CN116961736B - 一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，包括：功率受限终端的OFDM发射机生成生成带循环前缀的OFDM符号，并进行格式整形；低轨卫星的OFDM接收机对接收到的整形后的OFDM符号进行插值处理和傅里叶变换，得到接收符号序列；对接收符号序列进行信道估计和均衡后采用改进的对数似然比计算方法使用强纠错码进行强译码，解调出正确数据序列。本发明采用OFDM符号格式整形与强纠错译码的技术，提升了OFDM系统的时间效率，从而实现在低信噪比条件下，以不增加无人机终端发射功率为前提，保证节约功率受限的终端宝贵电量的同时实现对低轨卫星上行高速数据传输。

Description

一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法。
背景技术
在星地上行链路高速OFDM数据传输系统中，由于星地间传输距离远，自由空间传播损耗大，传播途中易受干扰，使得低轨卫星接收到的有用信号信噪比低，致使数据传输效率的降低。
现有采用提高发射机的输出功率的方式无法解决功耗的问题，如小型无人机等终端而言成本太高，因为其电量有限。同时，现有采用零填充的OFDM符号格式整形技术，仍旧保留了保护间隔，数据传输效率提升有限。
发明内容
针对在功率受限的终端与低轨卫星组成的通信系统在低信噪比下存在的数据传输效率和速率低的问题，本发明提供一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，包括以下步骤：
功率受限终端的OFDM发射机生成生成带循环前缀的OFDM符号，并采用边缘剪裁的方式对生成的OFDM符号进行自适应格式整形；
功率受限终端的OFDM发射机将格式整形后的OFDM符号发送给低轨卫星的OFDM接收机，低轨卫星的OFDM接收机接收到整形后的OFDM符号后，对接收到的整形后的OFDM符号进行插值处理，得到插值后的OFDM符号，对插值后的接收符号进行傅里叶变换，得到接收符号序列；
低轨卫星的OFDM接收机对接收符号序列进行信道估计和均衡后采用改进的对数似然比计算方法使用强纠错码进行强译码，解调出正确数据序列。
本发明采用对OFDM符号格式整形的方式，依据调制方式自适应的对OFDM符号边缘进行裁剪，由于裁剪过程中去除了OFDM保护间隔，提升了OFDM系统的时间效率、降低了功耗、提高了速率；
本发明在进行OFDM译码时，采用一种提高译码准确率的LLR计算方法实现正确译码后，实现对接收比特序列的正确接收，最终达成在低信噪比条件下，以不增加无人机终端发射功率为前提，保证节约无人机终端宝贵电量的同时实现对低轨卫星上行高速数据传输的目的。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法的流程图；
图2是本发明实施例中的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法的OFDM发射机架构图；
图3是本发明实施例中的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法的OFDM符号格式整形示意图；
图4是本发明实施例中的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法的OFDM接收机架构图。
具体实施方式
下面将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。
一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，如图1所示，包括：
功率受限终端的OFDM发射机生成生成带循环前缀的OFDM符号，并采用边缘剪裁的方式对生成的OFDM符号进行自适应格式整形；
功率受限终端的OFDM发射机将格式整形后的OFDM符号发送给低轨卫星的OFDM接收机，低轨卫星的OFDM接收机接收到整形后的OFDM符号后，对接收到的整形后的OFDM符号进行插值处理，得到插值后的OFDM符号，对插值后的接收符号进行傅里叶变换，得到接收符号序列；
低轨卫星的OFDM接收机对接收符号序列进行信道估计和均衡后采用改进的对数似然比计算方法使用强纠错码进行强译码，解调出正确数据序列。
在本实施例中，功率受限终端的OFDM发射机生成带循环前缀的OFDM符号，包括：
如图2所示，在终端的OFDM发射机处，在频域对待发送的数据序列进行信道编码和 调制将复符号分配给正交子载波；然后在串并变换后基于傅里叶反变换将正交子载波转换 为时域OFDM符号；通过复制OFDM符号的末端部分并将其置于OFDM符号前生成带循环前缀 OFDM符号；最后对进行自适应格式整形并经并串转换后将数据发送出去。
利用傅里叶反变换将正交子载波转换为时域OFDM符号，通过复制OFDM符号的末端部分并将其置于OFDM符号前生成带循环前缀OFDM符号，包括：
其中，为带循环前缀的OFDM符号，为频域的调制复符号，即子载波符号，为插 入的循环前缀矩阵，为傅里叶反变换矩阵。
在本实施例中，功率受限终端的OFDM发射机采用边缘裁切对OFDM符号格式整形的方式，降低每个符号能量占用，包括：
如图3所示，对生成的带循环前缀OFDM符号进行自适应格式整形，根据系统的编 码方式自适应选取裁剪的边缘信息长度：
其中，Nc为自适应选取裁剪的符号边缘信息长度，N为快速傅立叶逆变换长度，m为OFDM符号中不同编码方式子载波携带的比特数，为了达到避免边缘信息过裁剪导致无法正确解调的目的，Ncp为未经裁剪整形的符号长度。
在整形过程中去除符号间保护间隔，节省传输时间，整形后的OFDM符号qk：
其中，为自适应选取裁剪的符号边缘信息长度，为快速傅立叶逆变换长度，为第个带循环前缀OFDM符号的第个采样点，将带循环前缀的OFDM符号首尾的边缘 信息裁剪后，经整形的OFDM符号长度为：，为矩阵转置。
在本实施例中，低轨卫星的OFDM接收机对接收到的整形后的OFDM符号进行插值处理，保证正确解调，包括：
低轨卫星在执行OFDM解调之前，在因裁剪OFDM符号而未发送信号的位置即在接收 到的OFDM符号前后各进行补长度的零，获得插值后的OFDM符号：
对整形后的OFDM符号插值处理后，LEO的OFDM接收机可将其作为带循环前缀的 OFDM符号进行处理，对插值后的接收符号进行傅里叶变换，得到接收符号序列 ，其中，为傅里叶变换，为循环前缀去除矩阵。
在本实施例中，低轨卫星的OFDM接收机使用强纠错码对接收符号序列强译码，包括：
如图4所示，在对接收符号序列进行信道估计和均衡后，对其进行解调，使用强 纠错码采用改进的对数似然比（LLR）进行解码，解决因裁剪OFDM符号导致的载波间干扰的 问题，保证在部分符号被裁剪的情况下保持通信质量，解调出正确数据序列。
使用一种提高译码准确率的LLR计算方法来解决因终端对OFDM符号进行裁剪，破坏OFDM的正交性，产生载波间干扰，解决传统的对数似然比LLR符号不正确、绝对值较大无法恢复正确数据序列的问题。
在本实施例中，提供一种传统对数似然比计算方法：对数似然比是原始发送信号 的每一个比特位等于0和1的概率之比的对数，对数似然比使用接收到的同相分量符号和 正交分量表示为：
其中，为信噪比，和分别为j位0和1的理想星座点；其中，和分别为理想 星座点的同相坐标和正交坐标。
在本实施例中，提供一种提高译码准确率的LLR计算方法：
采用一种提高译码准确率的LLR计算方法在保留原始LLR分布信息的情况下按比例缩小了LLR分布，规避常规的LLR计算方法的LLR绝对值过大导致符号不正确概率偏大的问题。
一种提高译码准确率的LLR计算方法表示为：
其中，为表征接收序列比特值为0和1概率的对数似然比，为LLR平均绝对 值，,为由接收端处噪声功率决定的标准化常数，为信噪比，为接收序列 中j位数据比特的最大似然比，为接收序列中位数据比特的最大似然比，为接收序列中 的数据比特数量。
采用一种提高译码准确率的LLR计算方法实现正确译码后，实现对接收比特序列的正确接收，最终达成在低信噪比条件下，以不增加无人机终端发射功率为前提，保证节约无人机终端宝贵电量的同时实现对低轨卫星上行高速数据传输的目的。
低轨卫星的OFDM接收机对接收符号序列进行信道估计和均衡后采用改进的对数似然比计算方法使用强纠错码进行强译码，包括：
S0：构建检验矩阵H，将变量节点作为校验矩阵的行，校验节点作为校验矩阵的列； 低轨卫星的OFDM接收机信息初始化，根据接收符号序列计算初始状态下校验节点y需要 传递给变量节点x的信息，其中，为信噪比；
S1：强纠错码校验矩阵H变量节点信息更新；
其中，为变量节点需要传递给校验节点的信息，为表征接收序列比特 值为0和1概率的对数似然比，为校验节点需要传递给变量节点的信息，为校 验矩阵H第j列的元素集合，为校验矩阵H的第j列中不包括第i行的所有元素集合；
S2：强纠错码校验矩阵H校验节点信息更新；
其中，为校验节点需要传递给变量节点的信息，tanh为双曲正切函数，为校验矩阵H第i行的元素集合，为校验矩阵H的第i行中不包括第j列的所有元素 集合，为变量节点需要传递给校验节点的信息；
S3：强纠错码译码判决：计算接收符号序列中当前比特的似然比，若当前比特的似然比，则接收符号序列中当前比特译为 1，否 则当前比特译为0；重复步骤S0到S3，直到满足校验表达式，输出正确的比特译码 结果X；其中，H为校验矩阵，X为接收符号中比特信息组成的一维矩阵，为矩阵转置。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，其特征在于，包括：
功率受限终端的OFDM发射机生成带循环前缀的OFDM符号，并采用边缘剪裁的方式对OFDM符号进行自适应格式整形；
采用边缘剪裁的方式对OFDM符号进行自适应格式整形，包括：
根据系统的编码方式自适应选取裁剪的边缘信息长度对OFDM符号进行首尾边缘信息剪裁整形，同时，在剪裁整形过程中去除符号间保护间隔，得到整形后的OFDM符号其中，b(k,r)为第k个带循环前缀OFDM符号的第r个采样点，Nc为自适应选取裁剪的符号边缘信息长度，N为快速傅立叶逆变换长度，T为矩阵转置；
功率受限终端的OFDM发射机将格式整形后的OFDM符号发送给低轨卫星的OFDM接收机，OFDM接收机接收到整形后的OFDM符号后，对整形后的OFDM符号进行插值处理，得到插值后的OFDM符号，对插值后的OFDM符号进行傅里叶变换，得到接收符号序列；
低轨卫星的OFDM接收机对接收符号序列进行信道估计和均衡后采用改进的对数似然比计算方法和使用强纠错码进行强译码，解调出正确数据序列；
所述改进的对数似然比计算方法，包括：
其中，λ′j为表征接收序列比特值为0和1概率的对数似然比，λj_avg为LLR平均绝对值，λj_avg＝cσ2λj,c为由接收端处噪声功率决定的标准化常数，σ2为信噪比，λj为接收序列中j位数据比特的最大似然比，λk为接收序列中k位数据比特的最大似然比，n为接收序列中的数据比特数量；
低轨卫星的OFDM接收机对接收符号序列进行信道估计和均衡后采用改进的对数似然比计算方法和使用强纠错码进行强译码，包括：
S0：构建检验矩阵H，将变量节点作为校验矩阵的行，校验节点作为校验矩阵的列；低轨卫星的OFDM接收机信息初始化，根据接收符号序列ym计算初始状态下校验节点y需要传递给变量节点x的信息
S1：强纠错码校验矩阵H变量节点信息更新；
其中，为变量节点xi需要传递给校验节点yj的信息，/>为校验节点yk需要传递给变量节点xj的信息，B(j)为校验矩阵H第j列的元素集合，B(j)\i为校验矩阵H的第j列中不包括第i行的所有元素集合；
S2：强纠错码校验矩阵H校验节点信息更新；
其中，为校验节点yi需要传递给变量节点xj的信息，tanh为双曲正切函数，A(i)为校验矩阵H第i行的元素集合，A(j)\i为校验矩阵H的第i行中不包括第j列的所有元素集合，/>为变量节点xk需要传递给校验节点yi的信息；
S3：强纠错码译码判决：计算接收符号序列中当前比特的似然比若当前比特的似然比Yj>0，则接收符号序列中当前比特Xj译为1，否则当前比特Xj译为0；重复步骤S0到S3，直到满足校验表达式HXT＝0，输出正确的比特译码结果X；其中，X为接收符号中比特信息组成的一维矩阵，/>为校验节点yi需要传递给变量节点xj的信息。
2.根据权利要求1所述的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，其特征在于，功率受限终端的OFDM发射机生成带循环前缀的OFDM符号，包括：
在终端的OFDM发射机处，在频域对待发送的数据序列进行信道编码和调制后，将复符号分配给正交子载波，然后利用傅里叶反变换将正交子载波转换为时域OFDM符号，通过复制OFDM符号的末端部分并将其置于OFDM符号前生成带循环前缀OFDM符号bk。
3.根据权利要求2所述的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，其特征在于，利用傅里叶反变换将正交子载波转换为时域OFDM符号，通过复制OFDM符号的末端部分并将其置于OFDM符号前生成带循环前缀OFDM符号，包括：
bk＝CF-1xk
其中，bk为带循环前缀的OFDM符号，xk为频域的调制复符号，即子载波符号，C为插入的循环前缀矩阵，F-1为傅里叶反变换矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，其特征在于，根据系统的编码方式自适应选取裁剪的边缘信息长度，包括：
其中，Nc为自适应选取裁剪的符号边缘信息长度，N为快速傅立叶逆变换长度，m为OFDM符号中不同编码方式子载波携带的比特数，Ncp为未经裁剪整形的符号长度。
5.根据权利要求1所述的一种面向功率受限的低轨卫星终端的上行链路通信方法，其特征在于，对接收到的整形后的OFDM符号进行插值处理，得到插值后的OFDM符号，对插值后的OFDM符号进行傅里叶变换，得到接收符号序列，包括：
插值处理：
在剪裁后的OFDM符号前后各进行补入被裁剪长度为NC的零，获得插值后的OFDM符号rm；
傅里叶变换：
ym＝FDrm
其中，ym为接收符号序列，F为傅里叶变换，D为循环前缀去除矩阵，rm为插值后的OFDM符号。
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Adaptive guarg interval length for OFDM-based WLAN systems in frequency selective channels;Ali Ramadan Ali et al.;《2008 european conference on wireless technology》;全文 *
OFDM信号保护间隔的设计方案;叶奕亮;《南京邮电大学学报（自然科学版）》;全文 *
面向高速移动场景的OFDM系统信道估计综述;何世彪等;《重庆邮电大学学报(自然科学版)》;全文 *

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