融合5g nr的leo卫星多普勒频偏变化率估计方法
阅读说明：本技术 融合5g nr的leo卫星多普勒频偏变化率估计方法 (LEO satellite Doppler frequency offset change rate estimation method fused with 5G NR ) 是由 张永亮 景小荣 于 2021-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于第五代(5thGeneration,5G)通信新空口(NewRadio,NR)协议与低轨(LowEarthOrbit,LEO)卫星融合下高动态场景中的多普勒频偏变化率估计方法,属于无线通信技术领域。针对5GNR协议与LEO卫星通信系统所融合的高动态场景下存在的多普勒频偏变化率的问题,本发明基于5GNR协议,利用二阶差分方法实现对多普勒频偏变化率的估计。本发明复杂度较低同时具有良好的性能,能够很好的满足LEO卫星通信系统对于实时性的需求。(The invention relates to a Doppler frequency offset change rate estimation method in a high dynamic scene based on the fusion of a New Radio (NR) protocol of fifth generation (5G) communication and a Low Earth Orbit (LEO) satellite, belonging to the technical field of wireless communication. Aiming at the problem of Doppler frequency offset change rate in a high dynamic scene fused by a 5GNR protocol and an LEO satellite communication system, the Doppler frequency offset change rate estimation method is based on the 5GNR protocol and is realized by using a second-order difference method. The invention has low complexity and good performance, and can well meet the real-time requirement of the LEO satellite communication system.)
技术领域
：本发明属于通信技术领域，更为具体的讲，涉及一种关于多普勒变频偏化率的估计 方法。
背景技术
：5G新空口(New Radio,NR)作为当前最先进的无线移动通信规范，主要满足三大应用场景：增强型移动宽带、超可靠低时延通信以及海量机器通信。该规范凭借先进技术的引入，已成为当前最强大的陆地通信基础设施和数字管道。尽管5G NR具备特殊的射频技术，但仍无法实现全球的5G泛在覆盖，比如远海和高空等区域。卫星通信以其易于设置、组网灵活、覆盖范围广、不受环境约束等优点，已成为未来全球化通信网络的重要组成部分。在不同类型的卫星网络中，低轨(Low Earth Orbit,LEO)通信卫星因其运行在低轨道，具有传输 损耗小、通信时延短、可靠性高等优点。因此，5G NR移动通信可与LEO移动通信系统相融合，充分发挥两者的优点，从而满足全域覆盖的通信服务要求。
随着5G技术研究的深入，国际卫星通信界对3GPP的5G标准制定工作参与度也越来越高。有文献指出：LEO系统可与地面5G NR网络融合，以形成一体化的泛在网络格局， 能够为用户提供更为可靠的一致性服务体验，以降低运营商网络部署成本。然而，LEO通 信系统与5G NR移动通信系统在部署环境、信道传播特征等方面存在许多的差异，两者的 融合将面临许多挑战。一方面，5G NR仍采用的是正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)的传输方式，其系统性能对于频率偏移非常敏感，很小的频率 偏移都可能破坏子载波的正交性。另一方面，LEO卫星与地面接收之间存在高速的相对运 动，将会产生快速时变的多普勒频偏效应，其将严重影响地面终端接收性能。
针对融合5G NR的LEO卫星通信系统中，关于多普勒频偏估计的研究较少，但关 于OFDM系统中的频偏估计问题已被广泛研究。而基于OFDM系统下的多普勒频偏变化率 估计的研究尚少。有相关文献中提出了两种关于多普勒频偏变化率的算法，分别为二阶差分 算法(Second Order Difference,SOD)和最大似然(Maximum Likelihood,ML)算法。二阶差分算 法的复杂度较低但是其精度相对来说也比较差。最大似然算法的精度比较高，但是算法在求 解过程中涉及多个变量的优化且搜索的范围较大，导致复杂度很高，对于实时的LEO卫星 通信系统该算法较难实现。
在上述针对OFDM与LEO卫星通信系统融合下的研究现状分析，本专利的研究是 基于5G NR结构框架下的LEO卫星通信系统载波同步问题。本专利通过利用原本的二阶差 分算分通过对其在5G NR相关的协议进行进一步的改进，原本的二阶差分方法利用了 OFDM符号中循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的内容为数据N后面长度L的复制，利用该段重复 的数据所累积的相位差来对多普勒变化率进行估计。但由于多普勒变化率的值较小，在一个OFDM符号内所累积的相位差较小。在5G NR帧结构的协议中主同步信号(PrimarySynchronization Signal,PSS)辅同步信号(Secondary Synchronization Signal,SSS)以及物理广播 信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)(以下简称SS/PBCH块)在某个半帧(5ms)上传 输。本文通过利用SS/PBCH块中的多个主同步信号之间的间隔所累积的相位差来进行多普 勒变化率的估计，与之前二阶差分方法的相比其间隔增大的同时采样点也变多了，可以对噪 声进行平均减少噪声的影响。实际仿真中在不同信噪比下，多普勒频偏变化率的均方误差 (Mean Square Error,MSE)有较大程度的改善。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是在不需要额外的系统开支的情况下利用5G NR协议 中SS/PBCH块中的主同步信号进行多普勒频偏变化率的估计。该方法不要额外系统的开销 且复杂度较低，相比于原来的二阶差分方法保持了复杂度较低的同时性能有了较大的提升， 比较适合对实时性要求比较高的LEO卫星通信系统。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种融合5G NR的LEO卫星多普勒频偏变化率估计方法，该方法包括以下步骤：
根据3GPP 5G NR帧结构，利用SS/PBCH块中的主同步信号，结合二阶差分方法， 来实现多普勒频偏变化率估计。
根据权利要求所述的一种5G NR与LEO卫星融合下多普勒频偏变化率的估计方法，其特征在于由上述步骤中得到的SS/PBCH块在不同载波频率和不同子载波间隔下所处的位置，进而利用SS/PBCH块中的PSS结合二阶差分方法，以此来估计多普勒频偏变化率的值。在5G NR帧结构的协议中主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)辅同步信号(Secondary Synchronization Signal,SSS)以及物理广播信道(Physical BroadcastChannel,PBCH) (以下简称SS/PBCH块)。根据5G NR中定义的5种Case中SS/PBCH块的个数Lmax均为 偶数，且第i个SS/PBCH中的PSS与第Lmax/2+i个SS/PBCH块中的PSS之间距离固定。
以Case A为例，第1个SS/PBCH块中PSS所在时域上的位置为所在半帧的第2个OFDM符号上，第3个SS/PBCH块中PSS所在时域上的位置为所在半帧的第16个OFDM 符号上，两个PSS间隔为14个OFDM符号；第2个SS/PBCH块中PSS所在时域上的位置 为所在半帧的第8个OFDM符号上，第4个SS/PBCH块中PSS所在时域上位置为所在半 帧的22个OFDM符号上，两个主同步信号的间隔为14个OFDM符号。其它4个Case中 的对应SS/PBCH块中对应PSS间距和Case A类似。由于在半个帧内对用户所提供服务的基 站是保持不变的，相应的半帧内多个SS/PBCH块中的PSS取值是相同的。于是，可采用二 阶差分方法，来对多普勒频偏变化率进行估计。
其中r(k)表示接收端接收得到的PSS，s(k)表示发送端发送的PSS，ε为多普勒频偏，γ为多普勒频偏变化率，θ0表示初始相位，nk为高斯噪声，N表示采样点数。采样频 率为fs，两个对应的PSS之间的时间间隔为T，则对应的两个PSS之间的采样距离 D＝fs·T。则另一个对应同步块中PSS的表达式为：
上式中rk+D表示对应的接收端接收到的PSS，s(k+D)表示发送端发送的PSS，ε为 多普勒频偏，γ为多普勒频偏变化率，θ0表示初始相位，nk+D为高斯噪声。利用将[0012 和[0014]进行差分运算。
相似的，利用采样点k+1与k+D+1进行相关，进而得到如下表达式：
将上式[0016]和[0018]式进行自相关运算对多普勒频偏变化率γ进行估计：
再对上式进行幅角运算，可以得到多普勒频偏变化率的估计值：
多普勒频偏变化率的估计范围为其中N为PSS的采样点数，D表示 对应PSS采样点之间的间隔，其受子载波间隔的影响，进行幅角运算时arg函数的取值范围为(-π,π]。SS/PBCH块在半帧内成对存在，将对应的PSS中所有的采样点进行累加运算，以 此来减少噪声对于估计值的干扰，具体表达为：
图1为摘要附图，表示该专利实现的具体流程；
图2为一个完整的OFDM符号；
图3为一个完整的SS/PBCH块；
图4为子载波间隔为15KHz时不同载波频率下的同步块的位置；
图5为子载波间隔为30KHz时不同载波频率下的同步块的位置；
图6为子载波间隔为30KHz时不同载波频率下的同步块的位置；
图7为以Case A中载波频率小于或等于3GHz的情况来进行具体方法的展示。
具体实施方式
下面将结合附图，对本专利的实施流程作进一步详细说明。
本发明的主要目的是在不需要额外的系统开支的情况下，利用SS/PBCH块中的PSS进行多普勒频偏变化率的估计，该方法不要额外系统开销且复杂度较低，相比于原来的二阶 差分方法保持性能有了很大的提升，比较适合对实时性要求比较高的LEO卫星通信系统。 同时为了对原本二阶差分方法有一个更清晰的认识，首先给出原本的二阶差分方法的具体流 程和原理，同时并指出原本二阶差分方法的不足之处。
以下为原本二阶差分方法的具体流程和原理，同时指出该方法的优缺点，帮助我们 对本专利所提方法有个更加清晰的认识。图2中包含CP的OFDM结构示意图，其中OFDM 的长度为L，数据部分的长度为N，CP的内容为OFDM符号数据的复制。其中OFDM系 统接收端接收到的信号用如下形式表示：
其中rk表示接收信号，sk表示发射信号，ε0表示多普勒频偏值，α表示多普勒频 偏变化率的值，θ0表示初始相位偏移大小，nk表示噪声。
由于在OFDM系统中CP与OFDM部分数据之间的内容相同，因此其采样点之间 具有相关性，根据这个相关性，可以得到以下表达式：
其中k∈[0,L-1]
将上式OFDM系统接收端接收的信号且忽略噪声的干扰，带入到上式中，可以将 相关函数转化为以下形式：
以同样的方式，将第k+1与k+N+1采样点的自相关函数可以表示如下形式：
为了得到多普勒变化率α的估计值，将相关函数Pcorr(k)与Pcorr(k+1)进行共轭相乘得到以下表达式：
对上式进行幅角运算可以得到多普勒频偏变化率估计的估计值α：
利用CP中的四个采样点就可以实现二阶差分方法，进而对多普勒频偏变化率的估计。同时为了更好的消除噪声的干扰，需要增加采样点的个数来对噪声进行平均，将所有的P’corr进行累加，得到更加准确多普勒频偏变化率α的估计值为：
以上就是对多普勒频偏变化率进行估计的二阶差分方法。二阶差分方法的复杂度较 低且较容易实现，然而在对多普勒频偏变化率的估计中我们需要考虑到多径信道传输问题。 多径信道的时延会导致上一个数据符号“污染”下一个数据符号的CP。假定等效基带信号 的最大多径时延为H(其中H的长度小于循环前缀L的长度)，即CP的前H个数据中有多径干扰，导致多普勒频偏变化率的均方误差会升高。
以上对原本二阶差分方法进行了叙述和概括。接下来根据权利要求1所述的一种融 合5G NR的LEO卫星多普勒频偏变化率估计方法，其特征在于引入5G NR的帧结构，并 详细介绍不同频段和不同子载波带宽下SS/PBCH块的个数和其在时域上所处的位置。由于 本专利所提出的方法需要利用SS/PBCH块中的主同步信号，因此需引用部分3GPP协议以 得到不同频段和不同子载波带宽下SS/PBCH块的个数，为接下来的算法做出铺垫。在5G NR 中每个SS/PBCH块在频域上由240个连续的子载波组成，子载波在SS/PBCH块内按照升序 0到239进行编号，在时域上由4个OFDM符号组成，OFDM符号在SS/PBCH块内按照升 序0到3进行编号，SS/PBCH块的结构如图3所示。5G NR的SS/PBCH块的周期是可变的， 可以配置为5、10、20、40、80和160ms，每个周期内，SS/PBCH块只在某个半帧(5ms) 上传输。根据SS/PBCH块的子载波间隔的不同，候选SS/PBCH块的时间位置有A、B、C、 D、E五种Case。
Case A：SS/PBCH块的子载波间隔为15KHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM 符号位置指示是{2,8}+14×n，对于载波频率小于或等于3GHz，n＝0,1，SS/PHCH块在 某个半帧的子帧0,1上传输，共有4个候选位置(Lmax＝4)；对于载波频率大于3GHz且 小于或等于6GHz，n＝0,1，2,3，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0,1,2,3上传输，共有8个 候选位置(Lmax＝8)。Case A如图4所示。
Case B：SS/PBCH块的子载波间隔为30KHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM 符号位置指示是{4,8,16,20}+28×n，对于载波频率小于或等于3GHz，n＝0，SS/PHCH 块在某个半帧的子帧0上传输，共有4个候选位置(Lmax＝4)；对于载波频率大于3GHz 且小于或等于6GHz，n＝0,1，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0,1,2,3上传输，共有8个候 选位置(Lmax＝8)。Case B如图5所示。
Case C：SS/PBCH块的子载波间隔为30KHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM 符号位置指示是{2,8}+14×n，对于载波频率小于或等于3GHz，n＝0,1，SS/PHCH块在 某个半帧的子帧0上传输，共有4个候选位置(Lmax＝4)；对于载波频率大于3GHz且小 于或等于6GHz，n＝0,1,2,3，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0,1上传输，共有8个候选位 置(Lmax＝8)。Case C如图6所示。
Case D：SS/PBCH块的子载波间隔为120KHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM 符号位置指示是{4,8,16,20}+28×n，对于载波频率大于6GHz， n＝0,1,2,3,5,6,7,8,10,11,12,13,15,16,17,18，SS/PHCH块在某个半帧的子帧0，1,2,3上 传输，共有64个候选位置(Lmax＝64)。
CaseE：SS/PBCH块的子载波间隔为120KHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM 符号位置指示是{8,,12,16,20,32,36,40,44}+56×n，对于载波频率大于6GHz， n＝0,1,2,3,5,6,7,8,10,11,12,13,15,16,17,18，SS/PHCH块在某个半帧的子帧0，1,2上传 输，共有64个候选位置(Lmax＝64)。
以上分别阐述了在不同载波频率和不同子载波带宽下的SS/PBCH块的个数和其所在的位置，为接下来引入新的二阶差分方法做出铺垫。
根据权利要求1所述的一种5G NR与LEO卫星融合下多普勒频偏变化率的估计方法，其特征在于利用上述步骤中得到的关于SS/PBCH在不同载波频率和不同子载波间隔下所处的位置，利用对应SS/PBCH块中的主同步信号来完成二阶差分方法。
以Case A为例，第1个SS/PBCH块中主同步信号所在时域上的位置为所在半帧的第2个OFDM符号上，第3个SS/PBCH块中主同步信号所在时域上的位置为所在半帧的第 16个OFDM符号上，两个主同步的间隔为14个OFDM符号；第2个SS/PBCH块中的主同 步信号所在时域上的位置为所在半帧的第8个OFDM符号上，第4个SS/PBCH块中的主同 步信号所在时域上的位置为所在半帧的22个OFDM符号上，两个主同步信号的间隔同样为 14个OFDM符号。其它4个Case中的主同步信号之间的距离同样如此。在半个帧内对用 户所提供服务的基站是保持不变的，相应的，半帧内多个SSB中的主同步信号取值是相同 的。由此可通过对应的主同步信号进行二阶差分相乘，来对多普勒频偏变化率进行估计。关 于多普勒变化率的模型的表达式：
其中，r(k)表示接收端接收得到的PSS，s(k)表示发送端发送的PSS，ε为多普勒 频偏，γ为多普勒频偏变化率，θ0表示初始相位，nk为高斯噪声。采样频率为fs，两个对 应的PSS之间的时间间隔为T，则对应的两个PSS之间的采样距离D＝fs·T。则另一个对 应的PSS的表达式为：
上式中rk+D表示对应的接收端接收到的PSS，s(k+D)表示发送端发送的PSS，ε为 多普勒频偏，γ为多普勒频偏变化率，θ0表示初始相位，nk+D为高斯噪声。利用原本二阶 差分方法将[0060]和[0062]进行相关运算：
相似的，利用采样点k+1与k+D+1进行相关可以得到如下表达式：
将上面两式进行相关运算来估计多普勒频偏变化率γ：
再对[0068]式进行幅角运算，可以得到多普勒频偏变化率的估计值：
多普勒频偏变化率的估计范围为其中N为一个PSS的采样点数，D表示对应的PSS采样点之间的间隔，其受子载波间隔和载波频段的影响，进行幅角运算时arg函数的取值范围为(-π,π]。SS/PBCH块在半帧内成对存在，将对应PSS中所有的采样点进 行累加运算，以此来减少噪声对于估计值的干扰，具体表达为：
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