一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，该方法使用单一导频即可估计出频偏值与时延值，能够及时对用户信号进行校正，而不必等待多个导频；同时，该方法可以一步地同时估计出时延与频偏值，一次计算即可估计出两个量，比两步估计的方法更为简单；再次，该方法将频偏分为整数倍频偏和小数倍频偏两步估计，没有频偏估计范围的限制，频偏估计范围不受导频在时域上分配间隔的限制。最后，该方法定时与小数倍频偏估计共同进行，避免了传统ZC序列定时受整数倍频偏影响的问题。

A joint estimation method against large frequency offset and large time delay of Leo broadband satellite system

【技术实现步骤摘要】
一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法
本专利技术涉及卫星通信领域，具体涉及一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法。
技术介绍
OFDM是一种宽带通信中普遍采用的技术，OFDM利用大量的子载波来承载数据，将不同的子载波分配给不同用户，用户间的子载波保持正交，以实现多址接入。当前，低轨宽带卫星系统多采用OFDM技术实现多用户接入，多个用户被分配到不同的子载波集上，各自信号单独OFDM调制，经过卫星信道后发送给基站，基站侧接收到的是多个用户信号的时频叠加。由于低轨卫星相对于地面的移动速度较高，用户信号到达基站存在较大的多普勒频偏，多用户各自不同的频偏将导致接收端子载波的正交性遭到破坏，产生载波间干扰(ICI)，从而严重影响系统性能。因此基站需要能够分别估计多用户的频偏，并进行补偿，如果频偏比较严重，更需要通知用户调整。低轨宽带卫星OFDM系统与地面OFDM系统的另外一个不区别是：卫星系统中的信号延迟较大，而上行多用户OFDM信号能够成功解调的前提是多个用户的信号到达基站的时间延迟均不能超过循环前缀(CP)长度，否则超出CP长度的信号会造成符号间干扰(ISI)。为避免ISI，CP的长度要保证大于多径的时延，而传播导致的时延不会被考虑在CP范围之内，否则会导致CP长度过长，物理资源浪费严重。但是，低轨卫星系统的小区覆盖范围大，不同用户到卫星的时延差异也较大，为了避免这种情况导致的ISI，一种比较正常的处理方式是在基站侧对用户时延进行估计，然后通过时间调整命令告知用户调整发送时间，从而保证多个用户信号的到达时间保持在一个较小的误差范围之内，从而提升系统效率。所以对低轨卫星系统，为避免ISI，基站对多用户时延的准确估计十分重要。综上所述，不同与地面OFDM通信系统中，频率同步和时延同步的问题在低轨宽带OFDM系统中更加重要。OFDM系统中的频偏估计一般有三种方法：1)导频方法是利用两个已知导频间的相位差来估计频偏，这种方法的前提是需要两个导频，而且该方法能够估计的最大频偏取决与两个导频的间隔，间隔越大可估范围越小，一般最大可估范围是在两个导频连续排列时，此时最大估计范围为子载波间隔的正负0.5倍。但在实际OFDM系统中导频很少这样排列，一般情况是间隔几个符号插入一个导频，因此实际可估的频偏范围要小很多，在低轨卫星系统中的应用受到一定限制；2)基于CP的方法是利用CP的重复数据，使用CP数据和符号后部的某些数据的相位差来估计频偏，这种方法同样有估计范围限制，最大可估频偏为子载波间隔的正负0.5倍，同时，由于多径等影响，可利用的CP数据较少，也会导致低信噪比下影响估计精度；3)还有一类盲估计的方法，比如基于ESPRIT旋转不变性质的方法，这类盲方法的原理是利用信号的统计特征，所以需要相关矩阵的精确计算，这是建立在有大量的样本数据的基础之上，因此，在少量观测的情况下效果有限，同时后续处理中一般要进行SVD分解和求伪逆等复杂运算，在工程实现上比较困难。针对OFDM系统的频偏-时延联合估计问题，一般采用分步的方式，先利用信号的相关性质估计出时延，然后再估计频偏，例如：发送两个训练符号，第一个符号中的前一半与后一半数据相同，用相同两端数据的相关来估计时延，用相同两段数据的相位差来估计子载波小数倍的频偏；然后在后面的一个符号上发送一个频域上的PN序列，用于估计子载波整数倍的频偏。这种方法具有一定的局限性，在4G、5G和低轨宽带卫星系统中一般不会采用这种导频配置，更普遍的方法是在发送的数据之间插入导频符号，插入间隔可由上层配置，其频域为ZC序列。低轨卫星系统中，除了地面终端和基站间的传输时延与多普勒频偏均较大之外，卫星位置的快速移动还导致时延与频偏的变化率也较大，因此，低轨卫星基站需要更频繁地检测与校正终端的时延与频率偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，该方法使用单一导频即可估计出频偏值与时延值，能够及时对用户信号进行校正，而不必等待多个导频；同时，该方法可以一步地同时估计出时延与频偏值，一次计算即可估计出两个量，比两步估计的方法更为简单；再次，该方法将频偏分为整数倍频偏和小数倍频偏两步估计，没有频偏估计范围的限制，不受导频在时域上分配间隔的限制。最后，该方法定时与小数倍频偏估计共同进行，避免了传统ZC序列定时受整数倍频偏影响的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，包括：1)定义发射信号模型：假设小区内共有M个用户，定义用户m的物理层信道导频参考信号为Pm(k){k＝0…Nm-1}，则导频基带发送信号可以表示为：其中,m是用户索引，p代表是导频信号，上角标T代表发射，Nm为序列长度，Pm(k)定义为根值为μ的ZC序列，2)定义接收信号模型：在基站，接收到的r(n)是M个用户信号的叠加：其中，w(n)为噪声，为接收到的第m个用户的导频信号，上角标R代表接收，导频信号接收模型为：其中，hm(l)＝[hm(0)…hm(Lm-1)]为第m用户的离散信道冲击响应(CIR)向量，εm为频率偏差，θm＝int(τm/TS)为采样周期整数倍的时间偏移,Ts为采样时间,Hm(k)是信道冲击响应hm(l)的DFT，3)频偏估计：定义用户m的频偏超出[-0.5，+0.5]倍子载波间隔的范围内，将用户频偏划分为整数倍频偏εm，I和小数倍频偏εm，F两部分，则接收到的用户m导频信号为：对接收时域信号做傅里叶变换到频域后，与本地导频做相关，搜索相关峰最大值的位置，即可得到整数倍频偏εm，I的估计值；得到整数倍频偏εm，I估计值后，找到峰值位置，并在峰值位置上取相应的N个频域值，与本地参考频域导频的共轭对应一一相乘，然后对共轭相乘后的数据进行傅里叶逆变换，搜索峰值，利用主峰值与次峰值进行小数倍频偏εm,F估计值，小数倍频偏εm，F估计值为：其中，l′表示相关序列R(l，Δf)中的较大次峰的索引值，Δf为频偏，τ表示实际信号的时延，Ts为采样周期，fscs为子载波间隔。4)时延估计：经过整数倍频偏的校正以后，整数倍的频偏不再影响相关后的峰值位置，主峰值的位置既为信号的时间发送位置，由此可以判断信号的时延是否大于CP，并借此为用户TA调整的依据。进一步的，所述频偏范围为[-K，+K]之间，K的取值为任意值，大于等于0.5倍的子载波间隔。进一步的，所述2)中第m个用户的导频信号：在接收信号中分离出信道、频偏与时延参数，则得到所述导频信号接收模型，其中，εm为频偏，l为多径路径索引值，Lm为第m个用户的多径数量，为发射信号，θm为用户m的时延，τl为第l条径的时延。进一步的，所述3)中对接收时域信号做傅里叶变换到频域后则有：其中，上式第一项为主分量，后一项是因为频偏导致载波间不正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，其特征在于，包括：/n1)定义发射信号模型：/n假设小区内共有M个用户，定义用户m的物理层信道导频参考信号为P

【技术特征摘要】
1.一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，其特征在于，包括：
1)定义发射信号模型：
假设小区内共有M个用户，定义用户m的物理层信道导频参考信号为Pm(k){k＝0...Nm-1}，则导频基带发送信号可以表示为：



其中，m是用户索引，p代表是导频信号，上角标T代表发射，Nm为序列长度，Pm(k)定义为根值为μ的ZC序列，
2)定义接收信号模型：
在基站，接收到的r(n)是M个用户信号的叠加：



其中，w(n)为噪声，为接收到的第m个用户的导频信号，，上角标R代表接收，导频信号接收模型为：



其中，N为导频长度，Lm为第m个用户的多径数量，hm(l)＝[hm(0)…hm(Lm-1)]为第m用户的离散信道冲击响应(CIR)向量，εm为频率偏差，θm＝int(τm/TS)为采样周期整数倍的时间偏移，Ts为采样时间；Hm(k)是信道冲击响应hm(l)的DFT，
3)频偏估计：
定义用户m的频偏超出[-0.5，+0.5]倍子载波间隔的范围内，将用户频偏划分为整数倍频偏εm，I和小数倍频偏εm，F两部分，则接收到的用户m导频信号为：



对接收时域信号做傅里叶变换到频域后，与本地导频做相关，搜索相关峰最大值的位置，即可得到整数倍频偏εm，I的估计值；
得到整数倍频偏εm，I估计值后，找到峰值位置，并在峰值位置上取相应的N个频域值，与本地参考频域导频的共轭对应一一相乘，然后对共轭相乘后的数据进行傅里叶逆变换，搜索峰值，利用主峰值与次峰值进行小数倍频偏εm，F估计值，小数倍频偏εm，F估计值为：



其中，l′表示为较大副峰所在的索引值，R(l′，Δf)为接收信号与本地导频的相关值，fscs为子载波间隔。
4)时延估计：
经过整数倍频偏的校正以后，整数倍的频偏不再影响相关后的峰值位置，主峰值的位置既为信号的时间发送位置，由此可以判断信号的时延是否大于CP，并借此为用户TA调整的依据。


2.根据权利要求1所述的一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，其特征在于，频偏范围[-K，+K]中，K的取值大于等于0.5。


3.根据权利要求2所述的一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，其特征在于，所述第m个用户的导频信号：



在接收信号中分离出信道、频偏与时延参数，则得到所述导频信号接收模型，其中，εm为频偏，l为多径路径索引值，Lm为第m个用户的多径数量，为发射信号，θm为用户m的时延，τl为第1条径的时延。


4.根据权利要求3所述的一种对抗低轨宽带卫星系统大频偏大时延的联合估计方法，其特征在于，所述3)中对接收时域信号做傅里...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱斌，刘波，干永刚，荣元政，
申请(专利权)人：成都星联芯通科技有限公司，无锡星联芯通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51