CN116016082A - 一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，利用ZC序列良好的自相关特性和较低的互相关特性，设计时域差分导频序列以解决低轨卫星通信中的大频偏估计和定时同步的问题。利用该差分序列的自相关估计方法具有频偏估计范围大，频偏估计和定时估计无干扰的优势，快速获得初始频偏估计和定时估计，随后再利用M‑PART算法对残余频偏进行估计，以达到低轨卫星移动通信系统对频偏估计范围和精度的要求。本发明所提出的差分设计导频序列，以及基于该导频序列的时频估计方法，相较于传统的M‑PART方法频偏的估计精度提高了2‑4dB，且频偏估计范围远优于传统方法，满足低轨卫星系统设计要求，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动通信和卫星同步方法，具体涉及一种低轨卫星移动通信系统中的时频估计方法。
背景技术
随着卫星通信技术的不断发展，低轨卫星因其覆盖范围广、传输时延低、路径损耗小以及灵活性强等优点被广泛关注。国际标准化组织3GPP(3rd Generation PartnershipProject)也将卫星移动通信列为其B5G/6G阶段的重点研究方向之一。低轨卫星与5G技术相互融合，共同构建了海、陆、空一体化综合通信网，满足了用户无处不在的业务需求。但低轨卫星的高速运动将导致其与移动通信终端之间产生较大的多普勒频偏，极大地增加了移动终端时频同步的难度，也是3GPP 5G NTN(Non-Terrestrial Networks)标准化过程中所要面临的巨大挑战。
不同于4G LTE系统，5G NR系统的资源配置将更加地灵活，其下行的帧结构将不再固定。在同步信道中，5GNR系统中引入了同步信号/物理广播信道块(SynchronizationSignal/Physical Broadcast Channel blockSSB)的概念，每个SSB由主同步序列、辅同步序列、物理广播信道和解调参考信号四个部分组成。
发明内容
发明目的：针对低轨移动卫星通信中存在的大频偏和高延时的问题，提出一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法。
技术方案：一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据低轨卫星通信系统中大多普勒频偏和高传输时延的特点，确定差分导频序列的类型、差分间隔和物理根序列号参数；
步骤2：将设计好的差分导频进行反差分变换和IFFT变换，将时域序列变换到频域主同步序列；
步骤3：对同步过程中接收到的信号进行降采样处理，以消除带外信号的干扰和降低计算复杂度；
步骤4：基于优化后的导频，利用差分互相关算法进行定时估计和大频偏估计，并进行相应的频偏补偿；
步骤5：利用MPART算法对残余频偏进行估计以达到低轨卫星通信系统的设计要求。
进一步的，所述步骤1中，差分导频序列选取Zadoff-Chu序列。
进一步的，所述步骤1中，根据频偏的最大值，设计差分导频的差分间隔。
进一步的，所述步骤1中，三个主同步序列的根序列号确定方法为：根序列号的值接近序列长度的一半，且三个主同步序列的根序列号差值与序列长度互质并且根序列号与序列长度互质。
进一步的，所述步骤4中，将降采样后的接收序列和其延迟共轭序列相乘构造出差分序列，利用差分互相关算法估计出定时和大频偏。
进一步的，所述步骤4中，利用所估计出的大频偏的值对接收序列进行相应的频偏补偿。
有益效果：本发明公开了一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，利用ZC序列良好的自相关特性和较低的互相关特性，设计时域差分导频序列以解决低轨卫星通信中的大频偏估计和定时同步的问题。利用该差分序列的自相关估计方法具有频偏估计范围大，频偏估计和定时估计无干扰的优势，快速获得初始频偏估计和定时估计，随后再利用传统M-PART算法对残余频偏进行估计，以达到低轨卫星移动通信系统对频偏估计范围和精度的要求。本发明所提出的差分设计导频序列，以及基于该导频序列的时频估计方法，相较于传统的M-PART方法频偏的估计精度提高了2-4dB，且频偏估计范围远优于传统方法，满足低轨卫星系统设计要求，具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明实施例所采用的低轨卫星移动通信系统终端信息传输场景示意图；
图3为本发明实施例在频偏为120KHz情景下定时的性能曲线；
图4为本发明实施例在频偏为120KHz情景下频偏的性能曲线；
图5为本发明实施例在频偏为816KHz情景下频偏的性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示为本发明的一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法流程图。本发明实施例中，低轨卫星移动通信系统采用5GNR空口体制通过点波束与地面终端进行通信。图2为低轨卫星移动通信系统终端信息传输场景示意图，低轨移动通信卫星沿预定的轨道高速在轨飞行，产生严重的多普勒频移。此外，低轨卫星与地面的通信过程中还存在传输时延。不失一般性，将星地传输信道衰落模型建模为AWGN信道，令卫星侧的发送信号为x(n)，则经过星地传输信道后地面终端接收到的信号r(n)表示为：
式中，d表示定时偏差，ε表示归一化频偏，5G协议的下行链路中采用的是OFDM调制方式，因此这里Ni表示OFDM调制时IFFT的点数，v(n)表示高斯白噪声，n表示采样时间点。
针对低轨道卫星移动通信系统终端信息传输场景，对5G协议中的主同步序列进行优化，本发明所设计的时频估计方法，将差分方法与M-PART方法相结合，对差分前和差分后的导频序列都有一定的要求，具体准则如下：
(1)良好的自相关特性：差分后的时域导频具有良好的自相关特性，有利于提高初始接入和大频偏估计的准确性。
(2)较低的互相关特性：不同序列间需有较低的互相关特性，用于传输小区ID等信息。
(3)恒模特性：在利用M-PART算法进行残余频偏估计时，要求原始导频序列具有恒模特性。
(4)频偏估计的范围要求：
利用差分后的时域导频序列进行频偏估计时，差分导频的间隔m直接影响了大频偏估计的范围和精度。m值越大，频偏估计范围越小，但频偏估计的精度就越高。
(5)频偏估计的精度要求：
在本发明的设计方案中，采用M-PART方法对残余频偏进行估计，对频偏估计的精度要求比较高，所分成的部分M越小，估计的精度就越高。因此，这里M值取为2，M表示做分段互相关所分成的段数。此时利用M-PART方法进行残余频偏的估计范围为[-Δfc,Δfc]，Δfc为子载波带宽。这就要求利用差分算法进行大频偏估计时的误差不能超过一个子载波带宽。低轨卫星要求一般在信噪比为-6dB时能够工作，即此信噪比条件下，大频偏估计的误差不能超过一个子载波带宽。
按照上述导频序列的设计准则进行序列的选择和相关参数的设计。
序列的选择：ZC(Zadoff-Chu)序列作为CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Corelation)序列的一种，具有良好的自相关和互相关特性，其具体定义如下：
式中，μ为物理根序列号，Zμ(n)表示ZC序列。
ZC序列具有良好的自相关性、较低的互相关性、较好的抗频偏特性和较低的峰均比等优点，满足低轨卫星通信中主同步信号差分导频的众多要求，因此本发明选择ZC序列作为该系统的差分导频。
差分序列长度的选取：结合应用场景，选择30GHz载频，此时低轨卫星频偏的最大值fdmax＝780KHz，而利用差分互相关算法测频偏的估计范围为[-NΔfc/2m，NΔfc/2m]，根据5G协议，子载波带宽△fc选取120KHz，序列长度N取128，则根据NΔfc/2m≥fdmax，可得差分间隔m取值范围为m≤9.8462。在利用差分算法进行频偏估计时，m值越大，频偏估计的精度越高，因此，在保证频偏估计范围的基础上，m值要尽可能大，这里取m＝9，即每隔9个点做一次差分，此时差分导频的长度为119，119为质数，方便了ZC导频序列物理根序列号的选取。
物理根序列号的选取在5G协议中，主同步信号用于检测3个小区组内标识号
因此，要选取3个物理根序列号μ1、μ2、μ3，使得3个ZC序列的互相关较低。根据3GPPRAN1的研究可知，物理根序列号μ越接近序列长度的一半，其对频偏的敏感度越小。且根据ZC序列的特性，当(μ1-μ2)与序列长度N互质，且μ1和μ2分别与N互质时，此时两个序列的互相关性较好。基于此，本发明取μ1＝57，μ2＝59，μ3＝61，其分别对应
三种情况，具体的表达式如下：
主同步序列的生成：序列初始值为长度为9的伪随机gold序列，采用正负1的双极性码表示，其模值恒为1，具体定义如下：
d(n)＝1-2x(m)，其中
式中，d(n)为时域同步信号。
每隔9个点得到的差分序列为ZC序列，即：
式中，上标*表示取共轭。
则：
上述生成的时域同步信号所对应的频域同步序列为：
式中，k为频域采样点，P(k)为频域同步序列。
经过上述设计后的优化导频具有恒模特性，差分后具有良好的自相关特性。下面将依据上述特性对低轨卫星系统的时频估计算法进行说明：
步骤一：降采样
在低轨卫星通信系统的同步过程中，接收数据量较大，需要进行降采样处理。为了消除带外信号的干扰，首先要进行滤波，定义滤波后的接收信号为rLPF(n)。接着进行降采样，这里令OFDM调制的点数N1为4096，主同步序列的点数为128，因此降采样的倍数可以为1到32之间。综合考虑计算复杂度和最佳相位角等因素，选择降采样的倍数c为4。令降采样后的信号为
则
步骤二：利用差分互相关算法测定时和大频偏
将降采样后的接收信号与其延迟共轭信号相乘构造出差分序列，延迟的定时偏差d为m×(4096/128)/c，其中c为降采样的倍数，m＝9，c＝4，得d＝72，则接收信号的差分序列Z(n)为：
将其与设计好的差分导频
做滑动相关，得相关值C(k)；
式中，l＝119，为差分导频的点数。
当C(k)取得最大值时，获得估计的定时位置
和组内小区号
即：
当
相关值
为：
因为
的估计范围为[-π,π]，因此归一化频偏
估计的范围
频偏估计范围为
Δfc为子载波带宽。
根据公式11，得到大频偏的估计值
为：
其中，N＝128，m＝9。
步骤三：大频偏补偿
接着对接收信号进行频偏补偿，补偿后的接收信号记为
其表达如下：
式中，IFFT的点数Ni＝4096。
步骤四：M-PART算法测残余频偏
通过差分互相关算法找到定时位置
根据M-PART相关原理，利用时域主同步序列d(n)与频偏补偿后的信号
在定时点
处做M-PART相关，测量出残余频偏
的值。
其中，L＝N/M，N＝128，M＝2。
残余频偏
由公式15估计得：
综上，主同步信号所在位置
组内小区号
和总的频偏估计值
为：
本实施例选取5G协议中的子载波带宽120KHz，IFFT点数选取为4096，在高斯信道环境下，频偏选取为毫米波频段30GHz载频下的最大值816KHz，延迟为16个点，符号个数为14，首个符号的CP长度为544，其余符号CP长度为288，信噪比为-6～10dB，在本系统参数下进行仿真，这里选用RMSE(Root Mean Squared Error，均方根误差)来衡量频偏和定时的准确性，其计算公式为：
其中，
为估计值，ε为理论值，Nε为仿真次数。
通过图3和图4可以看出，当频偏为120KHz条件下，随着信噪比的增大，频偏和定时的估计误差都在不断减小。对于频偏，在同等RMSE条件下，所提出的优化导频的时频估计法比传统的M-PART方法所需信噪比降低2-4dB；对于定时，在高信噪比下，定时效果明显优于传统M-PART方法。实际系统中的频偏往往大于一个子载波带宽，此时传统的M-PART方法将无法估计。因此，优化导频的时频估计法无论在估计精度和估计范围上都明显优于M-PART方法。
图5给出了频偏为816KHz情况下，导频优化后和未经导频优化的归一化频偏估计值的RMSE曲线。通过图5可以看出，在系统可能存在的最大频偏情况下，所设计的优化导频后的频偏估计方法误差明显小于未优化导频的情况，这是因为优化后的差分导频的相关性有了明显提升，进一步提升了频偏估计的准确性。在-6dB时，归一化频偏的估计误差值为0.0218，满足低轨卫星系统中对频偏估计的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据低轨卫星通信系统中大多普勒频偏和高传输时延的特点，确定差分导频序列的类型、差分间隔和物理根序列号参数；
步骤2：将设计好的差分导频进行反差分变换和IFFT变换，将时域序列变换到频域主同步序列；
步骤3：对同步过程中接收到的信号进行降采样处理，以消除带外信号的干扰和降低计算复杂度；
步骤4：基于优化后的导频，利用差分互相关算法进行定时估计和大频偏估计，并进行相应的频偏补偿；
步骤5：利用MPART算法对残余频偏进行估计以达到低轨卫星通信系统的设计要求。
2.根据权利要求1所述的基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，其特征在于，所述步骤1中，差分导频序列选取Zadoff-Chu序列。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，其特征在于，所述步骤1中，根据频偏的最大值，设计差分导频的差分间隔。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，其特征在于，所述步骤1中，三个主同步序列的根序列号确定方法为：根序列号的值接近序列长度的一半，且三个主同步序列的根序列号差值与序列长度互质并且根序列号与序列长度互质。
5.根据权利要求1所述的一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，其特征在于，所述步骤4中，将降采样后的接收序列和其延迟共轭序列相乘构造出差分序列，利用差分互相关算法估计出定时和大频偏。
6.根据权利要求5所述的基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法，其特征在于，所述步骤4中，利用所估计出的大频偏的值对接收序列进行相应的频偏补偿。
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| CN202211600723.6A CN116016082A (zh) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 一种基于差分导频的低轨卫星通信系统时频估计方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117156540A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-01 | 北京理工大学重庆创新中心 | 一种卫星5g终端初始同步的方法 |
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2022
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