阅读说明：本技术 低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法 (Low earth orbit satellite multi-carrier communication system downlink carrier frequency offset estimation and compensation method ) 是由 张毅 刘田 袁田 谢伟 夏斌 徐元浩 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法,属于卫星通信领域。本发明具体方法为(1)信关站基于星历对下行公共多普勒载波频偏进行估计,并使用下行公共多普勒载波频偏估计值对下行发射信号进行预补偿；(2)用户终端利用下行同步信号或参考信号对下行残余载波频偏进行估计,并使用下行残余载波频偏估计值对下行接收信号进行补偿。利用本发明方法,系统可在用户终端无星历,仅信关站有星历的情况下,以较低的实现复杂度估计并补偿下行链路载波频偏,满足低轨卫星大多普勒载波频偏下多载波通信的解调要求。(the invention discloses a method for estimating and compensating downlink carrier frequency offset of a low-orbit satellite multi-carrier communication system, belonging to the field of satellite communication. Estimating downlink common Doppler carrier frequency offset by a gateway station based on ephemeris, and pre-compensating a downlink transmitting signal by using the downlink common Doppler carrier frequency offset estimation value; (2) the user terminal estimates the downlink residual carrier frequency offset by using the downlink synchronous signal or the reference signal, and compensates the downlink receiving signal by using the downlink residual carrier frequency offset estimation value. By using the method of the invention, the system can estimate and compensate the carrier frequency offset of the downlink with lower realization complexity under the condition that the user terminal has no ephemeris and only the gateway station has the ephemeris, thereby meeting the demodulation requirement of multi-carrier communication under the large Doppler carrier frequency offset of the low-orbit satellite.)

低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及到一种低轨卫星多载波通信中下行链路载波频偏估计与补偿方法。

技术背景

随着通信需求的发展，为了满足无基站覆盖的偏远地区的高速数据传输需求，在未来移动通信中，通过低轨卫星实现对于偏远地区的通信覆盖成为了一个重要课题。一种典型的低轨卫星通信系统如图1所示，该系统组成部分包括：(1)信关站，(2)卫星，(3)用户终端。其中(2)卫星只负责透明转发，即只对接收信号做移频转发处理，不做信号的调制与解调。信关站与卫星之间的链路为(4)馈电链路。用户终端与卫星之间的链路为(5)用户链路。其中，用户终端位于卫星的用户波束内。这里，将由信关站发射，经卫星转发，由用户终端接收的传输链路(信关站->卫星->用户终端)称作下行链路，将由用户终端发射，经卫星转发，由信关站接收的传输链路(用户终端->卫星->信关站)称作上行链路。

使用低轨卫星的通信技术有着低时延，高信噪比的特点，结合多载波技术如OFDM、DFT-S-OFDM、MC-DS-CDMA等，能很好地满足偏远地区的高速通信需求。然而对于低轨卫星来说，由于低轨卫星运动速度较快，在高频段下，多普勒效应十分显著，会引起系统中严重的载波频偏。

载波频偏指的是发送机和接收机之间的载波频率偏差。由于多载波通信系统在解调时，为了能够正确地解调出每一路数据，必须保证子载波之间保持非常好的正交性。当发送和接收端之间存在较大载波频偏时，会导致子载波的偏移，接收端各个子载波间的正交性被破坏，造成严重的子载波干扰，使得解调性能迅速恶化。对于飞行高度在1200km的低轨卫星，工作在Ka频段时，其多普勒载波频偏典型值大于600kHz，远大于常见多载波系统的子载波间隔，这种情况下，系统将无法正确解调。所以，为保证系统的有效工作，采取频偏估计与补偿技术减少载波频偏，对低轨卫星多载波通信系统是十分必要的。

低轨卫星通信系统的载波频偏由两部分构成，一是发送机和接收机之间相对运动导致的多普勒频偏，二是发送机与接收机的晶振之间的频率差导致的频偏。其中晶振导致的频偏与晶振的制作精度有关，是系统中固有的频偏，对于卫星通信系统，其频偏大小一般远小于多普勒效应引起的载波频偏。

传统的多载波体制下，一般由用户终端基于接收信号进行下行链路频偏估计，并基于下行频偏估计值换算上行频偏值，用来分别校正上下行信号之中的频偏。但在低轨卫星通信系统中，大多普勒情况下，基于接收信号的下行链路载波频偏估计将大大增加终端实现复杂度。同时，由于有卫星参与转发，低轨卫星通信系统的传输链路由馈电链路和用户链路两部分组成，馈电链路和用户链路使用不同的载波频率。基于接收信号的下行链路频偏估计方法无法分离馈电链路和用户链路引入的频偏，若直接使用该下行频偏估计值作为终端发射信号时的频偏补偿值，将给上行链路引入额外的补偿误差。

一种解决方案是依靠卫星星历来补偿卫星移动造成的大多普勒频偏，信关站和用户终端分别基于星历和自身位置计算馈电链路和用户链路多普勒频偏。然而，用户终端获取实时星历并不容易，当用户终端无法获取星历或无实时星历时，该解决方案依然存在问题。

因此，为了解决低轨卫星多载波通信系统，下行链路载波频偏估计与补偿面临的实现复杂度高、引入额外上行补偿误差、用户终端依赖星历等问题，有必要提出一种适应低轨卫星多载波通信场景下，用户终端不依赖星历的新型下行链路载波频偏估计与补偿方法。

发明内容

为了解决低轨卫星多载波通信系统，下行链路载波频偏估计与补偿面临的实现复杂度高、引入额外上行补偿误差、用户终端依赖星历等问题，本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法。

本发明首先采用信关站基于星历对下行公共多普勒载波频偏进行估计，并使用下行公共多普勒载波频偏估计值对下行发射信号进行预补偿；然后用户终端利用下行同步信号或参考信号对下行残余载波频偏进行估计，并使用下行残余载波频偏估计值对下行接收信号进行补偿。

因而本发明技术方案为低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法，该方法包括：

步骤1：下行公共多普勒载波频偏由下行馈电链路多普勒载波频偏和下行用户链路公共多普勒载波频偏两部分组成；信关站根据星历信息、信关站的位置和下行馈电链路载波频率，计算下行馈电链路多普勒载波频偏；选择波束覆盖中心位置为小区参考点，该位置由卫星位置和卫星波束指向唯一确定；当用户终端位于小区参考点时，下行用户链路引入的多普勒载波频偏定义为下行用户链路公共多普勒载波频偏；信关站根据星历信息、小区参考点位置和下行用户链路载波频率，计算出下行用户链路公共多普勒载波频偏；信关站使用下行公共多普勒载波频偏估计值对下行发射信号进行预补偿；

步骤2：下行残余载波频偏由用户终端与小区参考点之间的多普勒载波频偏差、晶振频偏以及步骤1预补偿误差组成；接收端将接收到的下行同步信号或参考信号与本地产生的同步信号或参考信号进行联合处理，利用信号的相关特性，实现下行残余载波频偏的估计；用户终端根据下行残余载波频偏的估计值在接收信号时对下行残余频偏进行补偿。

进一步的，所述步骤1中下行馈电链路多普勒载波频偏f_{feeder，downlink}的计算为：

其中，为下行馈电链路载波频率，是卫星与信关站的连线方向，是卫星的速度矢量，c为光速；

下行用户链路公共多普勒载波频偏f_{user，downlink}的计算为：

其中，为下行用户链路载波频率，是卫星与用户终端的连线方向，是卫星的速度矢量，c为光速；

下行公共多普勒载波频偏估计值为：

f_common，_downlink＝f_{feeder，downlink}+f_{user，downlink}。

进一步的，所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1：令z+∈表示相对频偏，定义为频偏与子载波间隔Δf之间的比值,z为频偏的整数部分，称为整数倍频偏，∈为频偏的小数部分，称为小数倍频偏；当存在z+∈的相对频偏时，发射端的同步信号或参考信号序列x(n)，在接收端接收后表示为

其中，N表示采样点数，n为采样的序号，w(n)表示噪声；

步骤2.2：用户终端本地产生一个频域上的同步信号序列副本X(k)，再将其变换到时域上，记为x(n)，与r(n)进行互相关运算，计算得出残余的相对小数倍频偏大小为：

式中，(·)^*表示取信号的共轭；

步骤2.3：对接收信号进行大小为的小数倍频偏补偿，再将接收信号做FFT变换到频域上进行整数倍频偏估计，记第k个子载波上的频域接收信号为R(k)。当同步信号采用m序列时，整数倍频偏大小利用m序列的性质做滑动相关运算，得到整数倍频偏大小为：

步骤2.4：补偿信号的整数倍频偏

本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法，相对于现技术具有以下的有益效果：

本发明中，由于信关站基于星历对下行公共多普勒载波频偏补偿后，用户终端仅需补偿下行残余载波频偏，减小了下行用户终端频偏估计的范围，从而降低了用户终端频偏估计模块的实现复杂度；由于信关站基于星历对下行公共多普勒载波频偏补偿后，用户终端接收信号不再含有馈电链路引入的多普勒频偏，实现了馈电链路和用户链路多普勒频偏的分离，换算出的上行频偏估计值更准确；本发明适用于用户终端不能依靠星历计算自身相对卫星多普勒载波频偏的场景。

附图说明

图1是本发明低轨卫星多载波通信系统构成示意图

图2是本发明低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏补偿流程示意图

图3是本发明馈电链路多普勒载波频偏计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对发明进一步说明。

本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路载波频偏估计与补偿方法。本发明所适用的低轨卫星多载波通信系统如图1所示，该系统组成部分包括：(1)信关站，(2)卫星，(3)用户终端。其中(2)卫星只负责透明转发，即只对接收信号做移频转发处理，不做信号的调制与解调。信关站与卫星之间的链路为(4)馈电链路。用户终端与卫星之间的链路为(5)用户链路。其中，用户终端位于卫星的用户波束内。这里，将由信关站发射，经卫星转发，由用户终端接收的传输链路(信关站->卫星->用户终端)称作下行链路，将由用户终端发射，经卫星转发，由信关站接收的传输链路(用户终端->卫星->信关站)称作上行链路。

参阅图2，下行链路载波频偏估计与补偿方法的具体实例如下：

步骤1:信关站基于星历对下行公共多普勒载波频偏进行估计，并使用下行公共多普勒载波频偏估计值对下行发射信号进行预补偿。具体地，信关站根据星历信息、信关站的位置和下行馈电链路载波频率，计算下行馈电链路多普勒载波频偏。参阅图3，下行馈电链路多普勒载波频偏f_{feeder，downlink}的计算为：

其中，为下行馈电链路载波频率，是卫星与信关站的连线方向，是卫星的速度矢量，c为光速；

选择波束覆盖中心位置为小区参考点，该位置由卫星位置和卫星波束指向唯一确定；当用户终端位于小区参考点时，下行用户链路引入的多普勒载波频偏定义为下行用户链路公共多普勒载波频偏；信关站根据星历信息、小区参考点位置和下行用户链路载波频率，计算出下行用户链路公共多普勒载波频偏；参阅图3，下行用户链路公共多普勒载波频偏f_{user，downlink}的计算为：

其中，为下行用户链路载波频率，是卫星与用户终端的连线方向，是卫星的速度矢量，c为光速；

计算下行公共多普勒载波频偏估计值为：

f_common，_downlink＝f_{feeder，downlink}+f_{user，downlink}，信关站使用下行公共多普勒载波频偏估计值对下行发射信号进行预补偿。

步骤2:用户终端利用下行同步信号或参考信号对下行残余载波频偏进行估计，并使用下行残余载波频偏估计值对下行接收信号进行补偿。具体地，用户终端接收到的经过预补偿后的信号仍存在残余载波频偏。残余载波频偏包含了用户终端与小区参考点之间的多普勒载波频偏差、晶振频偏以及步骤1预补偿误差。用户终端利用下行同步信号进行残余载波频偏估计。令z+∈表示相对频偏，定义为频偏与子载波间隔Δf之间的比值,z为频偏的整数部分，称为倍频偏，∈为频偏的小数部分，称为小数倍频偏。当存在z+∈的相对频偏时，发射端的同步信号或参考信号序列x(n)，在接收端接收后表示为

其中，N表示采样点数，n为采样的序号，w(n)表示噪声。用户终端本地产生一个频域上的同步信号序列副本X(k)，再将其变换到时域上，记为x(n)，与r(n)进行互相关运算。计算得出残余的相对小数倍频偏大小为：

式中，(·)^*表示取信号的共轭。接收端对接收信号进行大小为的小数倍频偏补偿，再将接收信号做FFT变换到频域上进一步进行整数倍频偏估计。

记第k个子载波上的频域接收信号为R(k)。当同步信号采用m序列时，整数倍频偏大小利用m序列的性质做滑动相关运算，得到整数倍频偏大小为：

接收端根据上述整数载波频偏估计结果补偿接收信号的整数倍频偏。

以下结合流程给出本发明的具体实施例：

卫星飞行高度1175km，卫星飞行速度为7.2km/s，下行用户链路载波频率为20GHz，下行馈电链路的载波频率为40GHz；信关站对卫星的仰角为5°，卫星波束的宽度为3°，小区参考点与卫星的最大仰角为30°，用户终端位于小区边缘。真实的下行馈电链路多普勒载波频偏为1040kHz，下行用户链路公共部分多普勒载波频偏为350kHz，用户终端与小区参考点之间的多普勒载波频偏差为-10kHz，则总的下行链路多普勒载波频偏为1380kHz。

根据步骤1，基于星历计算下行公共多普勒载波频偏，典型计算误差为1kHz。

根据步骤2，用户终端利用下行同步信号或参考信号对下行残余载波频偏进行估计。需要估计的下行残余载波频偏为11kHz＝用户终端与小区参考点之间的多普勒载波频偏差(-10kHz)+典型的晶振频偏(20kHz)+步骤1预补偿误差(1kHz)。

对于传统无预补偿的下行链路载波频偏估计与补偿方法，用户终端接收时需要估计的载波频偏值为1400kHz＝总的下行链路多普勒载波频偏(1380kHz)+典型的晶振频偏(20kHz)，远大于上述步骤2中需要估计的载波频偏。可见本方法有效地降低了用户终端接收时需要估计的载波频偏范围，降低了载波频偏的估计难度，从而降低了用户终端频偏估计模块的实现复杂度。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。