CN115378768B - 一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统 - Google Patents

一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统 Download PDF

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CN115378768B CN202210518947.6A CN202210518947A CN115378768B CN 115378768 B CN115378768 B CN 115378768B CN 202210518947 A CN202210518947 A CN 202210518947A CN 115378768 B CN115378768 B CN 115378768B
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Abstract

本发明公开了一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统，该方法包括在发射端将训练序列和导频在激活的天线上传输，并将正交导频与调制信号的能量按照预设比例在激活天线上叠加发送，在接收端使用训练序列计算初始信道估计信息，根据初始信道估计信息进行数据检测获得粗检测结果，最后利用粗检测结果结合导频序列进行信道估计值更新。本发明通过使用不同能量分配的导频叠加在调制后的数据上进行传输，在保证系统的传输性能的同时提升了信道估计的鲁棒性，解决了目前空间调制信道估计受限于发射天线数、资源消耗较大，对信道的跟踪性较差以及信道估计精度受信道估计算法影响的技术问题。

Description

一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统
技术领域
本发明涉及通信抗干扰技术领域，尤其涉及到一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统。
背景技术
空间调制技术是一种通信领域的多天线传输技术，其本质是在天线域使用额外的信息比特选择激活指定的天线进行信息传输。利用数据域和天线域两个维度进行信息的传递，空间调制系统相比传统多天线系统，减少了射频链路的开销。是一种有特定应用场景的通信传输系统。
现有导频传输方案为利用插入的训练序列进行信道估计，具体在传输数据前插入一段固定的序列进行信道估计。这种方案使用受限于发射天线数且资源消耗较大，对信道的跟踪性较差，另外信道估计精度受信道估计算法影响。因此，如何提供一种受限于发射天线数、对信道的跟踪性更好、精度稳定的空间调制信道估计方法，是一个亟需解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统，旨在解决目前空间调制信道估计受限于发射天线数、资源消耗较大，对信道的跟踪性较差以及信道估计精度受信道估计算法影响的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，所述方法包括以下步骤：
发射端：
S1：获取生成的训练序列
Figure GDA0003887923000000011
在t时刻，将Si放置在激活的天线Tt上传输；其中，i∈{1,…NTX}，系统传输模型为/>
Figure GDA0003887923000000012
n为高斯白噪声，NTX为发射天线数量；
S2：获取生成的导频长度为L的导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，在t时刻，将Pt放置在激活的天线Tt上传输；其中：t∈(1,…L)，导频能量为ρ；
S3：将正交导频Pt与调制信号Xt的能量按照预设比例在激活天线Tt上叠加发送；其中，系统传输模型为
Figure GDA0003887923000000021
ρ+ρx＝1，ρx为调制信号功率；
接收端：
S4：使用训练序列
Figure GDA0003887923000000022
利用NTX个时刻计算初始信道估计信息；其中，初始信道信息为/>
Figure GDA0003887923000000023
(·)-1表示求逆；
S5：根据初始信道估计信息
Figure GDA0003887923000000024
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000025
S6：根据信号粗检测结果
Figure GDA0003887923000000026
结合导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，更新信道估计值
Figure GDA0003887923000000027
可选的，所述调制信号Xt为：在时刻t时，系统发射端在激活的发射天线Tt上传输PSK/QAM调制的星座点符号X。
可选的，所述根据初始信道估计信息
Figure GDA0003887923000000028
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000029
的表达式为：
Figure GDA00038879230000000210
其中，Ω为调制星座图集合。
可选的，所述根据信号粗检测结果
Figure GDA00038879230000000211
更新信道估计值/>
Figure GDA00038879230000000212
步骤之后，所述方法还包括：
S7：判断更新的信道估计值
Figure GDA00038879230000000213
与前V个时刻信道估计均值的误差大小，并根据误差和误差门限，对信道估计值/>
Figure GDA00038879230000000214
进行更新。
可选的，所述对信道估计值
Figure GDA00038879230000000215
进行更新的表达式为：
Figure GDA0003887923000000031
其中，gap为误差门限。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计系统，所述系统包括：
发射端，所述发射端用于获取生成的训练序列
Figure GDA0003887923000000032
在t时刻，将Si放置在激活的天线Tt上传输；其中，i∈{1,…NTX}，系统传输模型为/>
Figure GDA0003887923000000033
n为高斯白噪声，NTX为发射天线数量；用于获取生成的导频长度为L的导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，在t时刻，将Pt放置在激活的天线Tt上传输；其中：t∈(1,…L)，导频能量为ρ；以及用于将正交导频Pt与调制信号Xt的能量按照预设比例在激活天线Tt上叠加发送；其中，系统传输模型为/>
Figure GDA0003887923000000034
ρ+ρx＝1，ρx为调制信号功率；
接收端：用于使用训练序列
Figure GDA0003887923000000035
利用NTX个时刻计算初始信道估计信息；其中，初始信道信息为/>
Figure GDA0003887923000000036
(·)-1表示求逆；用于根据初始信道估计信息/>
Figure GDA0003887923000000037
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000038
以及用于根据信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000039
结合导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，更新信道估计值/>
Figure GDA00038879230000000310
本发明实施例提出的一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法及系统，该方法包括在发射端将训练序列和导频在激活的天线上传输，并将正交导频与调制信号的能量按照预设比例在激活天线上叠加发送，在接收端使用训练序列计算初始信道估计信息，根据初始信道估计信息进行数据检测获得粗检测结果，最后利用粗检测结果结合导频序列进行信道估计值更新。本发明通过使用不同能量分配的导频叠加在调制后的数据上进行传输，在保证系统的传输性能的同时提升了信道估计的鲁棒性，解决了目前空间调制信道估计受限于发射天线数、资源消耗较大，对信道的跟踪性较差以及信道估计精度受信道估计算法影响的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中导频放置原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
空间调制技术是一种通信领域的多天线传输技术，其本质是在天线域使用额外的信息比特选择激活指定的天线进行信息传输。利用数据域和天线域两个维度进行信息的传递，空间调制系统相比传统多天线系统，减少了射频链路的开销。是一种有特定应用场景的通信传输系统。
现有导频传输方案为利用插入的训练序列进行信道估计，具体在传输数据前插入一段固定的序列进行信道估计。这种方案使用受限于发射天线数且资源消耗较大，对信道的跟踪性较差，另外信道估计精度受信道估计算法影响。因此，如何提供一种受限于发射天线数、对信道的跟踪性更好、精度稳定的空间调制信道估计方法，是一个亟需解决的技术问题。
为了解决这一问题，提出本发明的基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法的各个实施例。本发明提供的基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法通过使用不同能量分配的导频叠加在调制后的数据上进行传输，在保证系统的传输性能的同时提升了信道估计的鲁棒性，解决了目前空间调制信道估计受限于发射天线数、资源消耗较大，对信道的跟踪性较差以及信道估计精度受信道估计算法影响的技术问题。
本发明实施例提供了一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，参照图1，图1为本发明基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法的实施例的流程示意图。
本实施例中，所述一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法包括以下步骤：
发射端：
步骤1：对于一个SM系统，NTX是发射天线数量，NRX是接收天线数量。选择激活的天线使用log2(NTX)个比特，在激活天线上传输的比特为log2(M)(其中M为调制阶数)，则一个时刻一共传输log2(NTX)+log2(M)个比特。在时刻t时，系统发射端在激活的发射天线Tt上传输PSK/QAM调制的星座点符号X，其余的NTX-1根发射天线不传输信号。记此系统为SM系统。
步骤2：首先生成训练序列
Figure GDA0003887923000000051
(其中i∈{1,…NTX})在t时刻，将Si放置在激活的天线Tt上传输，提供初始信道估计信息。则一共需要NTX个时刻传送训练序列S。则t时刻，传输训练序列的系统传输模型为/>
Figure GDA0003887923000000052
其中Yt表示为接收信号，Ht表示信道增益，n表示为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声信号。
步骤3：设导频长度为L，生成导频序列P＝[P1,…Pt,…PL](其中t∈(1,…L))则t时刻，在激活天线Tt上传输的导频序列为Pt，导频能量为ρ(满足ρ+ρx＝1，ρx为调制信号功率)，未激活的天线不传输导频符号。将正交导频Pt与调制信号Xt的能量按照一定比例在激活天线Tt上叠加发送，则系统模型表示为
Figure GDA0003887923000000053
接收端：
步骤4：首先使用训练序列S，用NTX个时刻计算初始信道估计信息。则t时刻第i根发射天线的初始信道信息表示为
Figure GDA0003887923000000054
其中(·)-1表示求逆。
步骤5：其次根据步骤4的初始信道估计结果进行数据检测得到信号粗检测结果
Figure GDA0003887923000000055
根据信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000056
更新信道估计值为/>
Figure GDA0003887923000000057
步骤6：判断更新的信道估计值
Figure GDA0003887923000000058
与前V个时刻信道估计均值的误差大小，表示为：
Figure GDA0003887923000000059
其中，gap为误差门限，可根据实际需要选取。
最后使用判决的
Figure GDA00038879230000000510
进行下一时刻的信号检测。
容易理解的，本发明在相同系统参数和传输条件下，与传统的训练序列信道估计方案相比，能有效地减少训练序列的使用并实现对系统信道的跟踪性，且能在一定程度地提升系统的误码率。
为了更清楚的解释本申请，下面提供一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法的具体实例。具体的：
步骤1：选取发射天线数NTX为2，接收天线数NRX为1的SM系统为例进行使用说明。信号选用BPSK调制，则天线选择使用log2(NTX)个比特，一个时刻传输log2(NTX)+log2(M)＝2个比特。对于发射天线为2的SM系统，采用BPSK调制，‘00’表示激活天线1，并发送-1。‘01’表示激活天线1，并发送1。‘10’表示激活天线2，并发送-1，‘11’表示激活天线，并发送1。
示例：信息数据为[1001]，则天线选择比特为[10]，代表第一个时隙激活第二根天线，第二个时隙激活第一根天线，待用调制信息比特为[01]，调制后为[-11]。则两个时隙下，天线1的发送数据是[0-1]，天线2的发送数据是[10]。
步骤2：生成训练序列[1，-1]，插入数据域前段，占用2个时刻。
步骤3：生成叠加导频序列[1，-1]，导频能量和调制数据能量比为ρ:ρx＝0.2:0.8，满足ρ+ρx＝1，则
Figure GDA0003887923000000061
则在步骤2后发送的两个时刻的发送符号表示为：
Figure GDA0003887923000000062
需要说明的是，本实施例中，导频放置原理如图1所示，首先将初始导频插入到序列前端，其次将导频按照一定能量分配叠加在调制数据上进行传输，在传输时系统每个时刻只有一根天线被激活使用。
步骤4：过信道。将步骤3得到的发送符号分别通过瑞利信道和高斯信道传输到接收机。
步骤5：接收端。首先进行根据收到的信号使用训练序列S得到初始信道估计
Figure GDA0003887923000000063
然后使用/>
Figure GDA0003887923000000064
进行数据粗检测/>
Figure GDA0003887923000000065
(其中Ω为调制星座图集合)。
最后将数据粗检测的结果
Figure GDA0003887923000000066
结合导频序列P进行信道估计的更新，得到信道估计更新结果/>
Figure GDA0003887923000000067
选取V＝2，gap＝1。使用/>
Figure GDA0003887923000000068
进行下一时刻的数据检测得到发送比特。
本发明方法在发射天线数NTX为2，接收天线数NRX为1、BPSK调制下每时刻平均传输2比特。在接收端使用上述的信道估计方法可以很好的跟踪信道，本发明中的导频放置方法可以有效减少训练序列的使用并提高系统性能。
本实施例还提供一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计系统。
具体的，一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计系统，包括：
发射端，所述发射端用于获取生成的训练序列
Figure GDA0003887923000000071
在t时刻，将Si放置在激活的天线Tt上传输；其中，i∈{1,…NTX}，系统传输模型为/>
Figure GDA0003887923000000072
n为高斯白噪声，NTX为发射天线数量；用于获取生成的导频长度为L的导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，在t时刻，将Pt放置在激活的天线Tt上传输；其中：t∈(1,…L)，导频能量为ρ；以及用于将正交导频Pt与调制信号Xt的能量按照预设比例在激活天线Tt上叠加发送；其中，系统传输模型为/>
Figure GDA0003887923000000073
ρ+ρx＝1，ρx为调制信号功率；
接收端：用于使用训练序列
Figure GDA0003887923000000074
利用NTX个时刻计算初始信道估计信息；其中，初始信道信息为/>
Figure GDA0003887923000000075
(·)-1表示求逆；用于根据初始信道估计信息/>
Figure GDA0003887923000000076
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000077
以及用于根据信号粗检测结果/>
Figure GDA0003887923000000078
结合导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，更新信道估计值/>
Figure GDA0003887923000000079
本发明基于空间调制系统的卫星通信信道估计系统的其他实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
发射端：
S1：获取生成的训练序列
Figure FDA0004263288750000011
在t时刻，将Si放置在激活的天线Tt上传输；其中，i∈{1,…NTX}，系统传输模型为/>
Figure FDA0004263288750000012
Yt为t时刻的接收信号，/>
Figure FDA0004263288750000013
为t时刻的第i个天线的信道增益，/>
Figure FDA0004263288750000014
为t时刻的训练序列中的第i个元素，n为高斯白噪声，NTX为发射天线数量；
S2：获取生成的导频长度为L的导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，在t时刻，将Pt放置在激活的天线Tt上传输；其中：t∈(1,…L)，导频能量为ρ；
S3：将正交导频Pt与调制信号Xt的能量按照预设比例在激活天线Tt上叠加发送；其中，系统传输模型为
Figure FDA0004263288750000015
Ht为t时刻的信道增益，ρx为调制信号功率；
接收端：
S4：使用训练序列
Figure FDA0004263288750000016
利用NTX个时刻计算初始信道估计信息；其中，初始信道信息为/>
Figure FDA0004263288750000017
(·)-1表示求逆；
S5：根据初始信道估计信息
Figure FDA0004263288750000018
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure FDA0004263288750000019
S6：根据信号粗检测结果
Figure FDA00042632887500000110
结合导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，更新信道估计值
Figure FDA00042632887500000111
其中，Y为接收信号。
2.如权利要求1所述的基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，其特征在于，所述调制信号Xt为：在时刻t时，系统发射端在激活的发射天线Tt上传输PSK/QAM调制的星座点符号X。
3.如权利要求2所述的基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，其特征在于，所述根据初始信道估计信息
Figure FDA00042632887500000112
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure FDA00042632887500000113
的表达式为：
Figure FDA00042632887500000114
其中，Ω为调制星座图集合，
Figure FDA0004263288750000021
为信道估计值。
4.如权利要求1所述的基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，其特征在于，所述根据信号粗检测结果
Figure FDA0004263288750000022
更新信道估计值/>
Figure FDA0004263288750000023
步骤之后，所述方法还包括：
S7：判断更新的信道估计值
Figure FDA0004263288750000024
与前V个时刻信道估计均值的误差大小，并根据误差和误差门限，对信道估计值/>
Figure FDA0004263288750000025
进行更新。
5.如权利要求4所述的基于空间调制系统的卫星通信信道估计方法，其特征在于，所述对信道估计值
Figure FDA0004263288750000026
进行更新的表达式为：
Figure FDA0004263288750000027
其中，gap为误差门限。
6.一种基于空间调制系统的卫星通信信道估计系统，其特征在于，所述系统包括：
发射端，所述发射端用于获取生成的训练序列
Figure FDA0004263288750000028
在t时刻，将Si放置在激活的天线Tt上传输；其中，i∈{1,…NTX}，系统传输模型为/>
Figure FDA0004263288750000029
n为高斯白噪声，NTX为发射天线数量；用于获取生成的导频长度为L的导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，在t时刻，将Pt放置在激活的天线Tt上传输；其中：t∈(1,…L)，导频能量为ρ；以及用于将正交导频Pt与调制信号Xt的能量按照预设比例在激活天线Tt上叠加发送；其中，系统传输模型为/>
Figure FDA00042632887500000210
ρx为调制信号功率；
接收端：用于使用训练序列
Figure FDA00042632887500000211
利用NTX个时刻计算初始信道估计信息；其中，初始信道信息为/>
Figure FDA00042632887500000212
(·)-1表示求逆；用于根据初始信道估计信息
Figure FDA00042632887500000213
进行数据检测，获得信号粗检测结果/>
Figure FDA00042632887500000214
以及用于根据信号粗检测结果/>
Figure FDA00042632887500000215
结合导频序列P＝[P1,…Pt,…PL]，更新信道估计值/>
Figure FDA00042632887500000216
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