CN114978289B - 同时同频全双工卫星高速数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时同频全双工卫星高速数据传输系统，所述系统包括：第一卫星通信终端、第二卫星通信终端和通信卫星，第一卫星通信终端和第二卫星通信终端使用完全相同的上、下行链路，即两个终端同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字；利用卫星传输中的自发自收特性，每个终端采用同时同频全双工同频干扰抑制自适应将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离出来。所述系统可以充分利用信道特性提高信道传输速率，并且信号传输双方同时使用同频进行高速数据传输，信道资源利用率实现了倍增。

Description

同时同频全双工卫星高速数据传输系统

技术领域

本发明涉及通信卫星技术领域，尤其涉及一种基于比特和功率自适应多载波同时同频全双工卫星高速数据传输系统。

背景技术

卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远、传输质量好、组网方便、不受地理环境条件限制等特点，而且在突发事件发生时，可以迅速机动灵活地建立局部范围通信网，已成为一种重要通信手段。但目前卫星链路是通过频分或时分技术或码分技术实现双向传输，其频分技术是通过不同的载波频率实现上行信号的分离，时分技术是2路上行信号利用不同的时隙来划分信道，而码分技术是2路上行信号利用不同的扩频码来划分信道。

因此，现有的传输技术没有充分利用卫星通信的独有特点，还没有最高利用卫星信道频率资源，有必要寻求一种新的卫星高速数据传输技术，这种新技术能够针对现有传统传输技术的缺陷，在有限的频率资源上实现高速数据传输。本发明重点解决卫星通信链路中相互双向通信的2个终端之间进行同时频率重用，并利用多载波传输使在每个子载波中的比特和功率自适应，从而实现系统容量的大幅倍增。

频分或时分或码分卫星数据传输技术：目前卫星传输链路都是通过通常的多址接入技术(如TDMA、FDMA或CDMA)实现2路上行信号的分离。FDMA技术是通过不同的载波频率实现上行信号的分离；而在TDMA接入方式中，2路上行信号利用不同的时隙来划分信道；对于CDMA接入方式，信号占用相同的频带和时隙，但可以通过其特定的CDMA扩频码实现区分。这些技术由于采用信道分离来实现信道分离，因此，信道资源利用率比较低。

单载波卫星数据传输技术：目前卫星信号传输采用单载波调制，由于卫星通信信道既是功率和带宽受限的信道，又是一个非线性信道，再加上商业用户通信容量的日益增加，卫星转发器上射频频谱已非常拥挤，致使信道间的相互干扰相当突出，这就使得单载波调制难以弥补其信道衰落所带来的功率损失。

综上，现有技术具有如下缺点：

1)传统卫星数据传输系统采用频分或时分或码分技术来分离传输双方的上下行信号，信道资源利用率差；

2)传统卫星数据传输系统采用单载波调制，没有充分利用信道特性；

3)传统卫星数据传输系统没有在多载波传输中采用比特和功率自适应技术，数据传输率没有达到最佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够提高信道资源利用率的同时同频全双工卫星高速数据传输系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种同时同频全双工卫星高速数据传输系统，其特征在于包括：第一卫星通信终端、第二卫星通信终端和通信卫星，第一卫星通信终端和第二卫星通信终端使用完全相同的上、下行链路，即两个终端同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字；利用卫星传输中的自发自收特性，每个终端采用同时同频全双工同频干扰抑制自适应将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离出来。

进一步的技术方案在于：所述第一卫星通信终端与第二卫星通信终端的结构相同，包括信号源、多载波子载波比特和功率自适应模块、同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块以及天线模块，所述信号源与所述多载波子载波比特和功率自适应模块之间进行双向数据交互，所述多载波子载波比特和功率自适应模块与所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块之间进行双向数据交互，所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块与所述天线模块之间进行双向数据交互。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述系统可以充分利用信道特性提高信道传输速率，并且信号传输双方同时使用同频进行高速数据传输，信道资源利用率实现了倍增。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述系统的原理框图；

图2是本发明实施例所述系统中同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在基于比特和功率自适应多载波同时同频全双工卫星高速数据传输系统中，首先需要对卫星错路作以下的假设：(1)卫星系统中的任何一个终端发出的信号可以被包括它本身的任何一个终端接收到；(2)卫星采用透明转发器。也就是说，卫星转发器只对上行信号进行带通滤波、频率转换和信号放大，然后转发至各地面站。对大多数现有的以及计划中行将建设的固定卫星系统而言，都符合该假设。

如图1所示，本发明实施例公开了一种同时同频全双工卫星高速数据传输系统，包括：第一卫星通信终端、第二卫星通信终端和通信卫星，第一卫星通信终端和第二卫星通信终端使用完全相同的上、下行链路，即两个终端同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字；利用卫星传输中的自发自收特性，每个终端采用同时同频全双工同频干扰抑制自适应将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离出来。

所述第一卫星通信终端与第二卫星通信终端的结构相同，包括信号源、多载波子载波比特和功率自适应模块、同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块以及天线模块，所述信号源与所述多载波子载波比特和功率自适应模块之间进行双向数据交互，所述多载波子载波比特和功率自适应模块与所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块之间进行双向数据交互，所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块与所述天线模块之间进行双向数据交互。

所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块的原理框图如图2所示，为实现上行信号1的正确解调，卫星通信终端必须对自己发送的上行信号2进行自适应抑制。为了达到有效抑制上行信号2，采用在射频隔离、模拟消除和数字消除3级级联抑制，通过三级上行信号2自干扰抑制中各级消除方法的参数与算法优化，最终是可以实现对上行信号2自干扰信号的有效消除。

具体的，如图2所示，所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块包括多载波数字调制模块，所述多载波数字调制模块的输入端输入的为多载波子载波数据，所述多载波数字调制模块的输出端分为两路，第一路经D/A转化模块与第一乘法器的一个输入端连接，第二路与数字清除模块的一个输入端连接，VCO振荡器的一个输出端与所述第一乘法器的另一个输入端连接，所述第一乘法器的输出端与信号放大器PA的输入端连接，所述信号放大器PA的一个输出端与卫星终端天线双工器的输入端连接，所述信号放大器PA的另一个输出端与模拟消除模块的一个信号输入端连接，所述卫星终端天线双工器的信号输入端与第一减法器的一个输入端连接，所述模拟消除模块的一个信号输入端与所述第一减法器的另一个输入端连接，所述第一减法器的输出端经低噪声放大器LNA与第二乘法器的一个输入端连接，所述VCO振荡器的另一个信号输入端与所述第二乘法器的另一个输入端连接，所述第二乘法器的输出端经A/D转换模块与第二减法器的一个输入端连接，所述数字消除模块的一个信号输出端与所述第二减法器的另一个输入端连接，所述第二减法器的输出端与多载波数字解调模块的输入端连接，所述多载波数字解调模块的输出端分为三路，第一路输出多载波子载波数据，第二路与数字清除模块的另一个输入端连接，第三路与模拟清除模块的另一个信号输入端连接。

第二卫星通信终端接收到的信号是自己发送信号和卫星终端发送信号相混合的下行信号，具体表示为：

r(t)＝A₁s₁(t-τ₁)cos(2πf₁t+θ₁)+A₂s₂(t-τ₂)cos(2πf₁t+θ₂)+n(t) (1)

为了将从上述混合信号中自适应抑制调干扰信号2，就需要对信号2的信道参数进行估计。其具体算法为：

上面三个式子就是对信号2信道参数进行联合估计的估计算法式子，其参数联合估计求解过程是一个三维最优值求解过程。

多载波子载波比特和功率自适应：

在基于比特和功率自适应多载波同时同频全双工卫星高速数据传输技术的卫星通信系统是通过划分子带来实现多址通信的，一个用户分配一个子带，因此对一个具体用户来说，就要根据用户的使用目标来对带分多址子带内的多载波数和每个子载波上可以传输的比特数进行动态分配。

在基于比特和功率自适应多载波同时同频全双工卫星高速数据传输技术物理层子带自适应传输有两大类，即最大数据传输率子带自适应传输和固定传输容量子带自适应传输，由于我们设计的在基于比特和功率自适应多载波同时同频全双工卫星高速数据传输技术系统传输容量是固定的,因此适用固定传输容量子带自适应传输。

在基于比特和功率自适应多载波同时同频全双工卫星高速数据传输技术固定传输容量子带自适应传输由三个主要部分组成。首先，求出近似最佳的系统性能裕量γ_margin；然后，它用子最佳循环来保证收敛；最后，调整功率分配。其具体算法过程是：

1)预置子带内的子载波数N_s。

2)计算子载波信噪比

3)置：系统性能裕量γ_margin＝0(dB)，迭代计数器IteratCount＝0，可用载波UsedCarriers＝N_s。

4)i从1到N_s计算b_i，diff_i和UsedCarriers：

5)

6)如果

其中Γ是SNR容差。

7)计算如果B_total＝0，说明此时整个信道是坏信道，停止迭代。

8)按下式计算新的系统性能裕量γ_margin：

其中B_target是分配子带中所有符号中的所要传输的总比特数，即传输数据吞吐量。

9)置：IterateCount＝IterateCount+1。

10)如果B_total≠B_target且IterateCount＜MaxCount，置UsedCarriers＝N_s并转到第4步重新计算。否则转到第9步。

11)如果B_total＞B_target，那么从具有最小diff_i值的子载波上的比特数中减去1比特，并调整此载波的diff_i值。子带内子载波数减一，重复步骤4直到B_total＝B_target。

12)如果B_total＜B_target，那么从具有最大diff_i值的子载波上的比特数中加上1比特，并调整此载波的diff_i值。子带内子载波数加一，如果N_s＞X，则子带自适应分配结束。重复步骤4直到B_total＝B_target。

13)根据获得的比特分配调整输入功率分配，最终使所有子载波的p_e,i＝P_e,target。

上述迭代算实现了子带子载波数自适应分配和子带内比特自适应分配和功率自适应分配。

本申请所述系统基于自适应滤波技术，采用信道参数进行联合估计同频干扰抑制算法，有效抑制由于同时同频全双工而引起的同频干扰，很好解决了在卫星通信系统中的同时同频全双工传输难题；采用多载波子载波比特和功率自适应技术，大大提高了同时同频全双工卫星高速数据传输系统的通信容量，解决了在同时同频全双工系统中传输高速率数据难题。

Claims (1)

1.一种同时同频全双工卫星高速数据传输系统，其特征在于包括：第一卫星通信终端、第二卫星通信终端和通信卫星，第一卫星通信终端的上、下行链路和第二卫星通信终端的上、下行链路完全相同；利用卫星传输中的自发自收特性，每个终端采用同时同频全双工同频干扰抑制自适应将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离出来；

所述第一卫星通信终端与第二卫星通信终端的结构相同，包括信号源、多载波子载波比特和功率自适应模块、同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块以及天线模块，所述信号源与所述多载波子载波比特和功率自适应模块之间进行双向数据交互，所述多载波子载波比特和功率自适应模块与所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块之间进行双向数据交互，所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块与所述天线模块之间进行双向数据交互；

所述同时同频全双工同频干扰抑制自适应模块包括多载波数字调制模块，所述多载波数字调制模块的输入端输入的为多载波子载波数据，所述多载波数字调制模块的输出端分为两路，第一路经D/A转化模块与第一乘法器的一个输入端连接，第二路与数字清除模块的一个输入端连接，VCO振荡器的一个输出端与所述第一乘法器的另一个输入端连接，所述第一乘法器的输出端与信号放大器PA的输入端连接，所述信号放大器PA的一个输出端与卫星终端天线双工器的输入端连接，所述信号放大器PA的另一个输出端与模拟消除模块的一个信号输入端连接，所述卫星终端天线双工器的信号输入端与第一减法器的一个输入端连接，所述模拟消除模块的一个信号输入端与所述第一减法器的另一个输入端连接，所述第一减法器的输出端经低噪声放大器LNA与第二乘法器的一个输入端连接，所述VCO振荡器的另一个信号输入端与所述第二乘法器的另一个输入端连接，所述第二乘法器的输出端经A/D转换模块与第二减法器的一个输入端连接，所述数字消除模块的一个信号输出端与所述第二减法器的另一个输入端连接，所述第二减法器的输出端与多载波数字解调模块的输入端连接，所述多载波数字解调模块的输出端分为三路，第一路输出多载波子载波数据，第二路与数字清除模块的另一个输入端连接，第三路与模拟清除模块的另一个信号输入端连接；

所述多载波子载波比特和功率自适应通过以下步骤来实现：

1)预置子带内的子载波数N_s；

2)计算子载波信噪比SNR_i,

3)置：系统性能裕量γ_margin＝0(dB)，迭代计数器IteratCount＝0，可用载波UsedCarriers＝N_s；

4)i从1到N_s计算b_i，diff_i和UsedCarriers：

5)

6)如果UsedCarriers＝UsedCarriers-1

其中Γ是SNR容差；

7)计算如果B_total＝0，说明此时整个信道是坏信道，停止迭代；

8)按下式计算新的系统性能裕量γ_margin：

其中B_target是分配子带中所有符号中的所要传输的总比特数，即传输数据吞吐量；

9)置：IterateCount＝IterateCount+1；

10)如果B_total≠B_target且IterateCount＜MaxCount，置UsedCarriers＝N_s并转到第4步重新计算；否则转到第9步；

11)如果B_total＞B_target，那么从具有最小diff_i值的子载波上的比特数中减去1比特，并调整此载波的diff_i值；子带内子载波数减一，重复步骤4)直到B_total＝B_target；

12)如果B_total＜B_target，那么从具有最大diff_i值的子载波上的比特数中加上1比特，并调整此载波的diff_i值；子带内子载波数加一，如果N_s＞X，则子带自适应分配结束；重复步骤4)直到B_total＝B_target；

13)根据获得的比特分配调整输入功率分配。