CN113612527B - 一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，包括以下步骤：步骤1：利用地面终端设备接收来自低轨卫星发射的信号，并对接收到的信号进行低通滤波以及下采样；步骤2：生成地面终端设备的主同步序列的时域信号；步骤3：将低通滤波以及下采样得到的信号，与时域信号进行联合分段的滑动相关检测；步骤4：求取步骤3中得到的联合分段的滑动相关检测结果的峰值，进行峰值判别并对小区

以及初始同步位置进行确定；步骤5：根据步骤4得到的小区组内ID号和初始同步位置，进行联合频偏估计；步骤6：利用频偏估计得到的结果进行频偏纠正。本发明能够提高小区搜索中主同步信号的正确捕获概率，同时还能提高频偏估计的准确性以及地面终端的检测效率。

Description

一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法

技术领域

本发明涉及低轨卫星同步技术领域，具体涉及一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法。

背景技术

随着卫星移动通信系统的不断发展，用户对高传输、广范围、较低时延以及灵活性高的低轨卫星移动通信系统的需求逐渐增长；相比地面移动通信系统，低轨卫星移动通信系统覆盖范围更加广泛，多颗低轨卫星能实现全球无缝覆盖。3GPP组织从R14版本开始星地融合的研究工作，并且对卫星相关的接入网协议及架构进行评估，并进一步开展基于5G标准的低轨卫星接入研究。建立基于5G标准的低轨卫星通信系统是当前卫星移动通信的研究热点与难点。

在基于5G标准的低轨卫星移动通信中，为了使地面终端在开机时能够找到对应的小区，低轨卫星在下行周期地发送同步信号。低轨卫星互联网的同步信号包括两部分，即主同步信号PSS(Primary Synchronization Signal)和辅助同步信号SSS(SecondarySynchronization Signal)。小区ID由组内号

的PSS序列和组号

的SSS序列唯一确定。PSS、SSS和物理广播信道构成SSB(SS/PBCH)块，与5G标准SSB的配置相同，基于5G标准的低轨卫星互联网的SSB块同样是每隔7个符号而周期性分布在信号序列中，也即是主同步信号PSS每隔7个符号周期性的存在与信号序列中。小区搜索的初始同步主要确定PSS的位置、组内

值以及完成频率同步，并利用PSS的位置推算出帧头位置，是后续地面终端信号处理的基础。

低轨卫星移动通信系统因为卫星的高速运动带来覆盖区的快速变化，进而导致地面移动终端和卫星之间产生较大的多普勒频移；此外，由于低轨卫星发射功率有限，其与地面终端的传输信道复杂且传输距离远，这就造成了低轨卫星移动系统的信噪环境比地面5G移动通信系统的信噪环境差，其信噪比最低可达-10dB。然而，由于较大的频偏和低信噪比的存在，严重影响了低轨卫星移动通信中地面终端初始同步的性能。

传统的初始同步采用将本地的主同步序列与接收信号直接进行滑动相关检测，该方法的不足之处有：

1、在低信噪比(如-10dB)下相关检测无法正确检测出峰值，其初始同步位置处的相关值在低信噪比时已淹没在相关检测结果中；

2、无法抵抗较大频偏。较大频偏时容易出现较高的误捕或漏捕概率；

3、由于低轨卫星发射的信号中主同步序列数量较大，检测效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，用以解决现有低轨卫星移动通信系统初始同步方法在低信噪比(如-10dB)下相关检测无法正确检测出峰值，同时在较大频偏时容易出现较高的误捕或漏捕概率的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，包括以下步骤：

步骤1：利用地面终端设备接收来自低轨卫星发射的信号，并对接收到的信号进行低通滤波以及下采样；

步骤2：生成地面终端设备的主同步序列的时域信号；

步骤3：将步骤1低通滤波以及下采样得到的信号，与步骤2得到的时域信号进行联合分段的滑动相关检测；

步骤4：求取步骤3中得到的联合分段的滑动相关检测结果的峰值，进行峰值判别并对小区

以及初始同步位置进行确定；

步骤5：根据步骤4得到的小区组内ID号和初始同步位置，进行联合频偏估计；

步骤6：利用频偏估计得到的结果进行频偏纠正。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤1中，对接收到的信号进行低通滤波以及下采样得到的信号为r(m),1≤m≤L_r，其中L_r为接收到的序列总长度。

所述步骤2的具体过程为：

步骤2-1：对本地产生长度为127的频域PSS序列末位插零后，得到长度为128的符号p_i(m)，其中i＝0,1,2表示小区组内三种ID标识，即为

步骤2-2：将p_i(m)经过N点的IFFT变换得到时域信号，变换后得到三组时域主同步序列表示为：

其中，S_PSS,i(m)，i＝0,1,2，为本地生成的三组时域PSS信号，L为PSS序列末位插零后的长度，L与采样长度N相等且远小于接收序列的长度L_y，即：N＝L<<L_y。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤3的具体过程为：

步骤3-1：对经过低通滤波以及下采样后的信号r(m),1≤m≤L_r从m＝1起始位置开始，每次依次取出长度为L的信号

其中1≤m_s≤L_r；

步骤3-2：分别将步骤3-1中取出的信号以及本地生成的时域主同步序列都同时分为M段，且满足1≤M＜N以及每段序列长度L_M＝N/M为正整数，将分段后对应位置的序列进行相关运算，具体表示为：

其中，C_i(m),i＝0,1,2为相关值结果，(·)^*表示求取共轭值，|x|²为求x的能量，L_M为每段序列的长度；

步骤3-3：求取步骤3-2中得到的C_i(m),i＝0,1,2的前L₁个均值，其中L≤L₁≤L_r，得到均值P_i，其中i＝0,1,2，具体表示为：

步骤3-4：根据公式(2)和公式(3)，利用滑动得到的相关值与均值，得到相关值能量比的集合X_i(m)为：

步骤3-5：根据协议标准，相邻两个主同步序列PSS之间的间隔为确定的7个符号，假设单个符号的长度为L_sym，利用步骤3-1～步骤3-4，对相距Δ_k＝k·7L_sym,k＝1,...,K的K个主同步序列同时检测，并将检测得到的相关值进行求均值，则联合分段相关后的结果为：

其中，K为联合检测的个数；X_i,n(m)表示为小区组内ID为i的第k个分段相关检测所得的相关能量之比，其中i＝0,1,2；k＝1,...,K；

为联合分段检测得到的相关能量之比集合。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4的具体过程为：

步骤4-1：对三组(i＝0,1,2)联合分段检测的结果

求取最大值可以得到：

其中，P_max为求取的峰值，

为初始同步中小区组内ID标识，m_loca为初始同步位置，

为使得x最大的m、i值，以及x的最大值P_max；

步骤4-2：若峰值P_max大于等于设定的门限值，则表示此时已检测出主同步序列的初始同步位置，此时的序列位置m为同步点，记为m_loca，峰值对应的初始同步中小区组内ID标识为i，记为

并执行步骤5；否则，未检测出初始同步位置和小区组内ID标识，再次执行步骤3，直至峰值P_max大于等于设定的门限值。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤5的具体过程为：

步骤5-1：将接收的信号与本地同步序列的共轭相乘可得：

其中，(·)^*表示求取共轭值，

表示小区组内标识，

为第k个主同步序列检测点得到的共轭乘积结果；

步骤5-2：将

分两段，求得后半段的序列的共轭和前半段的序列相乘之和，并求角度值，可以得到联合频偏估计结果为：

其中，ε为频偏估计结果，arg{x}为求得x的相角，(·)^*表示求取共轭值，N为序列分段前的总长度。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤6的具体过程为：

通过接收信号乘以相应的相位旋转因子

的方式来消除频偏的影响，其结果表示为：

其中，r(m)为低通滤波以及下采样后的信号，

为频偏纠正后的初始同步信号。

本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)本发明申请通过采用联合分段检测方法，同时对多个检测点进行同步检测，可以使地面终端设备在低信噪比下进行正常小区捕获，提高小区搜索中主同步信号的正确捕获概率，从而解决现有低轨卫星移动通信系统低信噪比环境下小区主同步序列难以捕获的问题。

(2)本发明申请使用联合频偏估计，能够提高频偏估计的结果的准确性，使得纠正后的初始同步信号能够进行后续的信号处理，从而解决现有低轨卫星移动通信系统中存在较大频偏难估计、估计精度较低的问题。

(3)本发明使用多个主同步序列同时检测，能够提高地面终端的检测效率，从而解决现有低轨卫星移动通信系统中存在主同步序列检测效果低的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的联合分段相关检测框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例所示的一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，包括以下步骤：

步骤1：利用地面终端设备接收来自低轨卫星发射的信号，并对接收到的信号进行低通滤波以及下采样；

步骤2：根据三组小区组内ID号，生成地面终端设备的主同步序列的时域信号；

步骤3：将步骤1低通滤波以及下采样得到的信号，与步骤2得到的时域信号进行联合分段的滑动相关检测，检测得到相关峰值、主同步位置以及小区组内ID号；

步骤4：求取步骤3中得到的联合分段的滑动相关检测结果的峰值，进行峰值判别并对小区

以及初始同步位置进行确定，若相关峰值大于或等于门限值，则此时的检测点位置和小区组内ID为小区搜索的主同步位置和ID号，否则继续进行联合分段滑动检测和门限判别，直至峰值大于等于所设置的门限值；

步骤5：根据步骤4得到的小区组内ID号和初始同步位置，进行联合频偏估计；

步骤6：利用频偏估计得到的结果进行频偏纠正。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，给出一种较为具体的实现方法，具体如下：

步骤1：利用地面终端设备接收来自低轨卫星发射的信号，并对接收到的信号进行低通滤波以及下采样，得到信号r(m),1≤m≤L_r，其中L_r为接收到的序列总长度；

步骤2：生成地面终端设备的主同步序列的时域信号，由于本地PSS序列为频域信号，因此，先对本地产生长度为127的频域PSS序列末位插零后，得到长度为128的符号p_i(m)，其中i＝0,1,2表示小区组内三种ID标识，即为

再将p_i(m)经过N点的IFFT变换得到时域信号，变换后得到三组时域主同步序列表示为：

其中，S_PSS,i(m)，i＝0,1,2，为本地生成的三组时域PSS信号，L为PSS序列末位插零后的长度，L与采样长度N相等且远小于接收序列的长度L_y，即：N＝L<<L_y。

步骤3：将步骤1低通滤波以及下采样得到的信号，与步骤2得到的时域信号进行联合分段的滑动相关检测，如图2所示，具体的联合分段滑动相关检测过程如下：对经过低通滤波以及下采样后的信号r(m),1≤m≤L_r从m＝1起始位置开始，每次依次取出长度为L的信号

其中1≤m_s≤L_r；

步骤3-2：将步骤3-1中取出的信号以及本地生成的时域主同步序列分别分为M段，且满足1≤M＜N以及每段序列长度L_M＝N/M为正整数，将分段后对应位置的序列进行相关运算，具体表示为：

其中，C_i(m),i＝0,1,2为相关值结果，(·)^*表示求取共轭值，|x|²为求x的能量，L_M为每段序列的长度；

步骤3-3：求取步骤3-2中得到的C_i(m),i＝0,1,2的前L₁个均值，其中L≤L₁≤L_r，得到均值P_i，其中i＝0,1,2，具体表示为：

步骤3-4：根据公式(2)和公式(3)，利用滑动得到的相关值与均值，得到相关值能量比的集合X_i(m)为：

步骤3-5：根据协议标准，相邻两个主同步序列PSS之间的间隔为确定的7个符号，假设单个符号的长度为L_sym，利用步骤3-1～步骤3-4，对相距Δ_k＝k·7L_sym,k＝1,...,K的K个主同步序列同时检测，并将检测得到的相关值进行求均值，则联合分段相关后的结果为：

其中，K为联合检测的个数；X_i,n(m)表示为小区组内ID为i的第k个分段相关检测所得的相关能量之比，其中i＝0,1,2；k＝1,...,K；

为联合分段检测得到的相关能量之比集合。

图2所示的联合分段相关检测主要包括以下3部分：

1、将K个检测点的长度为L的本地信号与经过低通滤波与下采样后长度为L的信号分成M段，且满足1≤M＜N以及每段序列长度L_M＝N/M为正整数；

2、将K个检测点的分段后的本地信号与经过低通滤波与下采样后的信号的对应段数进行相关计算，如第一段与第一段进行相关计算、第M段与第M段相关计算，最后将M个分段相关计算后的结果求和；

3、对K个检测点的相关计算求均值。

步骤4：求取步骤3中得到的联合分段的滑动相关检测结果的峰值，进行峰值判别并对小区

以及初始同步位置进行确定，具体为：

步骤4-1：对三组(i＝0,1,2)联合分段检测的结果

求取最大值可以得到：

其中，P_max为求取的峰值，

为初始同步中小区组内ID标识，m_loca为初始同步位置，

为使得x最大的m、i值，以及x的最大值P_max；

步骤4-2：若峰值P_max大于或等于设定的门限值，则表示此时已检测出主同步序列的初始同步位置，此时的序列位置m为同步点，记为m_loca，峰值对应的初始同步中小区组内ID标识为i，记为

并执行步骤5；否则，未检测出初始同步位置和小区组内ID标识，再次执行步骤3，直至峰值P_max大于或等于设定的门限值。

步骤5：根据步骤4得到的小区组内ID号和初始同步位置，进行联合频偏估计；根据得到的初始同步位置m_loca以及小区标识

可以提取得到经过低通滤波以及下采样后的K个主同步信号

其中，k为第k检测得到的主同步序列，取值为k＝1,2,...,K，对应的初始同步位置为m_loca+Δ_k；可以确定地面终端识别到的小区组内标识为

的本地主同步信号序列

具体联合频偏估计实现过程如下：

步骤5-1：将接收的信号与本地同步序列的共轭相乘可得：

其中，(·)^*表示求取共轭值，

表示小区组内标识，

为第k个主同步序列检测点得到的共轭乘积结果；

步骤5-2：将

分两段，求得后半段的序列的共轭和前半段的序列相乘之和，并求角度值，可以得到联合频偏估计结果为：

其中，ε为频偏估计结果，arg{x}为求得x的相角，(·)^*表示求取共轭值，N为序列分段前的总长度。

步骤6：利用频偏估计得到的结果进行频偏纠正，具体过程为：

通过接收信号乘以相应的相位旋转因子

的方式来消除频偏的影响，其结果表示为：

其中，r(m)为低通滤波以及下采样后的信号，

为频偏纠正后的初始同步信号。

本发明通过采用上述方法，主要能够解决以下三个问题：

1、本发明申请通过采用联合分段检测方法，同时对多个检测点进行同步检测，可以使地面终端设备在低信噪比下进行正常小区捕获，提高小区搜索中主同步信号的正确捕获概率，从而解决现有低轨卫星移动通信系统低信噪比环境下小区主同步序列难以捕获的问题。

2、本发明申请使用联合频偏估计，能够提高频偏估计的结果的准确性，使得纠正后的初始同步信号能够进行后续的信号处理，从而解决现有低轨卫星移动通信系统中存在较大频偏难估计、估计精度较低的问题。

3、本发明使用多个主同步序列同时检测，能够提高地面终端的检测效率，从而解决现有低轨卫星移动通信系统中存在主同步序列检测效果低的问题。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用地面终端设备接收来自低轨卫星发射的信号，并对接收到的信号进行低通滤波以及下采样；

步骤2：生成地面终端设备的主同步序列的时域信号；

步骤3：将步骤1低通滤波以及下采样得到的信号，与步骤2得到的时域信号进行联合分段的滑动相关检测；

步骤4：求取步骤3中得到的联合分段的滑动相关检测结果的峰值，进行峰值判别并对小区

以及初始同步位置进行确定；

步骤5：根据步骤4得到的小区组内ID号和初始同步位置，进行联合频偏估计；

步骤6：利用频偏估计得到的结果进行频偏纠正；

所述步骤1中，对接收到的信号进行低通滤波以及下采样得到的信号为r(m),1≤m≤L_r，其中L_r为接收到的序列总长度；

所述步骤2的具体过程为：

步骤2-1：对本地产生长度为127的频域PSS序列末位插零后，得到长度为128的符号p_i(m)，其中i＝0,1,2表示小区组内三种ID标识，即为

步骤2-2：将p_i(m)经过N点的IFFT变换得到时域信号，变换后得到三组时域主同步序列表示为：

其中，S_PSS,i(m)，i＝0,1,2，为本地生成的三组时域PSS信号，L为PSS序列末位插零后的长度，L与采样长度N相等且远小于接收序列的长度L_y，即：N＝L<<L_y。

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：

步骤3-1：对经过低通滤波以及下采样后的信号r(m),1≤m≤L_r从m＝1起始位置开始，每次依次取出长度为L的信号

其中1≤m_s≤L_r；

步骤3-2：分别将步骤3-1中取出的信号以及本地生成的时域主同步序列都同时分为M段，且满足1≤M＜N以及每段序列长度L_M＝N/M为正整数，将分段后对应位置的序列进行相关运算，具体表示为：

其中，C_i(m),i＝0,1,2为相关值结果，(·)^*表示求取共轭值，|x|²为求x的能量，L_M为每段序列的长度；

步骤3-3：求取步骤3-2中得到的C_i(m),i＝0,1,2的前L₁个均值，其中L≤L₁≤L_r，得到均值P_i，其中i＝0,1,2，具体表示为：

步骤3-4：根据公式(2)和公式(3)，利用滑动得到的相关值与均值，得到相关值能量比的集合X_i(m)为：

步骤3-5：根据协议标准，相邻两个主同步序列PSS之间的间隔为确定的7个符号，假设单个符号的长度为L_sym，利用步骤3-1～步骤3-4，对相距Δ_k＝k·7L_sym,k＝1,...,K的K个主同步序列同时检测，并将检测得到的相关值进行求均值，则联合分段相关后的结果为：

其中，K为联合检测的个数；X_i,n(m)表示为小区组内ID为i的第k个分段相关检测所得的相关能量之比，其中i＝0,1,2；k＝1,...,K；

为联合分段检测得到的相关能量之比集合。

3.根据权利要求2所述的一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：

步骤4-1：对三组(i＝0,1,2)联合分段检测的结果

求取最大值可以得到：

其中，P_max为求取的峰值，

为初始同步中小区组内ID标识，m_loca为初始同步位置，

为使得x最大的m、i值，以及x的最大值P_max；

步骤4-2：若峰值P_max大于等于设定的门限值，则表示此时已检测出主同步序列的初始同步位置，此时的序列位置m为同步点，记为m_loca，峰值对应的初始同步中小区组内ID标识为i，记为

并执行步骤5；否则，未检测出初始同步位置和小区组内ID标识，再次执行步骤3，直至峰值P_max大于等于设定的门限值。

4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：

步骤5-1：将接收的信号与本地同步序列的共轭相乘可得：

其中，(·)^*表示求取共轭值，

表示小区组内标识，

为第k个主同步序列检测点得到的共轭乘积结果；

步骤5-2：将

分两段，求得后半段的序列的共轭和前半段的序列相乘之和，并求角度值，可以得到联合频偏估计结果为：

其中，ε为频偏估计结果，arg{x}为求得x的相角，(·)^*表示求取共轭值，N为序列分段前的总长度。

5.根据权利要求4所述的一种低轨卫星移动通信系统初始同步方法，其特征在于，所述步骤6的具体过程为：

通过接收信号乘以相应的相位旋转因子

的方式来消除频偏的影响，其结果表示为：

其中，r(m)为低通滤波以及下采样后的信号，

为频偏纠正后的初始同步信号。

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