一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，该方法针对大规模MIMO低轨卫星通信系统的多普勒频偏问题，给出了三个阶段的补偿方法，包括在基站端利用先验知识对卫星DFO和用户绝对DFO进行估计和预补偿，在用户端采用波束对齐技术对用户相对DFO进行估计和精细补偿。基于这三个阶段，进一步提出了自适应补偿算法即利用卫星DFO的历史估计值来调整DFO估计补偿系统，在保证估计精度的同时，降低了计算复杂度。本发明专利技术能够有效地调节多普勒估计和补偿过程，适用于各种高速场景下的大规模MIMO低轨卫星通信系统。景下的大规模MIMO低轨卫星通信系统。景下的大规模MIMO低轨卫星通信系统。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，特别是涉及一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法。

技术介绍

[0002]随着信息全球化的快速发展，各种新兴行业的不断涌现，人们对无线通信网络的覆盖性能提出了更高的要求。因此，卫星通信技术进入了人们的视野。移动通信卫星作为地面蜂窝网络的重要补充，以其组网灵活迅速、传输质量好、通信容量大和覆盖范围广等特点，能够有效地解决传统蜂窝网络覆盖能力不足的问题。相较于其他卫星通信系统，低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星因其运行在低轨道，具有造价成本低、链路损耗小、传输时延短、可靠性高等优点，因此被认为是最具潜力的卫星通信系统。
[0003]大规模MIMO(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output,多输入多输出)作为第五代移动通信的一项关键技术，通过利用基站侧的大规模天线阵列生成的空间域定向信号，可以在同一时频资源下支持多个用户与基站通信。因此，将大规模MIMO技术拓展应用到低轨卫星移动通信系统中，可以显著地提高卫星通信系统的功率效率和频谱效率。
[0004]在大规模MIMO低轨卫星移动通信系统中，由于卫星和地面用户之间存在高速的相对移动，将会产生快速时变的多普勒频偏(Doppler Frequency Offset,DFO)效应，造成信号的码间串扰，严重影响地面接收端的接收性能。目前，解决卫星多普勒频偏问题的方法主要有两类，相比于传统的捕获跟踪方法，DFO估计和补偿方法是利用卫星和用户运动的先验知识，正确估计出多普勒频偏并对其进行补偿的方法，该类方法不需要额外的导频开销，更适用于低轨卫星通信系统。但是正确估计的精度和计算复杂度存在矛盾，因此，研究低复杂度的自适应多普勒估计和补偿算法具有重要的实际意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，在保证多普勒频偏估计精度的同时，进一步降低计算复杂度。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，所述补偿方法包括如下步骤：
[0008]步骤S1、针对一大规模MIMO低轨卫星通信系统，确定其下行频谱效率；
[0009]步骤S2、构建DFO估计补偿系统，其包括三个阶段来进行DFO估计和补偿，其中，第一阶段为卫星基站端基于先验知识对卫星DFO进行估计和预补偿，第二阶段为卫星基站端基于先验知识对用户绝对DFO进行估计和预补偿，第三阶段为用户终端采用波束对齐技术对用户相对DFO进行估计和补偿；
[0010]步骤S3、根据步骤S2中构建的DFO估计补偿系统，执行基于三阶段的自适应DFO补偿算法，其中，在该算法中，若卫星DFO的方差大于第一控制阈值且小于第二控制阀值，则将
DFO估计补偿系统中的第一阶段和第二阶段进行级联，并且对接收信号进行估计和补偿；若卫星DFO的方差大于第二控制阈值，则将DFO估计补偿系统中的三个阶段进行级联，并且对接收信号进行估计和补偿。
[0011]进一步的，所述步骤S1，其具体包括：
[0012]步骤S101、针对一个基站天线数量为M，有N
u
个单天线用户的大规模MIMO低轨卫星通信系统，其中卫星采用均匀天线阵列，下行用户k与卫星之间的多路径信道模型为：
[0013][0014][0015]在公式(1)和公式(2)，P
k
为下行用户k的信道传播路径的总数量，为第p条路径的复值增益，为天线阵列响应，为理想发射角，λ为波长，d为天线间距；表示为卫星DFO，表示绝对DFO，为相位旋转矩阵，其为用户相对DFO产生的影响；
[0016]步骤S102、经过信道估计，下行用户k接收到的信号为：
[0017][0018]在公式(3)中，为下行用户k的传输功率，为下行用户k的估计信道，为用户k的下行预编码，为下行用户k的传输信号，为信道估计误差，为下行高斯白噪声，为用户i的下行预编码，为下行用户i的传输信号；
[0019]步骤S103、假设用户终端利用统计信道状态信息进行信号解码，则系统的下行可达速率为：
[0020][0021][0022]在公式(4)和公式(5)中，是信道估计误差的方差，ρ
dl
是下行链路的信噪比。
[0023]进一步的，所述第一阶段，其具体包括：
[0024]估计出卫星其具体公式为：
[0025][0026][0027]在公式(6)和公式(7)中，f
c
为载波频率，c为光速，r
E
为地球半径，r为卫星和地面用户之间的距离，ω
n
为卫星相对于地心的角速度，φ
max
表示最大通信仰角；
[0028]根据公式(6)和公式(7)，确定下行用户k的卫星DFO补偿矩阵为：
[0029][0030]根据该公式(8)进行预补偿，在进行该第一阶段的预补偿之后，下行用户k接收到的信号R1(k)为：
[0031]。
[0032]进一步的，所述第二阶段，其具体包括：
[0033]用户绝对DFO是由于长距离传输引起的，则其估计公式为：
[0034][0035]在公式(10)中，v
k
表示第k个下行用户的运动速度；
[0036]根据该公式(10)，得到下行用户k的用户绝对DFO补偿矩阵为：
[0037][0038]根据该公式(11)进行预补偿，经过第二阶段预补偿之后，下行用户k接收到的信号R2(k)为：
[0039]。
[0040]进一步的，所述第三阶段，其具体包括：
[0041]用户相对DFO是由于天线间距引起的，其对下行传输信号的影响表示为相位旋转矩阵：
[0042][0043]因此，公式(1)表示的下行信道模型改写为：
[0044][0045]公式(14)中，表示偏差发射角，即实际AOD；
[0046]在用户设备上采用波束对齐技术对相对DFO进行估计和补偿，其具体包括：
[0047]步骤S2031、对下行估计信道做DFT变换，得到修正信道；
[0048][0049][0050]在公式(15)和公式(16)中，F为归一化的DFT矩阵，其中，Δf＝1/M为均匀天线阵列的空间分辨率，矩阵F的每一列都看做一个确定方向的波束，所有的波束方向相互正交；
[0051]为角度补偿矩阵，为下行用户k在第p条路径的补偿角度，其中，该角度补偿矩阵具体表示为：
[0052][0053]假设为理想信道估计，则公式(15)改写为：
[0054][0055]步骤S2032、利用波束扫描算法，求解最佳角度补偿矩阵；
[0056][0057]当波束对准时，信道增益最大，此时求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述补偿方法包括如下步骤：步骤S1、针对一大规模MIMO低轨卫星通信系统，确定其下行频谱效率；步骤S2、构建DFO估计补偿系统，其包括三个阶段来进行DFO估计和补偿，其中，第一阶段为卫星基站端基于先验知识对卫星DFO进行估计和预补偿，第二阶段为卫星基站端基于先验知识对用户绝对DFO进行估计和预补偿，第三阶段为用户终端采用波束对齐技术对用户相对DFO进行估计和补偿；步骤S3、根据步骤S2中构建的DFO估计补偿系统，执行基于三阶段的自适应DFO补偿算法，其中，在该算法中，若卫星DFO的方差大于第一控制阈值且小于第二控制阀值，则将DFO估计补偿系统中的第一阶段和第二阶段进行级联，并且对接收信号进行估计和补偿；若卫星DFO的方差大于第二控制阈值，则将DFO估计补偿系统中的三个阶段进行级联，并且对接收信号进行估计和补偿。2.根据权利要求1中所述的一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述步骤S1，其具体包括：步骤S101、针对一个基站天线数量为M，有N
u
个单天线用户的大规模MIMO低轨卫星通信系统，其中卫星采用均匀天线阵列，下行用户k与卫星之间的多路径信道模型为：行用户k与卫星之间的多路径信道模型为：在公式(1)和公式(2)，P
k
为下行用户k的信道传播路径的总数量，为第p条路径的复值增益，为天线阵列响应，为理想发射角，λ为波长，d为天线间距；表示为卫星DFO，表示绝对DFO，为相位旋转矩阵，其为用户相对DFO产生的影响；步骤S102、经过信道估计，下行用户k接收到的信号为：在公式(3)中，为下行用户k的传输功率，为下行用户k的估计信道，为用户k的下行预编码，为下行用户k的传输信号，为信道估计误差，为下行高斯白噪声，为用户i的下行预编码，为下行用户i的传输信号；
步骤S103、假设用户终端利用统计信道状态信息进行信号解码，则系统的下行可达速率为：率为：在公式(4)和公式(5)中，是信道估计误差的方差，ρ
dl
是下行链路的信噪比。3.根据权利要求2中所述的一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述第一阶段，其具体包括：估计出卫星其具体公式为：其具体公式为：在公式(6)和公式(7)中，f
c
为载波频率，c为光速，r
E
为地球半径，r为卫星和地面用户之间的距离，ω
n
为卫星相对于地心的角速度，φ
max
表示最大通信仰角；根据公式(6)和公式(7)，确定下行用户k的卫星DFO补偿矩阵为：根据该公式(8)进行预补偿，在进行该第一阶段的预补偿之后，下行用户k接收到的信号R1(k)为：。4.根据权利要求3中所述的一种自适应的大规...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳珉，刘蕊，张子枫，朱鹏程，王东明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：