CN113258984B - 多用户自适应频偏消除方法、装置、存储介质及低轨卫星通信系统 - Google Patents

多用户自适应频偏消除方法、装置、存储介质及低轨卫星通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多用户自适应频偏消除方法、装置及低轨卫星通信系统。该方法对混合了K个用户信号的时域信号执行t次迭代获得各用户消除干扰信号，第t次迭代：从时域信号中分离各用户信号；获得各用户的频偏补偿信号；利用各用户的载荷自适应控制参数获取各用户干扰信号；对于每个用户，将时域信号减去用户干扰信号获得用户估计信号；若用户控制误差在误差阈值范围内，输出用户估计信号，在时域信号中除去该用户消除干扰信号，K＝K－1，若用户控制误差不在误差阈值范围内，更新用户载荷自适应控制参数。有效自适应并行消除多普勒频偏、频偏变化率及其多用户间干扰，提高用户信息估计精度；可剔除估计精度高的用户不进入后续迭代，提高效率。

Description

多用户自适应频偏消除方法、装置、存储介质及低轨卫星通信 系统
技术领域
本发明涉及空天地海一体化信息网络技术领域，特别是涉及一种多用户自适应频偏消除方法、装置及低轨卫星通信系统。
背景技术
空天地海一体化信息网络，其核心是卫星通信网络。在星座网络中，卫星网络作为海陆空信息平台联合的枢纽，使信息平台由相对分散变为联合有机整体。低轨卫星系统成为地面移动通信系统的重要补充，弥补了地面移动通信系统自然地理故障和有限覆盖范围的劣势。同时，低轨卫星具有轨道低、时延短、组网灵活、覆盖广等独特优势，其可满足用户的任意时间、任意地点接入需求。
低轨卫星通信作为构建全球无缝网络的重要一环，需要具备数据高速率传输的能力。为了提升卫星系统的传输能力，正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技术被建议在低轨卫星通信上使用。低轨卫星通信系统采用OFDM技术，不但可以有效提升卫星系统的频带资源利用效率，而且还有利于与地面5G融合，优势明显。
然而，低轨卫星相对于地面终端有非常高的运动速度，使得低轨卫星移动通信系统中存在的多普勒频移高达几万赫兹，而由多普勒频移引入的载波频偏严重破坏了自载波间的正交性。当低轨卫星系统中有多个用户进行通信时，由于频偏的影响，导致多个用户之间产生相互干扰，从而增大了卫星载荷对各个用户的检测难度。对于多用户频偏估计与补偿技术，现有的一些传统算法可在相邻用户间的频偏差值较小时性能较好，但算法复杂度较高，同时，未考虑频偏变化率导致用户信息估计精度低，时延较大。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种多用户自适应频偏消除方法、装置及低轨卫星通信系统。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种多用户自适应频偏消除方法，对混合了K个用户信号的时域信号执行t次迭代处理，直到满足停止条件，获得各用户的消除干扰信号，所述t为正整数，所述K为大于等于2的正整数；第t次迭代处理包括：从混合了K个用户信号的时域信号中分离出各用户信号；对各用户信号进行频偏估计和补偿获得各用户的频偏补偿信号；利用各用户的载荷自适应控制参数对各用户的频偏补偿信号参与重构K个用户中其自身之外的剩余K-1个用户的干扰信号的权重进行设置，获取各用户的干扰信号；对于每个用户，将所述时域信号减去所述用户的干扰信号获得所述用户的估计信号；对于每个用户，将所述用户的频偏补偿信号与所述用户的估计信号的差值作为所述用户的控制误差，若所述用户的控制误差在预设的误差阈值范围内，将所述用户的估计信号作为所述用户的消除干扰信号并输出，在所述时域信号中除去所述用户的消除干扰信号，令K＝K-1，若所述用户的控制误差不在预设的误差阈值范围内，更新所述用户的载荷自适应控制参数。
上述技术方案：采用“估计-重构-消除-判决-更新”循环结构自适应并行消除多普勒频偏及其多用户间干扰，直到所有用户的信号被重构和消除干扰。估计是在时域信号中分离出各用户信号，并对各用户信号进行频偏估计和补偿；重构指基于载荷自适应控制参数重构各用户的干扰信号；消除是指将总的时域信号剔除各用户的干扰信号获得该用户估计信号；判决是基于控制误差判断该用户估计信号是否还需要进入下一次迭代继续重构，若无需进入下一次迭代，将该用户的估计信号作为该用户的消除干扰信号输出，并在时域信号中剔除该用户的估计信号，若还需进入下一次迭代，则更新该用户的载荷自适应控制参数。采用多级结构来实现“估计-重构-消除-判决-更新”的循环,能够有效自适应并行消除多普勒频偏、频偏变化率及其多用户间干扰，从而来提高对用户信息的估计精度；采用自适应算法对载荷自适应控制参数更新，决定该用户是否继续重构，可以智能剔除估计精度高的用户不进入下一次迭代，这样能够极大地减少运算量，提高5G低轨卫星载荷系统的性能和效率；采用多个用户同时独立进行估计-重构-消除-判决-更新，有效降低载荷的处理时延。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种多用户自适应频偏消除装置，包括处理单元，所述处理单元对混合了多个用户信号的时域信号执行本发明所述的多用户自适应频偏消除方法获得各用户的消除干扰信号。
上述技术方案：该装置采用多级结构来实现“估计-重构-消除-判决-更新”的循环,能够有效自适应并行消除多普勒频偏、频偏变化率及其多用户间干扰，从而来提高对用户信息的估计精度；采用自适应算法对载荷自适应控制参数更新，决定该用户是否继续重构，可以智能剔除估计精度高的用户不进入下一次迭代，这样能够极大地减少运算量，提高5G低轨卫星载荷系统的性能；采用多个用户同时独立进行估计-重构-消除-判决-更新，提高载荷通信系统性能。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明所述的多用户自适应频偏消除方法。
上述技术方案：采用多级结构来实现“估计-重构-消除-判决-更新”的循环,能够有效自适应并行消除多普勒频偏、频偏变化率及其多用户间干扰，从而来提高对用户信息的估计精度；采用自适应算法对载荷自适应控制参数更新，决定该用户是否继续重构，可以智能剔除估计精度高的用户不进入下一次迭代，这样能够极大地减少运算量，提高5G低轨卫星载荷系统的性能；采用多个用户同时独立进行估计-重构-消除-判决-更新，有效降低载荷的处理时延。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种低轨卫星通信系统，包括至少一个卫星载荷，每个卫星载荷可同时与多个用户通信，当所述卫星载荷同时接收多个用户信号时，所述卫星载荷执行本发明所述的多用户自适应频偏消除方法获得各用户的消除干扰信号。
上述技术方案：采用多级结构来实现“估计-重构-消除-判决-更新”的循环,能够有效自适应并行消除多普勒频偏、频偏变化率及其多用户间干扰，从而来提高对用户信息的估计精度；采用自适应算法对载荷自适应控制参数更新，决定该用户是否继续重构，可以智能剔除估计精度高的用户不进入下一次迭代，这样能够极大地减少运算量，提高5G低轨卫星载荷系统的性能；采用多个用户同时独立进行估计-重构-消除-判决-更新，有效降低载荷的处理时延，提高载荷通信系统性能。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中多用户自适应频偏消除方法的流程示意图；
图2是本发明一具体实施方式中多用户自适应频偏消除方法的性能仿真图；
图3是本发明一具体实施方式中低轨卫星通信系统的应用场景图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种多用户自适应频偏消除方法，在一种优选实施方式中，该方法对混合了K个用户信号的时域信号执行t次迭代处理，直到满足停止条件，获得各用户的消除干扰信号，t为正整数，K为大于等于2的正整数；
第t次迭代处理包括：从混合了K个用户信号的时域信号中分离出各用户信号；对各用户信号进行频偏估计和补偿获得各用户的频偏补偿信号；利用各用户的载荷自适应控制参数对各用户的频偏补偿信号参与重构K个用户中其自身之外的剩余K-1个用户的干扰信号的权重进行设置，获取各用户的干扰信号；对于每个用户，将时域信号减去该用户的干扰信号获得该用户的估计信号；对于每个用户，将该用户的频偏补偿信号与该用户的估计信号的差值作为该用户的控制误差，若该用户的控制误差在预设的误差阈值范围内，将该用户的估计信号作为该用户的消除干扰信号并输出，在该时域信号中除去该用户的消除干扰信号，令K＝K-1，若该用户的控制误差不在预设的误差阈值范围内，更新该用户的载荷自适应控制参数。
在本实施方式中，K的大小随着不断迭代在变化，K的初始值为用户数量，随着每次迭代中符合控制误差要求的用户消除干扰信号输出，K逐步减小，每次迭代K减小的数值为符合控制误差要求的用户个数，同样地，原始时域信号因不断剔除符合控制误差要求的用户消除干扰信号逐步减小，在时域信号中剔除符合控制误差要求的用户消除干扰信号的方式优选但不限于为时域信号与符合控制误差要求的用户消除干扰信号进行差分运算。
在本实施方式中，优选的，将各用户的载荷自适应控制参数的初始迭代值设为1。误差阈值范围优选但不限于为±0.05。
在本实施方式中，优选的，在第t次迭代处理中，K个用户信号并行处理，如图1所示，并行地进行估计-重构-消除-判决-更新过程。
在本实施方式中，第t次迭代中K个用户的控制误差为：
Figure GDA0003695156090000071
e1(t)、e2(t)、eK(t)分别表示第t次迭代中第1、2、K个用户的控制误差，y1d(t)、y2d(t)、yKd(t)分别表示第t次迭代中第1、2、K个用户的频偏补偿信号，
Figure GDA0003695156090000072
分别表示第t次迭代中第1、2、K个用户的估计信号。
在本实施方式中，停止条件优选但不限于为K＝1。
在一种优选实施方式中，通过用户的载荷自适应控制参数确定该用户的频偏补偿信号参于重构其他用户干扰信号的分量大小或者是否参与重构其它用户的干扰信号。利用各用户的载荷自适应控制参数对各用户的频偏补偿信号参与重构该用户之外的剩余K-1个用户的干扰信号的权重进行设置，获取各用户的干扰信号，具体包括：
将各用户的频偏补偿信号与各用户的载荷自适应控制参数相乘获得该用户的第一信号；
对于每个用户，将K个用户中除了该用户之外剩下的K-1个用户的第一信号的叠加值作为该用户的干扰信号。
则K个用户的干扰信号为：
Figure GDA0003695156090000073
其中，y1′(t)、y2′(t)、y′K(t)分别表示第1、2、K个用户在第t次迭代的干扰信号，t表示迭代次数，ykw(t)表示第t次迭代中第k个用户的第一信号，具有：
Figure GDA0003695156090000081
其中，μ1(t)、μ2(t)、μK(t)分别表示第t次迭代中第1、2、K个用户的载荷自适应控制参数。
在一种优选实施方式中，若第k个用户的控制误差不在预设的误差阈值范围内，更新第k个用户的载荷自适应控制参数，k为正整数，且k∈[1,K]，具体包括：
第k个用户的载荷自适应控制参数按照如下公式更新：
Figure GDA0003695156090000082
其中，μk(t+1)表示第t+1次迭代处理中第k个用户的载荷自适应控制参数，μk(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的载荷自适应控制参数，ηk(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的更新迭代因子，ek(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的控制误差，
Figure GDA0003695156090000083
表示第t次迭代处理中第k个用户的估计信号；
更新迭代因子按照如下公式更新：
ηk(t+1)＝α·ηk(t)+β·|ek(t)|·|ek(t)-ek(t-1)|，其中，ηk(t+1)表示第t+1次迭代处理中第k个用户的更新迭代因子，ηk(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的更新迭代因子，α表示第一系数，α优选但不限于为0.9，β表示第二系数，β优选但不限于为0.1，ek(t-1)表示第t-1次迭代处理中第k个用户的控制误差。
在一种优选实施方式中，从混合了K个用户信号的时域信号中分离出各用户信号，具体包括：
将混合了K个用户信号的时域信号经过FFT变换到频域获得K个用户频域信号，根据各用户占用的子载波集分离出每个用户的频域信号，将每个用户的频域信号进行IFFT处理得到时域的用户信号。
在本实施方式中，K个用户的时域信号y经FFT变换为K个用户频域信号Y(w),
Figure GDA0003695156090000091
其中，n表示FFT点数索引，n＝1,2,...,N，N表示FFT总点数，
Figure GDA0003695156090000092
ε表示归一化载波频偏，exp(*)表示指数运算。第K个用户频域信号Yk(w)经IFFT处理得到第k个用户的时域信号yk(n)，
Figure GDA0003695156090000093
在一种优选实施方式中，对第k个用户信号进行频偏估计和补偿获得第k个用户的频偏补偿信号，具体包括：
对第k个用户信号进行整数倍频偏估计获得第k个用户的整数倍频偏补偿信号，具体包括：
分别对第k个用户的时域信号yk(n)和第k个用户的本地导频信号s(m)做FFT处理得到Yk(w)和S(w)，m表示导频索引；
Yk(w)和S(w)在频域做延迟相关运算计算整数倍频偏估计值fki，计算表达式为：
Figure GDA0003695156090000094
式中，max(*)为最大值函数；实际延迟值l＝1,2,…,L，L为最大延迟值；
第k个用户时域的整数倍频偏补偿信号为：
Figure GDA0003695156090000095
其中，y(n)表示混合了K个用户信号的时域信号，n表示FFT点索引，N表示FFT点数，n∈[1,N],
Figure GDA0003695156090000096
S*(w)表示S(w)的共轭，将第k个用户信号进行FFT处理得到Yk(w)，Yk(w+l)表示Yk(w)延迟l后的值，M表示第k个用户的本地导频信号长度。
基于第k个用户的整数倍频偏补偿信号对第k个用户信号进行小数倍频偏估计和补偿，获得第k个用户的最终的频偏补偿信号，
Figure GDA0003695156090000101
其中，
Figure GDA0003695156090000102
angle(*)表示求相位角函数，
Figure GDA0003695156090000103
m＝1，2，…，M，将第k个用户信号的整数倍频偏补偿信号yki(n)与该用户的本地导频信号s(m)做相关运算得到x(m)，x(m+n)表示x(m)的0～M/2段导频信号，x(m+n+M/2)表示x(m)的M/2～M段导频信号；x*(m+n)表示x(m+n)的共轭运算结果，即x(m+n)表示x(m)中导频在0～M/2段的信号；x(m+n+M/2)表示x(m)中导频在M/2～M段的信号；上述获取过程具体包括：
将第k个用户信号的整数倍频偏补偿信号yki(n)与该用户的本地导频信号s(m)做相关运算得到x(m)，计算表达式为：
Figure GDA0003695156090000104
其中，(*)*为共轭运算；M为第k个用户的本地导频信号长度，m为导频索引。
把x(m)分相等两段数据相关的列x′(m)，计算表达式为：
Figure GDA0003695156090000105
对x′(m)求相位角得到第k个用户的小数倍频偏估计系数fkd，计算表达式为：
Figure GDA0003695156090000106
对第k个用户的整数倍频偏补偿信号yki(n)进行小数倍频偏补偿得到该用户最终的频偏补偿信号，计算表达式为：
Figure GDA0003695156090000111
其中，其它用户频偏估计及补偿处理过程同用户k相同，在此不再赘述。
在本发明提供的多用户自适应频偏消除方法的一种应用场景中，将该方法应用到实际中，误码率仿真结果如图2所示，从图2中可知，该方法能够消除多普勒频偏及其多用户间干扰，从而提高5G低轨卫星载荷系统的性能。
本发明还公开了一种多用户自适应频偏消除装置，在一种优选实施方式中，该装置包括处理单元，处理单元对混合了多个用户信号的时域信号执行上述多用户自适应频偏消除方法获得各用户的消除干扰信号。
本发明还公开了一种存储介质，在一种优选实施方式中，存储介质包括存储的程序，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述多用户自适应频偏消除方法。
本发明还公开了一种低轨卫星通信系统，在一种优选实施方式中，该系统包括至少一个卫星载荷，每个卫星载荷可同时与多个用户通信，当卫星载荷同时接收多个用户信号时，卫星载荷执行上述多用户自适应频偏消除方法获得各用户的消除干扰信号。如图3所示，包含多个卫星载荷，每个卫星载荷可同时与K个用户终端通信。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种多用户自适应频偏消除方法，其特征在于，对混合了K个用户信号的时域信号执行t次迭代处理，直到满足停止条件，获得各用户的消除干扰信号，所述t为正整数，所述K为大于等于2的正整数；
第t次迭代处理包括：
从混合了K个用户信号的时域信号中分离出各用户信号；
对各用户信号进行频偏估计和补偿获得各用户的频偏补偿信号；
利用各用户的载荷自适应控制参数对各用户的频偏补偿信号参与重构K个用户中其自身之外的剩余K-1个用户的干扰信号的权重进行设置，获取各用户的干扰信号；
对于每个用户，将所述时域信号减去所述用户的干扰信号获得所述用户的估计信号；
对于每个用户，将所述用户的频偏补偿信号与所述用户的估计信号的差值作为所述用户的控制误差，若所述用户的控制误差在预设的误差阈值范围内，将所述用户的估计信号作为所述用户的消除干扰信号并输出，在所述时域信号中除去所述用户的消除干扰信号，令K＝K-1，若所述用户的控制误差不在预设的误差阈值范围内，更新所述用户的载荷自适应控制参数；
各用户的载荷自适应控制参数具有初始迭代值，第k个用户的载荷自适应控制参数按照如下公式更新：
Figure FDA0003687246650000011
其中，μk(t+1)表示第t+1次迭代处理中第k个用户的载荷自适应控制参数，μk(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的载荷自适应控制参数，ηk(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的更新迭代因子，ek(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的控制误差，
Figure FDA0003687246650000021
表示第t次迭代处理中第k个用户的估计信号；
所述更新迭代因子按照如下公式更新：
ηk(t+1)＝α·ηk(t)+β·|ek(t)|·|ek(t)-ek(t-1)|，其中，ηk(t+1)表示第t+1次迭代处理中第k个用户的更新迭代因子，ηk(t)表示第t次迭代处理中第k个用户的更新迭代因子，α表示第一系数，β表示第二系数，ek(t-1)表示第t-1次迭代处理中第k个用户的控制误差，k为正整数，且k∈[1,K]。
2.如权利要求1所述的多用户自适应频偏消除方法，其特征在于，利用各用户的载荷自适应控制参数对各用户的频偏补偿信号参与重构K个用户中其自身之外的剩余K-1个用户的干扰信号的权重进行设置，获取各用户的干扰信号，具体包括：
将各用户的频偏补偿信号与各用户的载荷自适应控制参数相乘获得所述用户的第一信号；
对于每个用户，将K个用户中除了所述用户之外剩下的K-1个用户的第一信号的叠加值作为所述用户的干扰信号。
3.如权利要求1所述的多用户自适应频偏消除方法，其特征在于，从混合了K个用户信号的时域信号中分离出各用户信号，具体包括：
将混合了K个用户信号的时域信号经过FFT变换到频域获得K个用户频域信号，根据各用户占用的子载波集分离出每个用户的频域信号，将每个用户的频域信号进行IFFT处理得到时域的用户信号。
4.如权利要求1所述的多用户自适应频偏消除方法，其特征在于，对第k个用户信号进行频偏估计和补偿获得第k个用户的频偏补偿信号，具体包括：
对第k个用户信号进行整数倍频偏估计获得第k个用户的整数倍频偏补偿信号：
Figure FDA0003687246650000031
其中，y(n)表示混合了K个用户信号的时域信号，n表示FFT点索引，N表示FFT点数，n∈[1,N],
Figure FDA0003687246650000032
L表示最大延迟值，实际延迟值l＝1,2,…,L，max(*)为取最大值函数，第k个用户的本地导频信号s(m)进行FFT处理获得S(w)，m表示导频索引，S*(w)表示S(w)的共轭，将第k个用户信号进行FFT处理得到Yk(w)，Yk(w+l)表示Yk(w)延迟l后的值；M表示第k个用户的本地导频信号长度；
基于第k个用户的整数倍频偏补偿信号对第k个用户信号进行小数倍频偏估计和补偿，获得第k个用户的最终的频偏补偿信号：
Figure FDA0003687246650000033
其中，
Figure FDA0003687246650000034
angle(*)表示求相位角函数，
Figure FDA0003687246650000035
M表示导频信号长度，x(m+n)表示x(m)中的0～M/2段导频信号；x(m+n+M/2)表示x(m)中的M/2～M段导频信号；x*(m+n)表示x(m+n)的共轭运算结果，将第k个用户信号的整数倍频偏补偿信号yki(n)与该用户的本地导频信号s(m)做相关运算得到x(m)。
5.如权利要求1所述的多用户自适应频偏消除方法，其特征在于，所述停止条件为K＝1。
6.如权利要求1所述的多用户自适应频偏消除方法，其特征在于，在第t次迭代处理中，K个用户信号并行处理。
7.一种多用户自适应频偏消除装置，其特征在于，包括处理单元，所述处理单元对混合了多个用户信号的时域信号执行权利要求1至6中任意一项所述的方法获得各用户的消除干扰信号。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行1至6任意一项所述的方法。
9.一种低轨卫星通信系统，其特征在于，包括至少一个卫星载荷，每个卫星载荷可同时与多个用户通信，当所述卫星载荷同时接收多个用户信号时，所述卫星载荷执行权利要求1至6中任意一项所述的方法获得各用户的消除干扰信号。
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