CN114285713A - 一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统。包括S1：获取时域信号；S2：将所述时域信号经粗频偏估计后变换为频域信号；S3：对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号；S4：获取本地导频，将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；S5：对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。本发明能够提高频偏估计的精度，从而提高整个信道的抗频偏性能和捕获概率；也能够降低频偏估计方法的计算复杂度。

Description

一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体而言，涉及一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统。

背景技术

卫星移动通信系统具有覆盖面积广、部署灵活和不受自然灾害影响等特点，已成为未来全球化通信网络的重要组成部分。并且5G NR中也定义了面向卫星移动通信系统的非地面网接入技术，利用地面5G移动通信系统关键技术。因此，构建适应卫星通信场景的宽带卫星移动通信系统，具有十分重要的意义。此外，卫星移动通信系统可以完成地面移动通信系统无法实现的覆盖区域，如偏远地区和出于经济成本考虑无法实现信号覆盖的区域。宽带卫星网络时我国信息基础设施的重要组成部分，因此建设低轨宽带卫星通信网络将极大提升我国广大偏远地区的通信能力。

但是，卫星同通信由于卫星快速移动或终端本身的系统将会造成通信系统的大频偏值；并且由于低轨卫星通信距离相对于地面通信距离更远，因此会产生较大通信时延。由于OFDM系统要求子载波间具有严格的正交性，如果OFDM系统中子载波间的正交性不能得到保证，则子信道间会产生信道干扰。另外，在实际通信过程中，终端首先需要通过星历信息及小区搜索过程，对终端与基站的大频偏和大延时进行初步补偿。但是，终端初步补偿后的频偏仍然较大，导致卫星基站无法正常接收上行信号。因此需要卫星基站进行精确的时频偏测量及补偿。

现有的卫星系统载荷频偏估计方式包括：在终端补偿完频偏后，直接采用FFT变换域方式将接收到的信号变换到频域，直接通过峰值查找到频偏值。该方式通常会因FFT变换运算量较大，并且估计得到的频偏估计值误差较大，而需要附带载波同步方式，即采用锁相环进行频率跟踪。但是由于粗频偏估计误差较大，将导致同步跟踪耗费时间较长。也有采用多个数字通道对接收的信号进行多梯度的频偏预校正，首先需要对多路通道分别预设频偏校准值，接收数据同时进入各个预设通道进行频偏校正，选取峰值最大的通道，这样可以提高整个信道的抗频偏性能和捕获概率。但是该方法由于存在频偏预设值，因此当系统不明确频偏范围或预设通道数不够时，测量精度也不够高，若增加预设通道，则会增加复杂度。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的卫星系统载荷频偏估计方法运算量大，且获得的估计值精度不高。目的在于提供一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统，针对终端补偿之后存在的残余时频偏进行时偏估计和精频偏估计，较现有的频偏估计方法而言，能够提高频偏估计的精度，降低运算量，同时保证宽带OFDM通信的高可靠性。

本发明通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，包括以下步骤：

S1：获取时域信号；

S2：将所述时域信号经粗频偏估计后变换为频域信号；

S3：对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号；

S4：获取本地导频，将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；

S5：对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。

与现有技术相比，本发明在粗频偏估计之后继续进行了时偏估计和频偏精估计，以此提高频偏估计的精度。对于频偏估计，本发明考虑估计信号的频偏范围在精估计范围内和超出精估计范围两种情况。针对频偏范围在精估计范围内的情况，直接采用频偏精估计，即在频域上将相邻导频对应子载波共轭相乘，得到精频偏估计值；针对频偏范围超出精估计范围的情况，采用先粗估计后精估计的方式。精估计中，通过时偏估计来提高时偏估计精度，通过精频偏估计获得精频偏估计值，从而有效提高整个信道的抗频偏性能和捕获概率。另外，本发明通过OFDM调制将时域信号变换到频域，相较于直接采用FFT变换域方法而言，计算量大幅降低。

作为对本发明的进一步描述，所述S2包括：

S21：对所述时域信号进行粗频偏估计，得到频偏值；

S22：设置频率门限；若所述频偏值大于所述频率门限，则首先对所述频偏值进行频偏补偿，然后对频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号；若所述频偏值小于所述门限值，则直接对所述时域信号进行OFDM调制，得到频域信号。

作为对本发明的进一步描述，所述OFDM调制的方法为：对时域信号进行去CP和FFT变换。

作为对本发明的进一步描述，所述时偏估计的方法为：采用导频符号前后子载波共轭相乘的方法对所述信道估计值进行时偏估计，并采用增加导频个数的方法提高时偏估计值精度。

作为对本发明的进一步描述，所述频偏精估计的方法为：计算两个DMRS符号之间的相位差；根据所述相位差对所述信道估计值进行频偏估计。

另一方面，本发明提供一种低轨宽带卫星时频偏估计系统，包括：

时域信号获取模块，与模拟数字转换器连接，用于接收所述模拟数字转换器输出的时域信号；

粗频偏估计模块，用于对所述时域信号进行粗频偏估计，得到频偏值；

时域信号变换模块，用于将经粗频偏估计后的时域信号变换为频域信号；

解资源映射模块，用于对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号；

本地导频获取模块，用于获取本地导频；

信道估计模块，用于将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；

时偏估计模块，用于对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；

频偏精估计模块，用于对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。

作为对本发明的进一步描述，低轨宽带卫星时频偏估计系统还包括：

频率门限设置模块，用于设置频率门限；

判断模块，用于判断所述频偏值与所述频率门限之间的大小；若所述频偏值大于所述频率门限，则首先控制频偏补偿模块对所述频偏值进行频偏补偿，然后控制OFDM模块对频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号；若所述频偏值小于所述门限值，则直接控制OFDM模块对所述时域信号进行OFDM调制，得到频域信号；

频偏补偿模块，用于对所述频偏值进行频偏补偿；

OFDM调制模块，用于频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号。

作为对本发明的进一步描述，所述OFDM调制模块包括：去CP处理单元和FFT变换单元。

作为对本发明的进一步描述，所述时偏估计模块包括：

共轭乘法计算单元，用于采用导频符号前后子载波共轭相乘的方法对所述信道估计值进行时偏估计；

导频添加单元，用于增加导频个数，提高时偏估计值精度。

作为对本发明的进一步描述，所述频偏精估计模块包括：

DMRS符号相位差计算单元，用于计算两个DMRS符号之间的相位差；

频偏估计单元，用于根据所述相位差对所述信道估计值进行频偏估计。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实施例提供的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统，能够提高频偏估计的精度，从而提高整个信道的抗频偏性能和捕获概率；

2、本发明实施例提供的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法及系统，降低频偏估计方法的计算复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的低轨宽带卫星时频偏估计方法流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的基于CP的值粗频估计符号原理图；

图3为本发明实施例1提供的4个DMRS资源映射示意图；

图4为本发明实施例2提供的添加时偏到100时频偏估计值的误差仿真结果示意图；

图5为本发明实施例2提供的频偏为10KHz时的时偏估计值误差仿真结果示意图；

图6为本发明实施例2提供的固定时偏为40个采样点时，频偏为1KHz的频偏估计结果和频偏为4KHz的频偏估计结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

为提高频偏估计的精度，降低运算量，同时保证宽带OFDM通信的高可靠性，本实施例提供了一种方法流程如图1所示的低轨宽带卫星时频偏估计方法，包括以下步骤：

S1：接收模拟数字转换器输出的时域信号。

S2：对所述时域信号进行粗频偏估计，得到频偏值。该步骤运用到的数学模型如下：

Δf＝εΔf_c (4)。

式(1)至(4)中，x₁(n)为用于频偏估计的第一个时域数据的CP，

为经过信道后带有频偏的第一个时域数据的CP，δ为频偏值，n为当前采样点位置，N为用于频偏估计的前后两个符号CP之间的间隔采样点值，若选取相邻符号，则N值等于NFFT。x₂(n)为用于频偏估计的第二个时域数据的CP，

为经过信道后带有频偏的第二个时域数据的CP，ε为估计得到的单位频偏值，Δf_c为采样频率，Δf为频偏估计值。Cp_len为CP长度。

S3：针对不同的导频信号模式，设置不同的频率门限；若所述频偏值大于所述频率门限，则首先对所述频偏值进行频偏补偿，然后对频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，即对时域信号进行去CP和FFT变换；基于CP的值粗频估计符号原理如图2所示，得到时域信号；若所述频偏值小于所述门限值，则直接对所述时域信号进行OFDM调制，得到频域信号。S3：对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号。此步骤运用到的数学模型为：

式中，H_dmrs(k,l)为带有频偏的信道估计值，H_fo_comp(k,l)为补偿后的频偏估计值，k为DMRS子载波位置,l为DMRS符号编号。FO为频偏估计值，fs为采样率。

S4：获取本地导频，将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；

S5：对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。

其中，

时偏估计的方法为：采用导频符号前后子载波共轭相乘的方法对所述信道估计值进行时偏估计，并采用增加导频个数的方法提高时偏估计值精度，所运用到的数学模型为：

式中，K为DMRS子载波数目,l为DMRS符号个数ldmrs。

估计出前后DMRS RE数据的相位差，需要将对应相位转化为时偏值：

式中，NFFT为FFT大小，L为前后相关运算的导频子载波间隔个数。

频偏精估计的方法为：

首先，根据式

计算出两个DMRS符号之间的相位差。然后，根据所述相位差对所述信道估计值进行频偏估计，频偏估计值由式

计算得出，式中，f_s为采样率，对于不同DMRS符号个数，L₀取值也不同，因此不同情况下的频偏估计范围也不一样，具体如下表1所示：

NDMRS	L0(*(4096+288))	频偏估计范围(KHz)
			2	9	6.2
3	5，4	11.2
			4	3	18.7

表1 不同情况下的频偏估计范围

图3为4个DMRS资源映射示意图。

因此对于频偏估计，如果估计信号频偏范围在精估计范围内的，则直接采用频偏精估计。即在频域上将相邻导频对应子载波共轭相乘，得到精频偏估计值。如果频偏超出精估计范围，则需要先采用粗估计再采用精估计，粗估计是在时域上利用CP与数据尾部信号的重复特性进行估计，该方法估计范围较大，但是估计精度较低，因此当精估计能够满足频偏估计范围时，则直接采用精估计。

实施例2

本实施例为运用如实施例1所述的低轨宽带卫星时频偏估计方法的仿真。

添加时偏到100时频偏估计值的误差仿真结果如图4所示。从图中可以看出，当添加时偏TO＝100时，频偏估计值的误差随着频偏值的增大而增大。当SNR＝-10dB时，频偏FO＝10KHz时，均方根误差值小于350Hz(误差小于3.5％)，在误差可接受范围内。

频偏为10KHz时的时偏估计值误差仿真结果如图5所示。从图中可以看出，当频偏FO＝10KHz时，时偏估计值的误差随着时偏值的增大有小范围变化，波栋范围不超过0.2sample。因此认为在有频偏存在场景下，时偏小于1/2CP长度时，不同时偏下的时偏估计误差基本一致，并且误差在可接受范围内。

当固定时偏为40个采样点时，频偏为1KHz的频偏估计结果和频偏为4KHz的频偏估计结果如图6所示。从图中可以看出，当固定时偏为40个采样点时，频偏设置别为1KHz和4KHz，在卫星自定义信道中，两种频偏估计得到的均方误差基本一致。并且在SNR＝-10dB时，均方误差最大为3Hz。

通过仿真分析可得出：一种低轨宽带卫星时频偏估计方法针对频偏范围小于1/2CP的场景，可以有效提高整个信道的抗频偏性能和捕获概率，对系统依赖度低，计算量较小，可以降低系统硬件成本和集成难度。

实施例3

本实施例提供一种低轨宽带卫星时频偏估计系统，包括：

时域信号获取模块，与模拟数字转换器连接，用于接收所述模拟数字转换器输出的时域信号；

粗频偏估计模块，用于对所述时域信号进行粗频偏估计，得到频偏值；

时域信号变换模块，用于将经粗频偏估计后的时域信号变换为频域信号；

解资源映射模块，用于对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号；

本地导频获取模块，用于获取本地导频；

信道估计模块，用于将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；

时偏估计模块，用于对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；

频偏精估计模块，用于对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。

其中，

所述OFDM调制模块包括：去CP处理单元和FFT变换单元。

所述时偏估计模块包括：

共轭乘法计算单元，用于采用导频符号前后子载波共轭相乘的方法对所述信道估计值进行时偏估计；

导频添加单元，用于增加导频个数，提高时偏估计值精度。

频偏精估计模块包括：

DMRS符号相位差计算单元，用于计算两个DMRS符号之间的相位差；

频偏估计单元，用于根据所述相位差对所述信道估计值进行频偏估计。

另外，低轨宽带卫星时频偏估计系统还包括：

频率门限设置模块，用于设置频率门限；

判断模块，用于判断所述频偏值与所述频率门限之间的大小；若所述频偏值大于所述频率门限，则首先控制频偏补偿模块对所述频偏值进行频偏补偿，然后控制OFDM模块对频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号；若所述频偏值小于所述门限值，则直接控制OFDM模块对所述时域信号进行OFDM调制，得到频域信号；

频偏补偿模块，用于对所述频偏值进行频偏补偿；

OFDM调制模块，用于频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取时域信号；

S2：将所述时域信号经粗频偏估计后变换为频域信号；

S3：对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号；

S4：获取本地导频，将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；

S5：对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。

2.根据权利要求1所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述S2包括：

S21：对所述时域信号进行粗频偏估计，得到频偏值；

S22：设置频率门限；若所述频偏值大于所述频率门限，则首先对所述频偏值进行频偏补偿，然后对频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号；若所述频偏值小于所述门限值，则直接对所述时域信号进行OFDM调制，得到频域信号。

3.根据权利要求2所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述OFDM调制的方法为：对时域信号进行去CP和FFT变换。

4.根据权利要求1所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述时偏估计的方法为：采用导频符号前后子载波共轭相乘的方法对所述信道估计值进行时偏估计，并采用增加导频个数的方法提高时偏估计值精度。

5.根据权利要求1所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述频偏精估计的方法为：计算两个DMRS符号之间的相位差；根据所述相位差对所述信道估计值进行频偏估计。

6.一种低轨宽带卫星时频偏估计系统，其特征在于，包括：

时域信号获取模块，与模拟数字转换器连接，用于接收所述模拟数字转换器输出的时域信号；

粗频偏估计模块，用于对所述时域信号进行粗频偏估计，得到频偏值；

时域信号变换模块，用于将经粗频偏估计后的时域信号变换为频域信号；

解资源映射模块，用于对所述频域信号进行解资源映射，提取出导频信号；

本地导频获取模块，用于获取本地导频；

信道估计模块，用于将所述导频信号与本地导频共轭相乘，得到所述导频信号位置的信道估计值；

时偏估计模块，用于对所述信道估计值进行时偏估计，得到时偏精估计值；

频偏精估计模块，用于对所述信道估计值进行频偏精估计，得到频偏精估计值。

7.根据权利要求6所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计系统，其特征在于，包括：

频率门限设置模块，用于设置频率门限；

判断模块，用于判断所述频偏值与所述频率门限之间的大小；若所述频偏值大于所述频率门限，则首先控制频偏补偿模块对所述频偏值进行频偏补偿，然后控制OFDM模块对频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号；若所述频偏值小于所述门限值，则直接控制OFDM模块对所述时域信号进行OFDM调制，得到频域信号；

频偏补偿模块，用于对所述频偏值进行频偏补偿；

OFDM调制模块，用于频偏补偿后的时域信号进行OFDM调制，得到时域信号。

8.根据权利要求7所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述OFDM调制模块包括：去CP处理单元和FFT变换单元。

9.根据权利要求6所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述时偏估计模块包括：

共轭乘法计算单元，用于采用导频符号前后子载波共轭相乘的方法对所述信道估计值进行时偏估计；

导频添加单元，用于增加导频个数，提高时偏估计值精度。

10.根据权利要求6所述的一种低轨宽带卫星时频偏估计方法，其特征在于，所述频偏精估计模块包括：

DMRS符号相位差计算单元，用于计算两个DMRS符号之间的相位差；

频偏估计单元，用于根据所述相位差对所述信道估计值进行频偏估计。

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