CN114785395B - 面向5g融合低轨卫星系统跳波束通信方法、系统及终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，公开了一种面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法、系统及终端，采用广域信令波束与业务跳波束相结合实现5G融合，业务跳波束采用5G‑NR提出的波形模式；其次，业务跳波束的调度周期按照整数个5G‑NR帧组成的超帧进行调度，调度的最小颗粒度为5G‑NR给出的时隙，具体长度为μ为5G‑NR波形定义的子载波参数；最后，为了降低低轨卫星多普勒频移以及星地频率源误差引起的频偏对5G‑NR波形带来的复杂度，给出通过广域信令波束辅助实现高动态条件下的5G波形快速载波同步的方法，提升了5G波形对低轨卫星的适应性，并简化了卫星处理设备实现的复杂度。

Description

面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法、系统及终端

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法、系统及终端。

背景技术

目前，卫星移动通信利用卫星中继实现陆地、空中和海上用户之间或者移动用户与固定用户之间通信，它是地面蜂窝移动通信的延伸和重要补充。相比地面移动通信网络，卫星通信利用高、中、低轨卫星可实现广域甚至全球覆盖，从而为全球用户提供无差别的通信服务。而低轨卫星相比其他轨道卫星可以大幅度降低往返传输延时，使卫星传输体验可以与地面光纤相媲美，也因此受到越来越多的重视。在低轨卫星通信不断发展的同时，地面5G通信技术也逐渐成熟，两者的相互融合可以有效地构成全球无缝覆盖和无缝切换的通信网络，从而满足未来通信无处不在的业务需求。根据3GPP的定义和规划，在5G融合卫星移动通信应用场景中，借助卫星的广域覆盖能力，可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区，或在海事通信、航空通信及铁路沿线通信等特殊通信场景中，提供5G商用服务从而实现5G业务的连续性。5G NR规定的子载波间隔从15kHz到480kHz，而具体通信系统的子载波间隔取决于多种因素，主要有载波频率、业务需求(时延、吞吐量和通信的可靠性)以及实施的复杂度等。对于宽带传输可选择较高的子载波间隔，但对于以物联网应用为代表的低速应用则选择较低的载波间隔去匹配传输能力及提升系统的频率利用率。

为了提高星地之间的传输速率，低轨卫星通信系统一般选择Ku和Ka频段作为用户通信频段，后续将向V频段发展演进。为了适应高频段的传输损耗，一般选择窄点波束实现通信能力的增强，但导致了覆盖范围的不足；为了平衡波束覆盖和传输增益的问题，低轨卫星通信系统一般选择相控阵天线实现灵活的覆盖问题，采用跳波束的方法实现分时的覆盖目的。跳波束卫星通信是一种有效提高卫星系统资源使用效率的通信技术，与传统的固定波束通信方式不同，跳波束通信以时分的形式，在卫星覆盖范围内按照业务需求高速动态的调整波束方向。跳波束可以根据卫星不同区域的不同业务需求量，合理分配波束资源，当某一区域业务量大时，可以分配多个时隙的波束资源，当业务量小时，可以相应减少该区域的波束时隙，由此来提高整个系统的资源使用效率。

为了实现地面5G与卫星通信融合，可以将5G NR定义的同步信号及帧结构应用到卫星移动通信系统中，而这种灵活的帧结构也有利于未来卫星移动通信系统支持更多的业务和更广泛的场景。但在存在大频偏的星地链路中，能否利用5G NR规定的同步序列实现准确的OFDM系统时频同步是一个关键问题，同时要具体考虑卫星资源的约束条件。另外如何将5G波形与低轨卫星的跳波束通信相结合也是低轨卫星与5G标准融合的关键。通过“低轨”、“跳波束”、“5G”、“beam hopping”、“beam hopping”、“LEO”、“TDMA”等关键字进行中文数据库、英文数据库以及专利库等检索，检索到的跳波束与5G相融合的资料相对较少，偏重与分析时延等对流程的影响以及多普勒大频偏引子的体制优化及频率检测方法等内容，几乎没有与跳波束相结合的研究内容。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：存在大频偏的星地链路中，能否利用5G NR规定的同步序列实现准确的OFDM系统时频同步是一个关键问题，同时要具体考虑卫星资源的约束条件。另外如何将5G波形与低轨卫星的跳波束通信相结合也是低轨卫星与5G标准融合的关键。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法、系统及终端。

本发明是这样实现的，一种面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法采用广域信令波束与业务跳波束相结合实现5G融合，其中广域信令波束采用低轨通信方式，业务跳波束采用5G-NR提出的波形模式；其次，业务跳波束的调度周期按照整数个5G-NR帧组成的超帧进行调度，调度的最小颗粒度为5G-NR给出的时隙，具体长度为μ为5G-NR波形定义的子载波参数；最后，给出通过广域信令波束辅助实现高动态条件下的5G波形快速载波同步的方法。

进一步，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的广域信令波束的作用包括用于用户终端窄波束实现对卫星的捕获及实时跟踪，用于跳波束同步、用户接入等广播信号的播发等功能，广域信令波束采用传统通信体制，通过FDD实现收发双工，下行链路采用DS-TDM方式实现多用户复用，上行采用DS-MF-TDMA多址方式支持多用户接入；

相控阵业务跳波束用于实时业务的传输，在波形使用、帧计划排布上按照5G-NR波形设计，双工方式上配置为TDD双工模式或FDD双工模式，多址方式为OFDMA。

进一步，具体跳波束资源配置使用颗粒度为5G-NR波形中给出的时隙，不同波位可配置的时隙个数根据系统使用而定，同一波位可配置连续个基本时隙，也可配置成多个不连续时隙；

跳波束资源配置中超帧长度、跳波束不同波位所分配的时隙个数参数按卫星覆盖区域特征动态配置；

星地频率补偿分别测量和计算多普勒频移引起的频率偏差以及星地频率源偏差引起的频率两种偏差并按照相反的方式进行上行链路频率补偿。

进一步，星地频率补偿测量和计算方法为：用户终端根据自身位置以及卫星轨道信息可计算当前时刻的相对多普勒参数估值以及相对多普勒变化率参数估值用实际接收到的频率偏差减去多普勒频移预估的频率得到星地频率源偏差引起的频率差；

具体的频率偏差计算结果为：

1)下行链路多普勒频率偏差为：

2)星地频率源准确度及稳定度引起的频率偏差为：

Freq_{downlink_diff}(T₁)为用户终端接收机T1时刻实际测量出的频率偏差；

3)补偿后上行链路实际发送信号的频率为：

进一步，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法包括以下步骤：

第一步，根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成超帧，卫星跳波束资源按照超帧进行分配，M的参数根据系统需求进行动态配置；

第二步，实现信令信号的收发处理，处理时同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息，包含卫星及波束编号、业务波束帧计划配置、卫星轨道参数及实时位置信息；

第三步，实现跳波束模式下5G波形的处理，处理时需同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；一般信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍；

第四步，按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。

进一步，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的5G融合跳波束使用方法结合低轨卫星通信的具体特征及5G-NR波形具体的融合方法包括：

(1)在整个跳波束帧周期设计时采用M个连续帧拼接成的超帧作为跳波束调度周期及资源分配周期；

(2)对于低轨卫星的双工方式FDD模式，收发采用不同的跳波束通过不同的频率进行通信；

(3)、具体跳波束资源的使用颗粒度为5G-NR波形中给出的时隙，长度为不同波位可配置的时隙个数根据系统使用需求而定，同一波位可配置连续个基本时隙，也可配置成多个不连续时隙；

(4)跳波束系统中超帧长度、跳波束不同波位所分配的时隙个数参数按卫星覆盖区域特征动态配置。

进一步，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的星地频率偏差计算方法包括：

(1)星地下行链路频率偏差分析，卫星上行链路标称频率为卫星下行链路标称频率为星上时钟参考源准确度及稳定度为终端时钟参考源准确度及稳定度为下行链路引入的多普勒频率变化为α_{dpl_down}(t)；上行链路引入的多普勒频率变化为α_{dpl_up}(t)；另外，定义T0为卫星发送下行链路信号时刻、T1终端接收下行链路信号时刻、T2为终端发送上行链路信号时刻、T3为卫星接收上行链路信号时刻，其中T1-T0为下行链路传输时延，T2-T1为用户终端处理时延，T3-T2为上行链路传输时延；

根据误差分析计算，在T1时刻用户终端接收到的频率与标称频率之间的偏差为：

(2)星地上行链路频率偏差分析，根据误差分析计算，在T3时刻用户终端接收到的频率与标称频率之间的偏差为：

(3)下行链路频率偏差计算方法，用户终端根据自身位置以及卫星轨道信息可计算当前时刻的相对多普勒参数估值以及相对多普勒变化率参数估值结合误差公式得到；

1)下行链路多普勒引起的频率偏差为：

2)星地频率源准确度及稳定度引起的频率偏差为：

Freq_{downlink_diff}(T₁)为用户终端接收机T1时刻实际测量出的频率偏差；

3)补偿后上行链路实际发送信号的频率为：

进一步，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的星地频率偏差校准包括：

(1)卫星处理设备严格按照帧规划发送相同步的信令信号和业务信号，其中信令信号发送至广域信令波束、业务信号发送至相控阵业务波束；

(2)用户终端接收信令信号并提取实时频偏信息及帧参考基准信息，通过对信令信号的接收处理提取包含卫星星历及实时位置的广播信息，根据自身位置信息计算星地多普勒频率偏差及多普勒频率变化率，根据实时频偏信息及多普勒频率偏差计算星地频率源误差引起的频率偏差；

(3)用户终端以提取的帧参考基准信息为基准，并在系统分配的相应的跳波束时隙进行业务信号的接收，接收时根据信令信号提取的实时频偏信息对业务信号进行补偿校准；

(4)用户终端在系统所分配的上行业务波束时隙发送上行业务信号，发送时根据得到的多普勒频率偏差及多普勒频率变化率以及星地频率源误差引起的频率偏差并按照补偿方法对上行业务信号进行频率偏差补偿预置；

(5)卫星处理设备接收上行跳波束业务信号，终端实现频率补偿。

本发明的另一目的在于提供一种卫星通信信息数据处理终端，所述卫星通信信息数据处理终端用于实现所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信系统，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信系统包括：

时间基准产生及帧规划模块，用于根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成超帧，卫星跳波束资源按照超帧进行分配，M的参数根据系统需求进行动态配置；

广域信令波束处理模块，用于实现信令信号的收发处理，处理时同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息；

相控阵业务跳波束处理模块，用于实现跳波束模式下5G波形的处理，处理时需同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；一般信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍；

跳波束控制模块，用于按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明的低轨卫星通过配置广域信令波束以及相控阵跳变波束实现5G波形的灵活使用，广域信令波束用于引导相控阵跳波束的使用同时提供辅助的频率校准功能，减小业务波束5G波形处理的复杂度。在低轨卫星的星上处理设备中，配置时间基准产生及帧规划模块，根据5G-NR规划的帧结构以及卫星通信的跳波束通信规划，产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；相控阵业务跳波束处理模块以及广域信令波束处理模块分别实现信令波束的处理以及业务波束的5G波形处理，但在具体处理时需要严格同步到时间基准产生及帧规划模块的控制信号基准上；同时，跳波束控制模块严格按照时间基准产生及帧规划模块输出的控制基准及跳变信息实现具体的波束指向跳变。

广域信令波束与相控阵业务波束采用不同的通信体制。业务波束采用与5G-NR波形相融合的体制，既可以配置为TDD双工模式，也可以配置为FDD双工模式，多址方式为OFDMA；广域信令波束采用卫星通信传统的FDD双工模式，下行采用DS-TDM方式实现多用户复用；上行采用DS-MF-TDMA多址方式。

广域信令波束辅助业务波束同步的基本方案是地面终端通过对信令波束下行信号进行接收并提取出星地实时频率偏差、帧计划基准信号、卫星轨道参数及实时位置信息等；以帧计划基准信号为参考，在系统分配的具体跳波束时隙里进行业务波束信号接收，利用星地实时频率偏差进行下行频率补偿简化业务波束接收复杂度；另外，根据卫星轨道及位置信息计算理论多普勒偏差，结合实际接收到的频率偏差计算由卫星和终端频率源准确度及稳定度引起的偏差；针对两种偏差分别按照不同的补偿方法对终端发送的上行信号进行补偿，简化卫星设备对上行信号接收处理的复杂度。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明给出了一种支持5G波形的跳波束与广域波束相结合的方案，并通过广域波束辅助实现高动态条件下的5G波形快速载波同步，提升了5G波形对低轨卫星的适应性，并简化了卫星处理设备实现的复杂度；同时发明了一种面向5G融合的低轨卫星处理设备处理方法，有效支持5G波形在低轨卫星跳波束场景中的使用。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过将低轨卫星跳波束通信场景与5G-NR波形相结合，提出了一种相融合的跳波束通信方法，将5G-NR波形直接用于低轨卫星系统中使用，提升了系统的适用性；

(2)、本发明通过广域信令波束辅助相控阵业务波束的方式，简化了地面终端对高动态环境下5G波形接收的复杂度；

(3)、本发明通过多普勒预测结合接收频率联合计算分析出两种类型的频率偏差，分别按照不同的补偿方式对上行信号进行补偿，简化了卫星处理设备对高动态环境下5G波形接收的复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法流程图。

图2是本发明实施例提供的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的跳波束与广域波束相结合的覆盖场景示意图。

图4是本发明实施例提供的5G-NR给出的帧结构关系图。

图5是本发明实施例提供的低轨卫星跳波束帧计划示意图。

图6是本发明实施例提供的与5G-NR波形融合的低轨卫星处理设备方案示意图。

图7是本发明实施例提供的广域波束与业务跳波束同步关系图；

图8是本发明实施例提供的跳波束下5G-NR帧的使用关系图。

图9是本发明实施例提供的广域波束辅助的业务跳波束载波频率补偿流程图。

图中：1、时间基准产生及帧规划模块；2、广域信令波束处理模块；3、相控阵业务跳波束处理模块；4、跳波束控制模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明提供的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法包括以下步骤：

S101：根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成超帧，卫星跳波束资源按照超帧进行分配，M的参数可根据系统需求进行动态配置；

S102：实现信令信号的收发处理，处理时同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息，包含但不限于卫星及波束编号、业务波束帧计划配置、卫星轨道参数及实时位置等信息；

S103：实现跳波束模式下5G波形的处理，处理时需同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；一般信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍；

S104：按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。

如图2所示，本发明提供的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信系统包括：

时间基准产生及帧规划模块1，用于根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成超帧，卫星跳波束资源按照超帧进行分配，M的参数可根据系统需求进行动态配置。

广域信令波束处理模块2，用于实现信令信号的收发处理，处理时同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息。

相控阵业务跳波束处理模块3，用于实现跳波束模式下5G波形的处理，处理时需同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；一般信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍。

跳波束控制模块4，用于按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明针对低轨卫星跳波束通信与5G-NR波形的融合提出了一种跳波束通信方法，利用广域信令波束辅助简化相控阵业务跳波束下5G波形处理复杂度，低轨跳波束系统的波束场景示意图如3所示。广域信令波束的主要作用包括用于用户终端窄波束实现对卫星的捕获及实时跟踪，用于跳波束同步、用户接入等广播信号的播发等功能，广域信令波束采用传统通信体制，通过FDD实现收发双工，下行链路采用DS-TDM方式实现多用户复用，上行采用DS-MF-TDMA多址方式支持多用户接入。相控阵业务跳波束主要用于实时业务的传输，其在波形使用，帧计划排布上按照5G-NR波形设计，具体的波束跳变计划按照系统配置需求灵活调整；相控阵业务波束采用与5G-NR波形相融合的体制，既可以配置为TDD双工模式，也可以配置为FDD双工模式，多址方式为OFDMA。

低轨卫星5G融合星上处理设备原理框图如图5所示，主要包括时间基准产生及帧规划模块、广域信令波束处理模块、相控阵业务跳波束处理模块以及跳波束控制模块，载荷的模块详细功能介绍如下：

(1)时间基准产生及帧规划模块：该模块主要根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；图4给出5G-NR帧结构关系，10ms为一个帧，1ms为一个子帧，每个子帧根据子载荷参数μ不同配置不同的时隙，共2^μ个；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成图5所示的超帧，卫星跳波束资源分配按照超帧进行，超帧的时间长度为M*10ms，M的参数可根据系统需求进行动态配置。

(2)广域信令波束处理模块实现信令信号的收发处理，具体处理时发射及接收信号需要同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息，包含但不限于卫星及波束编号、业务波束帧计划配置、卫星轨道参数及实时位置等信息。

(3)相控阵业务跳波束处理模块实现跳波束模式下5G波形的处理，具体处理时发射及接收信号需要同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；业务信号与信令信号的关系如图7所示，一般信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍。

(4)跳波束控制模块按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。

根据以上组成，本发明提出了低轨卫星通信与5G融合的跳波束通信处理方法，通过信令辅助以及跳波束与5G-NR波形的高效结合能够实现低轨跳波束场景下5G波形的适用，提升了低轨卫星通信与5G移动通信的融合能力。下面详细介绍其跳波束使用方法及高动态环境下的频率较准及补偿方法。

(1)5G融合跳波束使用方法

跳波束技术的使用是低轨宽带卫星通信的主要特征，如何将5G-NR波形与卫星跳波束通信相融合是整个系统设计的关键，本发明结合低轨卫星通信的具体特征及5G-NR波形的特点给出了具体的融合方法，详细介绍如下：

(1.1)、低轨卫星覆盖范围广，单个波束下的用户数较多，因此在整个跳波束帧周期设计时不能局限于5G-NR给出的10ms帧周期，可以采用M个连续帧拼接成的超帧作为跳波束调度周期及资源分配周期，具体示意如图5所示。

(1.2)、由于低轨卫星星地时延相对地面5G基站星地时延大，对于低轨卫星的双工方式优选FDD模式，即收发采用不同的跳波束通过不同的频率进行通信。

(1.3)、具体跳波束资源的使用颗粒度为5G-NR波形中给出的时隙，长度为不同波位可配置的时隙个数根据系统使用需求而定，同一波位可配置连续个基本时隙，也可配置成多个不连续时隙。5G-NR波形中的不同波位资源分配示意图如图8所示。

(1.4)、跳波束系统中超帧长度、跳波束不同波位所分配的时隙个数等参数可按卫星覆盖区域特征动态配置。

(2)星地频率偏差计算方法

对于5G-NR波形而言，用于低轨卫星通信最大的问题是多普勒频移对接收性能的影响，需要高性能的载波同步方式校准系统中较大多普勒频移，一般需要校准到子载波间隔的4％才能满足对接收性能产生的影响。一般而言，频段越高，多普勒频移越大，例如Ka频段，其产生的多普勒频移偏差超过了MHz，而5G-NR给出的最大载波间隔为240KHz，最小载波间隔为15KHz，其产生的频移远远超过了载波间隔。

在实际系统中，星地通信产品的频率偏差不仅仅包括多普勒频移，而且包含卫星频率源准确度和稳定度以及用户终端频率源准确度和稳定度引起的频率偏差，而且这两个源引起的偏差具体补偿方式正好相反。下面进行星地频率偏差的详细分析及计算方法。

(2.1)、星地下行链路频率偏差分析

影响卫星与用户终端之间的频率偏差主要包括卫星频率源的准确度及稳定度、星地多普勒频移以及用户终端频率源的准确度及稳定度三个部分。为了便于分析，设：卫星上行链路标称频率为卫星下行链路标称频率为星上时钟参考源准确度及稳定度为终端时钟参考源准确度及稳定度为下行链路引入的多普勒频率变化为α_{dpl_down}(t)；上行链路引入的多普勒频率变化为α_{dpl_up}(t)。另外，定义T0为卫星发送下行链路信号时刻、T1终端接收下行链路信号时刻、T2为终端发送上行链路信号时刻、T3为卫星接收上行链路信号时刻，其中T1-T0为下行链路传输时延，T2-T1为用户终端处理时延，T3-T2为上行链路传输时延。

根据误差分析计算，在T1时刻用户终端接收到的频率与标称频率之间的偏差为：

(2.2)、星地上行链路频率偏差分析

按照2.1的计算方法根据误差分析计算，在T3时刻用户终端接收到的频率与标称频率之间的偏差为：

根据2.2和2.1给出的误差公式可知，如果用下行链路的测量结果去补偿上行链路则存在矛盾，多普勒频率需要通过相减进行补偿，而频率源准确度及稳定度的误差需要相加进行补偿。实际用户终端接收机提取的频率偏差是下行链路多普勒频率偏差与频率源准确度及稳定度的误差的混合，需要分离出这两种误差数据才能实现上行链路的精确补偿。

(2.3)、下行链路频率偏差计算方法

对于低轨卫星通信尤其是高频段低轨通信，用户终端天线为窄波束天线，终端一般存储整个低轨星座的轨道参数信息辅助用户终端与卫星建链；另外当终端与卫星建链后，能够获知精确实时的卫星轨道及位置信信息；用户终端根据自身位置以及卫星轨道信息可计算当前时刻的相对多普勒参数估值以及相对多普勒变化率参数估值结合2.1和2.2给出的误差公式可得到：

1)下行链路多普勒引起的频率偏差为：

2)星地频率源准确度及稳定度引起的频率偏差为：

Freq_{downlink_diff}(T₁)为用户终端接收机T1时刻实际测量出的频率偏差；

3)补偿后上行链路实际发送信号的频率为：

(3)星地频率偏差校准流程

由于5G-NR波形采用了OFDM的传输方式，其对载波的频率偏差极其敏感，而低轨高频段卫星移动环境及频率源特性等产生的频率偏差相对子载波带宽非常大，如果利用5G-NR本身波形层面在业务跳波束载波上进行信道频率估计及补偿校准，不但增加了卫星处理设备及用户终端的复杂度，也加重了波形本身的开销；因此，本发明提出了一种利用广域信令波束进行频率偏差的计算及补偿流程，减化卫星处理设备的复杂度，具体步骤如下。

(3.1)、卫星处理设备严格按照帧规划发送相同步的信令信号和业务信号，其中信令信号发送至广域信令波束、业务信号发送至相控阵业务波束。

(3.2)、用户终端接收信令信号并提取实时频偏信息及帧参考基准信息，通过对信令信号的接收处理提取包含卫星星历及实时位置的广播信息，根据自身位置信息计算星地多普勒频率偏差及多普勒频率变化率，根据实时频偏信息及多普勒频率偏差按照(2.3)所示的方法计算星地频率源误差引起的频率偏差。

(3.3)、用户终端以提取的帧参考基准信息为基准，并在系统分配的相应的跳波束时隙进行业务信号的接收，接收时根据信令信号提取的实时频偏信息对业务信号进行补偿校准，减化业务信号接收处理的复杂度。

(3.4)、用户终端在系统所分配的上行业务波束时隙发送上行业务信号，发送时根据(3.2)所得到的多普勒频率偏差及多普勒频率变化率以及星地频率源误差引起的频率偏差并按照(2.3)所示的补偿方法对上行业务信号进行频率偏差补偿预置。

(3.5)、卫星处理设备接收上行跳波束业务信号，由于终端已实现了频率补偿，此时的上行信号可以简化处理流程。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

本发明针对低轨卫星跳波束通信与5G-NR波形融合的需求，提出了一种广域信令波束与跳波束相结合的5G融合方案，给出了5G-NR波形与跳波束相结合的具体方法；另外，针对5G-NR波形对频率偏差敏感的特性，具体分析了星地频率偏差的影响因素及具体计算方法，并给出了具体的通过广域信令波束辅助实现高动态条件下的5G波形快速载波同步的方法，提升了5G波形对低轨卫星的适应性，并简化了卫星处理设备实现的复杂度；同时发明了一种面向5G融合的低轨卫星处理设备处理方法，有效支持5G波形在低轨卫星跳波束场景中的使用。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其特征在于，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法采用广域信令波束与业务跳波束相结合实现5G融合，其中广域信令波束采用低轨通信方式，业务跳波束采用5G-NR提出的波形模式；其次，业务跳波束的调度周期按照整数个5G-NR帧组成的超帧进行调度，调度的最小颗粒度为5G-NR给出的时隙，具体长度为μ为5G-NR波形定义的子载波参数；最后，给出通过广域信令波束辅助实现高动态条件下的5G波形快速载波同步的方法；

面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的星地频率偏差校准包括：

(1)卫星处理设备严格按照帧规划发送相同步的信令信号和业务信号，其中信令信号发送至广域信令波束、业务信号发送至相控阵业务波束；

(2)用户终端接收信令信号并提取实时频偏信息及帧参考基准信息，通过对信令信号的接收处理提取包含卫星星历及实时位置的广播信息，根据自身位置信息计算星地多普勒频率偏差及多普勒频率变化率，根据实时频偏信息及多普勒频率偏差计算星地频率源误差引起的频率偏差；

(3)用户终端以提取的帧参考基准信息为基准，并在系统分配的相应的跳波束时隙进行业务信号的接收，接收时根据信令信号提取的实时频偏信息对业务信号进行补偿校准；

(4)用户终端在系统所分配的上行业务波束时隙发送上行业务信号，发送时根据得到的多普勒频率偏差及多普勒频率变化率以及星地频率源误差引起的频率偏差并按照补偿方法对上行业务信号进行频率偏差补偿预置；

(5)卫星处理设备接收上行跳波束业务信号，终端实现频率补偿。

2.如权利要求1所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其特征在于，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的广域信令波束的作用包括用于用户终端窄波束实现对卫星的捕获及实时跟踪，用于跳波束同步、用户接入广播信号的播发功能，广域信令波束采用传统通信体制，通过FDD实现收发双工，下行链路采用DS-TDM方式实现多用户复用，上行采用DS-MF-TDMA多址方式支持多用户接入；

相控阵业务跳波束用于实时业务的传输，在波形使用、帧计划排布上按照5G-NR波形设计，双工方式上配置为TDD双工模式或FDD双工模式，多址方式为OFDMA。

3.如权利要求1所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其特征在于，具体跳波束资源配置使用颗粒度为5G-NR波形中给出的时隙，不同波位可配置的时隙个数根据系统使用而定，同一波位可配置连续个基本时隙，也可配置成多个不连续时隙；

跳波束资源配置中超帧长度、跳波束不同波位所分配的时隙个数参数按卫星覆盖区域特征动态配置；

星地频率补偿分别测量和计算多普勒频移引起的频率偏差以及星地频率源偏差引起的频率两种偏差并按照相反的方式进行上行链路频率补偿；

星地频率补偿测量和计算方法为：用户终端根据自身位置以及卫星轨道信息可计算当前时刻的相对多普勒参数估值以及相对多普勒变化率参数估值用实际接收到的频率偏差减去多普勒频移预估的频率得到星地频率源偏差引起的频率差；

具体的频率偏差计算结果为：

1)下行链路多普勒频率偏差为：

2)星地频率源准确度及稳定度引起的频率偏差为：

Freq_{downlink_diff}(T₁)为用户终端接收机T₁时刻实际测量出的频率偏差；

3)补偿后上行链路实际发送信号的频率为：

为卫星上行链路标称频率，为卫星下行链路标称频率；T₁为终端接收下行链路信号时刻，T₂为终端发送上行链路信号时刻，T₃-T₂为上行链路传输时延。

4.如权利要求1所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其特征在于，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法包括以下步骤：

第一步，根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成超帧，卫星跳波束资源按照超帧进行分配，M的参数根据系统需求进行动态配置；

第二步，实现信令信号的收发处理，处理时同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息，包含卫星及波束编号、业务波束帧计划配置、卫星轨道参数及实时位置信息；

第三步，实现跳波束模式下5G波形的处理，处理时需同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍；

第四步，按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。

5.如权利要求4所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其特征在于，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的5G融合跳波束使用方法结合低轨卫星通信的具体特征及5G-NR波形具体的融合方法包括：

(1)在整个跳波束帧周期设计时采用M个连续帧拼接成的超帧作为跳波束调度周期及资源分配周期；

(2)对于低轨卫星的双工方式FDD模式，收发采用不同的跳波束通过不同的频率进行通信；

(3)、具体跳波束资源的使用颗粒度为5G-NR波形中给出的时隙，长度为不同波位可配置的时隙个数根据系统使用需求而定，同一波位可配置连续个基本时隙，也可配置成多个不连续时隙；

(4)跳波束系统中超帧长度、跳波束不同波位所分配的时隙个数参数按卫星覆盖区域特征动态配置。

6.如权利要求1所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法，其特征在于，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的星地频率偏差计算方法包括：

(1)星地下行链路频率偏差分析，卫星上行链路标称频率为卫星下行链路标称频率为星上时钟参考源准确度及稳定度为终端时钟参考源准确度及稳定度为下行链路引入的多普勒频率变化为α_{dpl_down}(t)；上行链路引入的多普勒频率变化为α_{dpl_up}(t)；另外，定义T₀为卫星发送下行链路信号时刻、T₁终端接收下行链路信号时刻、T₂为终端发送上行链路信号时刻、T₃为卫星接收上行链路信号时刻，其中T₁-T₀为下行链路传输时延，T₂-T₁为用户终端处理时延，T₃-T₂为上行链路传输时延；

根据误差分析计算，在T₁时刻用户终端接收到的频率与标称频率之间的偏差为：

(2)星地上行链路频率偏差分析，根据误差分析计算，在T₃时刻卫星接收到的频率与标称频率之间的偏差为：

(3)下行链路频率偏差计算方法，用户终端根据自身位置以及卫星轨道信息可计算当前时刻的相对多普勒参数估值以及相对多普勒变化率参数估值结合误差公式得到；

1)下行链路多普勒引起的频率偏差为：

2)星地频率源准确度及稳定度引起的频率偏差为：

Freq_{downlink_diff}(T₁)为用户终端接收机T₁时刻实际测量出的频率偏差；

3)补偿后上行链路实际发送信号的频率为：

7.一种卫星通信信息数据处理终端，其特征在于，所述卫星通信信息数据处理终端用于实现权利要求1～6任意一项所述的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法。

8.一种实施权利要求1～6任意一项所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信方法的面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信系统，其特征在于，所述面向5G融合低轨卫星系统跳波束通信系统包括：

时间基准产生及帧规划模块，用于根据5G-NR规划的帧结构以及外部输入的卫星通信的跳波束通信需求产生整个卫星通信所需的时间基准及帧计划；考虑到卫星系统的广域覆盖特性以及用户容量，将5G-NR中的M个帧进行联合使用形成超帧，卫星跳波束资源按照超帧进行分配，M的参数根据系统需求进行动态配置；

广域信令波束处理模块，用于实现信令信号的收发处理，处理时同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；信令信号由捕获定位序列、导频信号以及业务信号组成，其中捕获定位序列用于用户终端实现信令下行信号的快速捕获及定位帧起始位置，导频信号用于精确的载波同步，业务信号用于传输具体的业务信息；

相控阵业务跳波束处理模块，用于实现跳波束模式下5G波形的处理，处理时需同步到时间基准产生及帧规划模块提供的时间基准帧时标信号上；业务信号的波形按照5G-NR标准提供的波形进行处理，不同跳波束时隙对应不同的用户；信令信号设计时其长度是5G-NR波形帧长度的整数倍；

跳波束控制模块，用于按照跳时间基准产生及帧规划模块提供的帧时标基准以及波束跳变计划信号，在对应波束跳变时刻产生相控阵天线所需要的控制信号，实现对相控阵天线波束的切换。