CN112636798B - 一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，该方法包括：基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号；各天线对同一个OFDM符号按预设规则循环样点，得到循环位移形式；将循环位移形式加入循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵；将MMDM空时编码矩阵结合低轨卫星多天线系统发送不同延迟的相同卫星信号；接收信号并对具有不同延迟的相同卫星信号进行分离，得到各条路径的信号；对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号。本发明解决了传统低轨星座通信中MIMO系统由于信道矩阵缺秩导致的信道容量下降问题。本发明作为一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，可广泛应用于无线通信技术领域。

Description

一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法。

背景技术

在卫星MIMO系统方案中，自由空间路径损耗、LOS项或者莱斯衰落、有限散射物、收发天线单元间相关性容易导致信道矩阵缺秩，甚至完全退化为一维从而引起信道容量的下降。同时，传统的空时分组编码(STBC)和空时格栅编码(STTC)技术在面向低轨星座MIMO系统的传输与接收设计方面存在许多约束，如STBC编码需要所有的分组码都是正交的，采用STBC编码，大于两根发射天线的系统，保持全速率传输是不可能实现的。随着发射天线数目的增多，STBC编码的复杂度以指数倍增加。STBC编码技术和STTC编码技术只适用于固定的发射天线和接收天线的组合，它们没有提供适用于任意数目发射天线和接收天线的组合的灵活的编码技术。因此，对于任意数目天线的组合来说，迫切需要一种新的空时编码技术实现面向低轨星座通信的传输与接收。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，解决了传统低轨星座通信中MIMO系统由于信道矩阵缺秩导致的信道容量下降问题。

本发明所采用的第一技术方案是：一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，包括以下步骤：

基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号；

各天线对同一个OFDM符号按预设规则循环样点，得到循环位移形式；

将循环位移形式加入循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵；

将MMDM空时编码矩阵结合低轨卫星多天线系统发送不同延迟的相同卫星信号；

接收信号并对具有不同延迟的相同卫星信号进行分离，得到各条路径的信号；

对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号。

进一步，所述基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号这一步骤，其具体包括：

预设系统参数，包括卫星总数量为P，码字序列长度为N，每颗卫星所发送的相同数据u_p[k]，p＝1，2，...，P；k＝0，1，...，N-1，码字序列符号位X₀，X₁，...，X_N-1，发送天线数量为L，循环前缀长度为G，且要求G＞L；

基于离散傅里叶逆变换将码字序列调制到子载波上，得到OFDM符号。

进一步，所述OFDM符号的表达式如下：

上式中，X_k表示频域码字序列符号第k位，x_n表示时域码字序列符号第n位，e表示自然指数

其中j表示复数，k、n为下表索引，k、n＝0，1，2，...，N-1。

进一步，所述各天线对同一个OFDM符号按预设规则循环样点，得到循环位移形式，表达式如下：

进一步，所述将循环位移形式加入循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵这一步骤具体为添加长度为G＞L的循环前缀，得到MMDM技术的空时编码矩阵，其中最大天线时延为L-1，前G列为循环保护间隔，后N列为数据块，表达式如下：

进一步，所述接收信号并对具有不同延迟的相同卫星信号进行分离，得到各条路径的信号这一步骤，其具体包括：

获取接收信号并对接收信号进行FFT变换，得到CFO信道环境下信号；

基于子载波平均的盲波束成型器对CFO信道环境下信号进行路径信号

抽取，得到各条路径的信号。

进一步，对接收信号进行FFT变换的表达式如下：

上式中，

表示卫星p在频域由于多普勒频移导致的ICI系数，z_P[m]表示接收端在第m个符号位时刻接收到的由总共P颗卫星发送的信号的叠加，w[k]表示高斯加性白噪声，k为索引，表示第k个。

进一步，所述对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号这一步骤，其具体包括：

基于多普勒频移估计算法估算各条路径的信号的多普勒频移，并进行逐路径频域补偿，得到频偏补偿后的信号；

对频偏补偿后的信号进行时延估计与时延补偿，得到时延补偿后的信号；

根据时延补偿后的信号和最优向量，解调得到卫星信号。

进一步，所述时延估计的计算公式如下：

上式中，

表示接收端对第p颗卫星的时延估计值，N_g表示最大的时延范围，

表示干扰消除方法中第p级的第k个信号估计值，e为自然指数，

j表示复数，τ表示真实的时延值。

进一步，所述时延补偿的公式如下：

上式中，ε_l[k]为第k个时延补偿后信号集合中的第l个元素，e_l[k]表示干扰消除方法中第l级的第k个信号估计值，e为自然指数，

j表示复数，τ^r接收端对第p颗卫星的时延估计值。

本发明方法的有益效果是：本发明在接收端采用基于子载波平均的盲波束成形器代替受天线组合和数量影响较大的均衡或者其他的补偿技术，实现了适用于各种天线组合的灵活的编码技术，且信道矩阵不会出现缺秩或相关现象。

附图说明

图1是本发明具体实施例一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法的步骤流程图；

图2是本发明具体实施例一种面向低轨星座通信的信号发送与接收系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1所示，本发明提供了一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，该方法包括以下步骤：

S1、基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号；

S2、各天线对同一个OFDM符号按预设规则循环样点，得到循环位移形式；

S3、将循环位移形式加入循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵；

S4、将MMDM空时编码矩阵结合低轨卫星多天线系统发送不同延迟的相同卫星信号；

S5、接收信号并对具有不同延迟的相同卫星信号进行分离，得到各条路径的信号；

S6、对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号。

进一步作为本方法的优选实施例，所述基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号这一步骤，其具体包括：

预设系统参数，包括卫星总数量为P，码字序列长度为N，每颗卫星所发送的相同数据u_p[k]，p＝1，2，...，P；k＝0，1，...，N-1，码字序列符号位X₀，X₁，...，X_N-1，发送天线数量为L，循环前缀长度为G，且要求G＞L；

基于离散傅里叶逆变换将码字序列调制到子载波上，得到OFDM符号。

进一步作为本方法优选实施例，所述OFDM符号的表达式如下：

上式中，X_k表示频域码字序列符号第k位，x_n表示时域码字序列符号第n位，e表示自然指数

其中j表示复数，k、n为下表索引，k、n＝0，1，2，...，N-1。

进一步作为本发明的优选实施例，对同一个OFDM符号分别循环位移δ_n个样点，其中n＝1，2，...，n_L表示天线序号，得到发送序列实际上形成的(x₀，x₁，...，x_N-1)的循环位移形式：

进一步作为本发明优选实施例，所述将循环位移形式加入循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵这一步骤具体为添加长度为G＞L的循环前缀，得到MMDM技术的空时编码矩阵，其中最大天线时延为L-1，前G列为循环保护间隔，后N列为数据块，表达式如下：

进一步作为本发明优选实施例，所述接收信号并对具有不同延迟的相同卫星信号进行分离，得到各条路径的信号这一步骤，其具体包括：

获取接收信号并对接收信号进行FFT变换，得到CFO信道环境下信号；

基于子载波平均的盲波束成型器对CFO信道环境下信号进行路径信号

抽取，得到各条路径的信号。

具体地，通过基于子载波平均的盲波束成型器对来自各个卫星的多个路径信号

进行抽取操作，先得到p-1级的信号估计值e_p-1[k]和对应的信道估计值

然后从总的信号x[k]中减去之前的p-1级信号得到第p个路径的接收信号

然后根据

得到该路径下的DOAθ_p，且子载波平均定义下的Fourier波束成形器定义为

通过波束成形器算得e_p[k]和

r∈{1，...，P}和常数β_p都暂时仍未知；

进一步作为本方法的优选实施例，对接收信号进行FFT变换的表达式如下：

上式中，

表示卫星p在频域由于多普勒频移导致的ICI系数，z_P[m]表示接收端在第m个符号位时刻接收到的由总共P颗卫星发送的信号的叠加，w[k]表示高斯加性白噪声，k为索引，表示第k个，Δf_p为p颗卫星的载波频率偏移(CFO)，(·)_N表示以N为基的取模运算，Δf_pT为卫星p的归一化频偏，α_p为每条路径的复增益，θ_p为每颗卫星到达天线阵列波达方向角(DOA)，τ_p为每颗卫星的信号时延，得到CFO信道环境下信号为：

x[k]＝A^CFOu^CFO[k]+w[k]，k＝0，1，...，N-1

其中，混合矩阵A^CFO与源信号向量u^CFO[k]为：

其中，φ_i，i＝1，2，...，p为第i颗卫星到接收端的信号相位偏移，

为信号天线阵列波达方向角表达式，N为天线数量，d为天线间距离，λ为信号波长，e表示自然指数，j表示复数，θ_i，i＝1，2，...，p为第i颗卫星到达天线阵列波达方向角(DOA)，

表示第i颗卫星在CFO信道下的第k个信号表示，U_p[m]表示没有CFO信道环境下第p颗卫星的源信号向量，u_p[m]表示第p颗卫星发送的第m个原始信号。

目标是首先估计出DOA，然后估计出混合矩阵A^CFO，和每条路径的延时τ_p，利用基于子载波平均的波束成形器将来自每个卫星的信号分别估计出来。

进一步作为本方法的优选实施例，所述对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号这一步骤，其具体包括：

基于多普勒频移估计算法估算各条路径的信号的多普勒频移，并进行逐路径频域补偿，得到频偏补偿后的信号；

对频偏补偿后的信号进行时延估计与时延补偿，得到时延补偿后的信号；

根据时延补偿后的信号和最优向量，解调得到卫星信号。

具体地，最后运用快速峰度最大(FKMA)算法找出

中最优向量v，第p-1级时，时延补偿后的信号被放在一个集合中{ε₁[k]，ε₂[k]，..，ε_p[k]}，根据

来更新

直至所有卫星信号被解调出来。

进一步作为本方法的优选实施例，τ^(r)在基于子载波平均定义下的时延估计，即所述时延估计的计算公式如下：

上式中，

表示接收端对第p颗卫星的时延估计值，N_g表示最大的时延范围，

表示干扰消除方法中第p级的第k个信号估计值，e为自然指数，

j表示复数，τ表示真实的时延值。

进一步作为本方法的优选实施例，所述时延补偿的公式如下：

上式中，ε_l[k]为第k个时延补偿后信号集合中的第l个元素，e_l[k]表示干扰消除方法中第l级的第k个信号估计值，e为自然指数，

j表示复数，τ^r接收端对第p颗卫星的时延估计值。

如图2所示，本发明还提供一种面向低轨星座通信的信号发送与接收系统，包括以下模块：

OFDM变换模块，用于基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号；

循环位移模块，用于各天线对同一个OFDM符号按预设规则循环样点，得到循环位移形式；

MMDM空时编码模块，用于将循环位移形式加入循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵；

发送模块，用于将MMDM空时编码矩阵结合低轨卫星多天线系统发送不同延迟的相同卫星信号；

分离模块，用于接收信号并对具有不同延迟的相同卫星信号进行分离，得到各条路径的信号；

解调模块，用于对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号。

上述系统实施例中的内容均适用于本方法实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述系统实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号；

各天线对同一个OFDM符号按预设规则循环样点，得到循环位移形式，表达式为

表示天线序号；

将循环位移形式加入长度为G>L的循环前缀，得到MMDM空时编码矩阵，表达式为

最大天线时延为L-1，前G列为循环保护间隔，后N列为数据块；

将MMDM空时编码矩阵结合低轨卫星多天线系统发送不同延迟的相同卫星信号；

获取接收信号并对接收信号进行FFT变换，得到CFO信道环境下信号；

基于子载波平均的盲波束成型器对CFO信道环境下信号进行路径信号

抽取，得到各条路径的信号；

对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号。

2.根据权利要求1所述一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，所述基于发射端对需要发送的不同符号做OFDM变换，得到对应OFDM符号这一步骤，其具体包括：

预设系统参数，包括卫星总数量为P，码字序列长度为N，每颗卫星所发送的相同数据u_p[k],p＝1,2,…,P；k＝0,1,…,N-1，码字序列符号位X₀,X₁,…，X_N-1，发送天线数量为L，循环前缀长度为G，且要求G>L；

基于离散傅里叶逆变换将码字序列调制到子载波上，得到OFDM符号。

3.根据权利要求2所述一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，所述OFDM符号的表达式如下：

上式中，X_k表示频域码字序列符号第k位，x_n表示时域码字序列符号第n位，e表示自然指数

其中j表示复数，k、n为下表索引，k、n＝0,1,2,…,N-1。

4.根据权利要求3所述一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，对接收信号进行FFT变换的表达式如下：

上式中，

表示卫星p在频域由于多普勒频移导致的ICI系数，z_P[m]表示接收端在第m个符号位时刻接收到的由总共P颗卫星发送的信号的叠加，w[k]表示高斯加性白噪声，k为索引，表示第k个。

5.根据权利要求4所述一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，所述对各条路径的信号进行多普勒频移和时延的估计与补偿，解调得到所有的卫星信号这一步骤，其具体包括：

基于多普勒频移估计算法估算各条路径的信号的多普勒频移，并进行逐路径频域补偿，得到频偏补偿后的信号；

对频偏补偿后的信号进行时延估计与时延补偿，得到时延补偿后的信号；

根据时延补偿后的信号和最优向量，解调得到卫星信号。

6.根据权利要求5所述一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，所述时延估计的计算公式如下：

上式中，

表示接收端对第p颗卫星的时延估计值，N_g表示最大的时延范围，

表示干扰消除方法中第p级的第k个信号估计值，e为自然指数，

j表示复数，τ表示真实的时延值。

7.根据权利要求6所述一种面向低轨星座通信的信号发送与接收方法，其特征在于，所述时延补偿的公式如下：

上式中，ε_l[k]为第k个时延补偿后信号集合中的第l个元素，e_l[k]表示干扰消除方法中第l级的第k个信号估计值，e为自然指数，

j表示复数，τ^r接收端对第p颗卫星的时延估计值。

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