CN114189419B - 一种低轨卫星ofdm体制下行同步方法及系统 - Google Patents

一种低轨卫星ofdm体制下行同步方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法及系统，所述方法包括如下步骤：以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号可抗低信噪比的能力大小和单载波信标信号的功率；根据单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值。本发明提高了OFDM体制下终端与卫星进行下行频率同步的速度，且不依赖于其他系统，提升了低轨卫星星座系统的接入效率。

Description

一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法及系统
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法及系统。
背景技术
由于LEO卫星的高动态特性，因此地面终端通过下行信道发现并同步卫星信号是星地通信建立的首要条件，是地面终端开机时首先要完成的任务。同样还是由于LEO卫星的高动态特性，用户链路下行信道的信号到达地面终端时，会产生较大的多普勒频移，使得地面终端首次同步卫星信号的过程变得漫长且复杂，极大的影响了用户体验。
文献一：Miaona Huang,et al,Synchronization for OFDM-Based SatelliteCommunication System,IEEE TRANSAC TIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY,2021.该文献使用了PSS和SSS完成下行同步，可适应的信噪比在-6dB，但其多普勒预置值仅为80kHz，采用的频率较低。因此不适用于Ka频段的高多普勒环境。
文献二：Shuo Ma,Synchronization of High Speed OFDM links usingVariations of Schmidl Cox for SNR Improvement,International Conference onWireless Communications,Signal Processing and Networking(WiSPNET),2016.该文献利用Schmidl Cox相关算法，主要利用CP进行多普勒求解和计算，其虽然可以适应达到0.9Fs的多普勒频偏，但信噪比仅能适应0dB。
文献三：王晗，低轨卫星通信中的LTE下行同步FPGA设计，西安电子科技大学，2019。该文献利用4G中PSS和SSS进行多普勒同步，适应频偏仅31kHz，不足以应用于Ka频段。
文献四：刘剑锋等，卫星移动通信多普勒频移补偿研究，重庆邮电大学学报(自然科学版)，2014。该文献用最大似然估计法对用户链路上的收发信号进行多普勒频移估计，但需要多次往返交互才能完成多普勒补偿，不是一种脱离地面终端的盲补偿。
文献五：林墨耘等，OFDM同步算法研究及实现，信息安全与通信保密，2014。该文献在OFDM中增加了特殊的训练序列，而不是单载波信号，且采用Schmidl Cox相关算法进行频偏估计，其频偏适应范围较大但信噪比适应能力较弱。
文献六：任光亮等，一种高动态环境下的OFDM同步方法，2017。该专利设计了基于ZC序列的多普勒同步方法，并采用迭代法进行频偏估计，降低了实现复杂度，但对低信噪比的适应性没有提及，也没有涉及信标信号的设计。
文献七：朱立东等，基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，2017。该专利设计了一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，适用于卫星大频偏和低信噪比环境，但未涉及与下行PSS和SSS信号的融合，会导致地面终端解调的复杂度提升。
从目前涉及OFDM下行同步的文献、系统中可以看出，目前下行同步算法均不能同时适应低信噪比和大多普勒频偏，或者依赖于其他系统(如GNSS系统)。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法及系统，利用OFDM子载波间隔信息，设计在插入CP后端插入频率、功率可调的单载波信标信号，利用地面终端同步检测模块实现快速的下行频率补偿，且补偿精度适于后续的其他同步过程，提高了OFDM体制下终端与卫星进行下行频率同步的速度，且不依赖于其他系统，提升了低轨卫星星座系统的接入效率。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：根据OFDM的子载波间隔大小，以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号可抗低信噪比的能力大小和单载波信标信号的功率；步骤二：根据步骤一中的单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；步骤三：对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与步骤一中确定的单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值，最后在接收端进行多普勒补偿。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步方法中，OFDM的子载波间隔Δf为120kHz。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步方法中，OFDM的子载波数M为1500。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步方法中，单载波信标信号的频率真实值为：
fdds＝nΔf；
其中，fdds为单载波信标信号的频率真实值，Δf为OFDM的子载波间隔。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步方法中，单载波信标信号的功率为：
Wdds＝10log10Δf；
其中，Wdds为单载波信标信号的功率，Δf为OFDM的子载波间隔。
一种低轨卫星OFDM体制下行同步系统，包括：第一模块，用于根据OFDM的子载波间隔大小，以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号可抗低信噪比的能力大小和单载波信标信号的功率；第二模块，用于根据第一模块的单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；第三模块，用于对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与第一模块中确定的单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值，最后在接收端进行多普勒补偿。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步系统中，OFDM的子载波间隔Δf为120kHz。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步系统中，OFDM的子载波数M为1500。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步系统中，单载波信标信号的频率真实值为：
fdds＝nΔf；
其中，fdds为单载波信标信号的频率真实值，Δf为OFDM的子载波间隔。
上述低轨卫星OFDM体制下行同步系统中，单载波信标信号的功率为：
Wdds＝10log10Δf；
其中，Wdds为单载波信标信号的功率，Δf为OFDM的子载波间隔。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明基于OFDM子载波间隔信息，设计在插入CP后端插入频率、功率可调的单载波信标信号，利用地面终端同步检测模块实现快速的下行频率补偿，且补偿精度适于后续的其他同步过程。该方法提高了OFDM体制下终端与卫星进行下行频率同步的速度，且不依赖于其他系统，提升了低轨卫星星座系统的接入效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例相控阵跳波束低轨卫星通信系统的示意图；
图2为本发明实施例星地多普勒频移大小与通信仰角关系的曲线图；
图3为本发明实施例基于OFDM的单载波信标插入流程图；
图4为本发明实施例单载波信标频率泄漏示意图；
图5为本发明实施例下行多普勒补偿示意图；
图6为本发明实施例单载波峰值检测的示意图；
图7为本发明实施例PSS和SSS检测成功概率的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提供了一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：根据OFDM的子载波间隔大小，以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；
根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号可抗低信噪比的能力大小和单载波信标信号的功率；
步骤二：根据步骤一中的单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；
步骤三：对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与步骤一中确定的单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值，最后在接收端进行多普勒补偿。
相控阵跳波束低轨卫星系统的示意如图1所示，该系统使用再生转发模式，其用户上行、下行链路均为相控阵跳波束体制，采用OFDM波形，其单星下的系统类似于星状网络。该系统的特点是采用可变周期的业务跳波束、固定周期的随遇跳波束，但不具有星下全覆盖的单波束信号，仅有波束内的5G物理信号或物理信道，因此简化了卫星星上的处理，但相应的增加了星地频率同步的难度，使地面终端变得复杂。而目前实现星地频率同步的方法为利用GNSS系统，载荷和终端均同步到GNSS系统上，然后终端利用星历信息，完成大多普勒的纠正。
这种方式极大的增加了系统的成本，且增加了对其他系统的完全依赖，可靠性急速降低。为了进一步提高地面终端与卫星进行频率同步的速度，同时消除整个系统对GNSS系统的依赖性，本专利报告给出了一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法，包括2个因素：
(1)基于OFDM子载波间隔和带宽，设计在插入CP后端插入频率、功率可调的单载波信标信号，其频率需满足OFDM子载波间隔限制，其功率需满足链路信噪比需求。
(2)终端根据OFDM的FFT处理后结果，寻找最大值并进行多普勒补偿。同时分析了补偿后的PSS、SSS同步能力。
以下内容中，各个参数都给出了具体数值作为示例。
(1)基于OFDM信道参数的信标信号设计
轨道高度h：以1175Km为例；
通信频段fc：以30GHz(Ka频段)为例；
OFDM子载波间隔Δf：以120kHz为例；
OFDM子载波数M：以1500个为例；
卫星的星地多普勒大小，可用万有引力定律及牛顿第二运动定律推导并计算出来，这里直接给出结果，如图2所示，最大多普勒频移fd＝613kHz。
给出基于OFDM的单载波信标插入流程，如图3所示。
为了保证插入的单载波信标不在接收端出现频率泄漏，其频率fdds应当满足如下关系：
fdds＝nΔf，n为整数 (1)
如果不满足n为整数，则会由于采样和FFT点数的关系出现如图4所示的频率泄漏。
为了满足低信噪比下的应用，该单载波信标的功率可根据需求进行调整，其调整量为：
Wdds＝10log10Δf (2)
这是由于该子载波的功率可以完全集中在单载波信标上，本例中约50.8dB。因此可提升原来抗低信噪比的指标为Wdds。
下面分析下插入单载波信标信号后的峰均比PAPR和总功率的变化情况，如表1所示：
表1单载波信标信号引入前后的对比
峰均比PAPR 总功率
引入前 8.86dB -42.02dB
引入后 9.04dB -40.11dB
从表1可以看出，插入单载波信号后，峰均比PAPR和总功率变化很小，这主要是由于OFDM系统已有子载波已经足够多，因此单载波信标信号影响极其有限。这就对系统不会造成额外的负担和影响。
(2)下行多普勒补偿方法
下面给出下行多普勒补偿方法，如图5所示。
该处理流程的优点在于，可以在频域完成多普勒补偿，同时完成PSS信号和SSS信号的检测和处理，分辨出波束ID和定时同步信息，供后续求解信号使用。
在信噪比SNR为-10dB情况下，依然可以清晰的解出单载波信标信号，如图6所示。
根据子载波间隔，则可以推导出该值所具有的多普勒误差正好等于子载波间隔，即120kHz：
Δferr＝Δf (3)
因此，后续进行的PSS和SSS检测，就需要能够适应该多普勒大小。以星网16次重复PSS、SSS为例，频偏设计120kHz，其检测概率如图7所示。
本实施例还提供了一种低轨卫星OFDM体制下行同步系统，包括：第一模块，用于根据OFDM的子载波间隔大小，以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号可抗低信噪比的能力大小和单载波信标信号的功率；第二模块，用于根据第一模块的单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；第三模块，用于对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与第一模块中确定的单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值，最后在接收端进行多普勒补偿。
本发明基于OFDM子载波间隔信息，设计在插入CP后端插入频率、功率可调的单载波信标信号，利用地面终端同步检测模块实现快速的下行频率补偿，且补偿精度适于后续的其他同步过程。该方法提高了OFDM体制下终端与卫星进行下行频率同步的速度，且不依赖于其他系统，提升了低轨卫星星座系统的接入效率。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种低轨卫星OFDM体制下行同步方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据OFDM的子载波间隔大小，以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；
根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号的功率；
步骤二：根据步骤一中的单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；
步骤三：对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与步骤一中确定的单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值，最后在接收端进行多普勒补偿。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星OFDM体制下行同步方法，其特征在于：OFDM的子载波间隔Δf为120kHz。
3.根据权利要求1所述的低轨卫星OFDM体制下行同步方法，其特征在于：OFDM的子载波数M为1500。
4.根据权利要求1所述的低轨卫星OFDM体制下行同步方法，其特征在于：单载波信标信号的频率真实值为：
fdds＝nΔf；
其中，fdds为单载波信标信号的频率真实值，Δf为OFDM的子载波间隔。
5.根据权利要求1所述的低轨卫星OFDM体制下行同步方法，其特征在于：单载波信标信号的功率为：
Wdds＝10log10Δf；
其中，Wdds为单载波信标信号的功率，Δf为OFDM的子载波间隔。
6.一种低轨卫星OFDM体制下行同步系统，其特征在于包括：
第一模块，用于根据OFDM的子载波间隔大小，以子载波间隔的整数倍，确定单载波信标信号的频率真实值；
根据子载波间隔大小，取对数后，确认该单载波信标信号的功率；
第二模块，用于根据第一模块的单载波信标信号的频率真实值和功率，将加入循环前缀的OFDM信号与单载波信标信号求和后得到新信号；
第三模块，用于对新信号进行FFT处理后得到功率谱，在功率谱中找到最大值，作为接收到的信标信号的频率实测值，并将该频率实测值与第一模块中确定的单载波信标信号的频率真实值进行做差处理后，得到多普勒测量值，最后在接收端进行多普勒补偿。
7.根据权利要求6所述的低轨卫星OFDM体制下行同步系统，其特征在于：OFDM的子载波间隔Δf为120kHz。
8.根据权利要求6所述的低轨卫星OFDM体制下行同步系统，其特征在于：OFDM的子载波数M为1500。
9.根据权利要求6所述的低轨卫星OFDM体制下行同步系统，其特征在于：单载波信标信号的频率真实值为：
fdds＝nΔf；
其中，fdds为单载波信标信号的频率真实值，Δf为OFDM的子载波间隔。
10.根据权利要求6所述的低轨卫星OFDM体制下行同步系统，其特征在于：单载波信标信号的功率为：
Wdds＝10log10Δf；
其中，Wdds为单载波信标信号的功率，Δf为OFDM的子载波间隔。
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