块，实现输出通过低轨卫星信道的信号y1(n)＝Hy(n)+nk。
其中，所述Gauss白噪声模块进行信号处理中的nk满足Gauss白噪声的概率密度函数Pn(f)，
Figure BDA0002350928500000036
式中，n0为正常数，则称该噪声为白噪声。
进一步的，步骤A5中，对收到的信号y1(n)进行解预编码，得到可以解调的信号y2(n)，
y2(n)＝UH(Hws(n)+nk)
式中，U为酉矩阵，且满足UUH＝I，I为单位矩阵。
进一步的，步骤A6中，对收到的信号进行8PSK解调。
其中，步骤A6中，利用8PSK的三比特软信息解调为λ0k＝Qk，λ1k＝Ik，λ2k＝G-abs(y2(n))，式中，Ik＝Re(y2(n))，Qk＝Im(y2(n))，
Figure BDA0002350928500000037
Re(x)为取实部，Im(x)为取虚部，进而获得解调信息x2(n)。
综上所述，本低轨卫星通信系统的预编码方法具有以下有益效果：
1、本方法在发射端实现对信号预处理，即调制和预编码，消除发射的数据流之间干扰并且降低接收端即用户终端的复杂度，改善了系统误码率性能并提高系统吞吐率，提高通信质量。
2、预编码技术，即是一种基于信关站信道状态信息对要发送信号进行预处理以减小信号间干扰的一种有效方法。用户终端估计信道状态信息，并经由反向链路反馈到地面网关；地面网关根据用户终端反馈的信道状态信息计算预编码矩阵并对发送的信号进行调制、预编码，得到编码后的信号；编码后的信号通过低轨卫星信道输出到用户终端；用户终端对接收的信号进行解预编码、解调，得到接收信息。通过卫星和地面协同为用户终端提供通信服务，能够更好的提高通信质量，提高系统性能。
附图说明：
图1是多波束卫星前向链路预编码技术示意图。
图2是多波束卫星前向链路预编码技术流程图。
图3本发明预编码仿真效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1～图3，一种低轨卫星通信系统的预编码方法，所述方法包括：
S1：用户终端估计信道状态信息，并经由反向链路反馈到地面网关；
S2：地面网关根据用户终端反馈的信道状态信息计算预编码矩阵并对发送的信号进行调制、预编码，得到编码后的信号；编码后的信号通过低轨卫星信道输出到用户终端；用户终端对接收的信号进行解预编码、解调，得到接收信息。
本实施例中，所述步骤S2的具体方法如下：
A1：输入进行发送的信号x(n)；
A2：对输入的信号x(n)进行调制，其输出信号为s(n)；
A3：对输出信号s(n)进行预编码，得到编码后的信号y(n)；
A4：将信号y(n)输出通过低轨卫星信道的信号y1(n)＝Hy(n)+nk；
A5：用户终端对收到的信号y1(n)进行解预编码，得到可以解调的信号y2(n)；
A6：对收到的信号进行解调，得到接收信息x2(n)。
本实施例中，步骤A2中，对输入的信号x(n)进行8PSK调制。
其中，对输入的信号x(n)进行8PSK调制，其初始相位为0,信号集表达式为:
Figure BDA0002350928500000051
式中R1＝1，
Figure BDA0002350928500000052
exp为自然指数函数，ik为系数。
本实施例中，对输出信号s(n)进H行预编码，得到编码后的信号y(n)，
y(n)＝s(n)*w
式中w＝HH(HHH)-1，
Figure BDA0002350928500000053
其中信道H满足概率密度函数：
Figure BDA0002350928500000054
式中s为信道的功率，
Figure BDA0002350928500000055
本实施例中，步骤A4中，将信号y(n)通过Gauss白噪声模块，实现输出通过低轨卫星信道的信号y1(n)＝Hy(n)+nk。
其中，所述Gauss白噪声模块进行信号处理中的nk满足Gauss白噪声的概率密度函数Pn(f)，
Figure BDA0002350928500000061
式中，n0为正常数，则称该噪声为白噪声。
本实施例中，步骤A5中，对收到的信号y1(n)进行解预编码，得到可以解调的信号y2(n)，
y2(n)＝UH(HWs(n)+nk)
式中，U为酉矩阵，且满足UUH＝I，I为单位矩阵。
本实施例中，步骤A6中，对收到的信号进行8PSK解调。
其中，步骤A6中，利用8PSK的三比特软信息解调为λ0k＝Qk，λ1k＝Ik，λ2k＝G-abs(y2(n))，式中，Ik＝Re(y2(n))，Qk＝Im(y2(n))，
Figure BDA0002350928500000062
Re(x)为取实部，Im(x)为取虚部，进而获得解调信息x2(n)。
本方法在发射端实现对信号预处理，即调制和预编码，消除发射的数据流之间干扰并且降低接收端即用户终端的复杂度，改善了系统误码率性能并提高系统吞吐率，提高通信质量。通过卫星和地面协同为用户终端提供通信服务，能够更好的提高通信质量，提高系统性能。
在说明书附图图3中，仿真效果图对比可知，对于天线数目相同时，本实施例提供的预编码通信方法相比较无预编码通信方法的误码率BER有所降低，而且，随着信噪比的增大误码率降低的速度也随之加快。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：用户终端估计信道状态信息，并经由反向链路反馈到地面网关；
S2：地面网关根据用户终端反馈的信道状态信息计算预编码矩阵并对发送的信号进行调制、预编码，得到编码后的信号；编码后的信号通过低轨卫星信道输出到用户终端；用户终端对接收的信号进行解预编码、解调，得到接收信息。
2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法如下：
A1：输入进行发送的信号x(n)；
A2：对输入的信号x(n)进行调制，其输出信号为s(n)；
A3：对输出信号s(n)进行预编码，得到编码后的信号y(n)；
A4：将信号y(n)输出通过低轨卫星信道的信号y1(n)＝Hy(n)+nk；
A5：用户终端对收到的信号y1(n)进行解预编码，得到可以解调的信号y2(n)；
A6：对收到的信号进行解调，得到接收信息x2(n)。
3.根据权利要求2所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，步骤A2中，对输入的信号x(n)进行8PSK调制。
4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，对输入的信号x(n)进行8PSK调制，其初始相位为0,信号集表达式为:
Figure RE-RE-FDA0002406464220000011
式中R1＝1，
Figure RE-RE-FDA0002406464220000012
exp为自然指数函数，ik为系数。
5.根据权利要求4所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，步骤A3中，对输出信号s(n)进H行预编码，得到编码后的信号y(n)，
y(n)＝s(n)*w
式中w＝HH(HHH)-1，
Figure RE-RE-FDA0002406464220000021
其中信道H满足概率密度函数：
Figure RE-RE-FDA0002406464220000022
式中s为信道的功率，
Figure RE-RE-FDA0002406464220000023
6.根据权利要求5所述的一种低轨卫星通s信系统的预编码方法，其特征在于，步骤A4中，将信号y(n)通过Gauss白噪声模块，实现输出通过低轨卫星信道的信号y1(n)＝Hy(n)+nk。
7.根据权利要求6所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，所述Gauss白噪声模块进行信号处理中的nk满足Gauss白噪声的概率密度函数Pn(f)，
Figure RE-RE-FDA0002406464220000024
式中，n0为正常数，则称该噪声为白噪声。
8.根据权利要求7所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，步骤A5中，对收到的信号y1(n)进行解预编码，得到可以解调的信号y2(n)，
y2(n)＝UH(Hws(n)+nk)
式中，U为酉矩阵，且满足UUH＝I，I为单位矩阵。
9.根据权利要求8所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，步骤A6中，对收到的信号进行8PSK解调。
10.根据权利要求9所述的一种低轨卫星通信系统的预编码方法，其特征在于，步骤A6中，利用8PSK的三比特软信息解调为λ0k＝Qk，λ1k＝Ik，λ2k＝G-abs(y2(n))，式中，Ik＝Re(y2(n))，Qk＝Im(y2(n))，
Figure RE-RE-FDA0002406464220000031
Re(x)为取实部，Im(x)为取虚部，进而获得解调信息x2(n)。
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