CN117156540A - 一种卫星5g终端初始同步的方法 - Google Patents

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蒋扬
刘益
周杨
秦剑
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Abstract

本发明公开了一种卫星5G终端初始同步的方法，包括：利用卫星5G终端接收来自低轨卫星发射的无线信号，并对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样处理；生成卫星5G终端的3组主同步序列的频域信号，并分别将其做反傅里叶变换，得到3组主同步序列的时域信号；将生成的3组主同步序列的时域信号乘以整数倍频偏的补偿值，并分别与3组主同步信号进行相关，得到15组待相关的序列；将15组待相关的序列分为M段，进行分段互相关运算；求取步骤S4中得到的分段互相关的峰值，获得主同步位置以及小区组内ID号。通过本发明，解决了现有低轨卫星移动通信系统初始同步方法在较大频偏时检测性能差的问题。

Description

一种卫星5G终端初始同步的方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星5G终端初始同步的方法。
背景技术
卫星通信定义为以卫星作为中继站进行无线电波发射或转发的一种通信方式，能够实现两个或多个地面站/手持终端以及航天器和地面站之间的通信。相较于传统地面通信，卫星通信能够以较低的开销实现较广的无缝覆盖，同时地理环境不对其产生约束。并且可使用的频谱资源十分丰富，载波频段可从甚高频(VeryHighFrequency，VHF)到Ka频段，正往更高的频段发展。除此之外，卫星通信在岛屿、沙漠等低业务地区，船舶、飞机等地面网络难以覆盖区域得到了普遍的应用。其提供的移动通信服务具有跨度大、距离远、机动性强、通信方式灵活等优点，是蜂窝移动通信的必要补充和延伸。按照卫星的通信轨道可分为静止轨道卫星和非静止轨道卫星。静止轨道卫星高度为35786km。非静止轨道卫星又可分为低轨、中轨和高轨卫星。低轨卫星高度一般在500-3000km，中轨卫星高度在3000-10000km，高轨卫星属于椭圆轨道，其距离地球表面最近点为10000-21000km，最远点为39500-50600km。
近期，基于5G技术的卫星通信新技术的迅速发展和通信商业市场需求的不断增长，极大地促进了卫星通信业务和通信模式的创新发展，使当前成为卫星通信历史上最活跃的时期之一。而卫星在通信的过程当中，同步技术是其中非常重要的技术。一般来说数字通信系统要实现多种同步功能才能实现正确的数据通信任务。 其技术目标是实现不同地域收发双方的同步通信互联，实现一致的信息数据交换，因此，通信系统是否能够完全的实现数据的同步交换成为了衡量通信质量的重要因素，如果通信系统没有实现同步，将会导致系统的瘫痪，影响通信的效果。
传统的卫星初始同步采用基于本地PSS和接收时域信号的滑动互相关，该方法的不足之处在于：
1. 无法在低SNR （-8dB）情况下达到检测性能的要求；
2. 对于频偏的鲁棒性较差，仅可以在归一化频偏0.3以内有好的频偏纠正性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种卫星5G终端初始同步的方法，用以解决现有低轨卫星移动通信系统初始同步方法在较大频偏时检测性能差的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明所提供的一种卫星5G终端初始同步的方法，包括：
步骤S1、利用卫星5G终端接收来自低轨卫星发射的无线信号，并对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样处理；
步骤S2、生成卫星5G终端的3组主同步序列的频域信号，并分别将其做反傅里叶变换，得到3组主同步序列的时域信号；
步骤S3、将生成的3组主同步序列的时域信号分别乘以5组整数倍频偏的补偿值，并分别与接收的主同步序列的时域信号进行相关，得到15组待相关的序列；
步骤S4、将15组待相关的序列分为M段，进行分段互相关运算；
步骤S5、求取步骤S4中得到的分段互相关的峰值，获得主同步位置以及小区组内ID号。
具体的，步骤S1中，对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样得到的信号为，/>，其中/>为降采样后序列长度。
具体的，步骤S2包括：
步骤S21、生成本地长度为127的频域PSS序列，放进序号为57~183的240个子载波中，对其前后各加8个0，得到长度为256的符号，其中/>为小区组内ID标识；
步骤S22、将经过/>点的IFFT变换得到时域PSS信号，变换后得到主同步序列的时域信号，变换公式表示为：
通过以上公式计算得到3组主同步序列的时域信号。
具体的，步骤S3包括：
步骤S31、对经过频谱搬移、低通滤波和降采样处理后的信号进行预频偏纠正，得到如下信号：
其中（/>）为预均衡后的信号，共有5组；
步骤S32、从起始位置开始，每次依次从/>取出长度为/>的信号/>，，其中/>为取出信号/>在/>中的起始位置，；
步骤S33、分别取出5组预均衡信号与本地生成的三组时域主同步序列相乘，得到15组待相关的序列：
其中，为待相关的序列，/>，/>，共有15组待相关序列，/>表示求取共轭值。
具体的，步骤S4包括：
步骤S41、将15组待相关序列分为/>段，且满足/>以及每段序列的长度/>为正整数；
步骤S41、将分组后的待相关序列进行互相关运算，互相关公式为：
其中为分段互相关矩阵，为一个三维矩阵，尺寸为/>。
具体的，步骤S5包括：
通过以下公式对分段互相关矩阵求取最大值：
通过求取最大值，得到整数倍频偏、小区组内ID值/>和粗定位/>。
本发明至少取得了以下有益效果：
1. 使用预均衡方法进行频偏估计，能够提高频偏估计的结果的准确性，保证纠正后的初始同步信号能够进行后续有效处理，从而解决现有低轨卫星移动通信系统场景存在较大频偏情况下难估计、估计精度较低的问题。
2. 使用多个预均衡后的PSS信号与接收信号进行滑动互相关，能够提高地面终端的检测效率，从而解决现有低轨卫星移动通信系统中存在的主同步序列检测效果较低的问题。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例中一种卫星5G终端初始同步的方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中一种卫星5G终端初始同步的信号处理步骤流程图；
图3为本发明实施例中同步正确概率随载波频率偏移变化的对比仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的一种卫星5G终端初始同步的方法，参照图1和图2，包括：
步骤S1、利用卫星5G终端接收来自低轨卫星发射的无线信号，并对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样处理；
步骤S2、生成卫星5G终端的3组主同步序列的频域信号，并分别将其做反傅里叶变换，得到3组主同步序列的时域信号；
步骤S3、将生成的3组主同步序列的时域信号分别乘以5组整数倍频偏的补偿值，并分别与接收的主同步序列的时域信号进行相关，得到15组待相关的序列；
步骤S4、将15组待相关的序列分为M段，进行分段互相关运算；
步骤S5、求取步骤S4中得到的分段互相关的峰值，获得主同步位置以及小区组内ID号。
上述技术方案的技术原理和有益效果为：通过使用预均衡方法进行频偏估计，能够提高频偏估计的结果的准确性，保证纠正后的初始同步信号能够进行后续有效处理，从而解决现有低轨卫星移动通信系统场景存在较大频偏情况下难估计、估计精度较低的问题。本发明使用多个预均衡后的PSS信号与接收信号进行滑动互相关，能够提高地面终端的检测效率，从而解决现有低轨卫星移动通信系统中存在的主同步序列检测效果较低的问题。
在一个具体实施例中，步骤S1中，对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样得到的信号为，/>，其中/>为降采样后序列长度。
在一个具体实施例中，步骤S2包括：
步骤S21、生成本地长度为127的频域PSS序列，放进序号为57~183的240个子载波中，对其前后各加8个0，得到长度为256的符号，其中/>为小区组内ID标识；
步骤S22、将经过/>点的IFFT变换得到时域PSS信号，变换后得到主同步序列的时域信号，变换公式表示为：
通过以上公式计算得到3组主同步序列的时域信号。
在一个具体实施例中，步骤S3包括：
步骤S31、对经过频谱搬移、低通滤波和降采样处理后的信号进行预频偏纠正，得到如下信号：
其中（/>）为预均衡后的信号，共有5组；
步骤S32、从起始位置开始，每次依次从/>取出长度为/>的信号/>，，其中/>为取出信号/>在/>中的起始位置，；
步骤S33、分别取出5组预均衡信号与本地生成的三组时域主同步序列相乘，得到15组待相关的序列：
其中，为待相关的序列，/>，/>，共有15组待相关序列，/>表示求取共轭值。
在一个具体实施例中，步骤S4包括：
步骤S41、将15组待相关序列分为/>段，且满足/>以及每段序列的长度/>为正整数；
步骤S41、将分组后的待相关序列进行互相关运算，互相关公式为：
其中为分段互相关矩阵，为一个三维矩阵，尺寸为/>。
在一个具体实施例中，步骤S5包括：
通过以下公式对分段互相关矩阵求取最大值：
通过求取最大值，得到整数倍频偏、小区组内ID值/>和粗定位/>。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：参照图3，采用预补尝（M=4）算法和使用互相关做粗定位相比，预补尝算法可以在归一化频偏4以内保持正确概率为0.9以上，而传统互相关算法则抗频偏能力较弱，仅能在归一化频偏0.3以内有好的时间定位效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种卫星5G终端初始同步的方法，其特征在于，包括：
步骤S1、利用卫星5G终端接收来自低轨卫星发射的无线信号，并对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样处理；
步骤S2、生成卫星5G终端的3组主同步序列的频域信号，并分别将其做反傅里叶变换，得到3组主同步序列的时域信号；
步骤S3、将生成的3组主同步序列的时域信号分别乘以5组整数倍频偏的补偿值，并分别与接收的主同步序列的时域信号进行相关，得到15组待相关的序列；
步骤S4、将15组待相关的序列分为M段，进行分段互相关运算；
步骤S5、求取步骤S4中得到的分段互相关的峰值，获得主同步位置以及小区组内ID号。
2.根据权利要求1所述的一种卫星5G终端初始同步的方法，其特征在于，所述步骤S1中，对接收到的信号进行频谱搬移、低通滤波和降采样得到的信号为y(n)，1≤n≤Ly，其中Ly为降采样后序列长度。
3.根据权利要求1所述的一种卫星5G终端初始同步的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21、生成本地长度为127的频域PSS序列，放进序号为57～183的240个子载波中，对其前后各加8个0，得到长度为256的符号其中i＝0,1,2为小区组内ID标识；
步骤S22、将经过N点的IFFT变换得到时域PSS信号，变换后得到主同步序列的时域信号，变换公式表示为：
通过以上公式计算得到3组主同步序列的时域信号。
4.根据权利要求1所述的一种卫星5G终端初始同步的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31、对经过频谱搬移、低通滤波和降采样处理后的信号进行预频偏纠正，得到如下信号：
其中（/>）为预均衡后的信号，共有5组；
步骤S32、从起始位置开始，每次依次从/>取出长度为/>的信号/>，，其中/>为取出信号/>在/>中的起始位置，；
步骤S33、分别取出5组预均衡信号与本地生成的三组时域主同步序列/>相乘，得到15组待相关的序列：
其中，为待相关的序列，/>，/>，共有15组待相关序列，/>表示求取共轭值。
5.根据权利要求1所述的一种卫星5G终端初始同步的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S41、将15组待相关序列Zk,i(n)分为M段，且满足1≤M＜N以及每段序列的长度为正整数；
步骤S41、将分组后的待相关序列Zk,i(n)进行互相关运算，互相关公式为：
其中Ck,i(n)为分段互相关矩阵，为一个三维矩阵，尺寸为5×3×(Ly-N+1)。
6.根据权利要求1所述的一种卫星5G终端初始同步的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
通过以下公式对分段互相关矩阵求取最大值：
通过求取最大值，得到整数倍频偏小区组内ID值/>和粗定位/>
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