一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统，可解决多普勒频偏大范围变化场景下时频双选信道估计精度低的问题。本发明专利技术包括：终端调节本振频率，接收射频信号，经过下变频及采样过程得到基带信号，并提取出各OFDM符号上的导频数据；终端从卫星的广播信号或地面网络获取最新的星历信息，推算出卫星当前时刻的多普勒频偏；基于离散长椭球序列模型生成基函数向量；根据基扩展模型原理，重构OFDM系统传输模型，将信道矩阵估计问题转化为对基函数系数的估计；通过最小二乘算法初步估计出基系数向量；随后利用卡尔曼滤波算法对基数进行降噪；构建基系数循环矩阵，精准拟合出时域信道矩阵，并将其变换至频域。并将其变换至频域。并将其变换至频域。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统


[0001]本专利技术属于无线通信
，涉及OFDM通信领域，具体涉及一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统。

技术介绍

[0002]3GPP提出将5G新空口扩展到非地面网络，以实现地面网络和卫星网络的无缝切换，为全球用户提供高速、低时延的通信服务。然而在融合5G的低轨卫星OFDM系统中，多普勒频偏的大范围变化和卫星信道快时变特性会严重破坏子载波间的正交性，引入子载波间干扰(ICI)，这无疑会给星地链路的精确信道估计带来巨大挑战。
[0003]目前导频辅助的估计方法在工程中应用最为广泛。该方法以牺牲频谱资源为代价，在发送信号中以一定的排列方式插入导频符号来辅助信道估计，接收端通过合适的处理技术来分别得到导频处和数据处的信道参数。导频符号处的信道估计方法主要有最小二乘(Least Squares，LS)、最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)等算法。数据处的信道估计方法主要包括线性插值、三次样条插值、DFT插值等算法。然而由于低轨卫星的高动态特性，信道响应在OFDM符号间与符号内部发生剧烈地非线性变化，信道状态矩阵由对角矩阵转化为带状矩阵，极大地增多了待估计的信道参数。此时，上述基于准静态信道模型的传统信道估计方法性能急剧下降。
[0004]为了提高高速移动场景下的信道估计精度，基于基扩展模型(Basis Expansion Model，BEM)的信道估计方法应运而生。其核心思想是将时变信道响应扩展为基函数及其系数的线性叠加的近似表达式，从而将信道估计问题转化为基函数系数的估计问题，大大减少了待估计量。然而大多数基扩展模型适用的频偏范围有限，难以完全满足低轨道卫星系统不同频偏范围下的信道估计精度要求。基于离散长椭球序列的基扩展模型(Discrete Prolate Spheroidal Base Extension Model，DPS
‑
BEM)在低多普勒频偏或高多普勒频偏下均具有较好的信道拟合度，但需要将多普勒频偏作为信道估计的先验信息。
[0005]因此，需要提供一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统，考虑低轨卫星过顶过程中多普勒频偏的大范围变化和信道快时变特性，充分利用DPS
‑
BEM信道估计模型的优势，提高信道估计精度，保障星地链路的传输质量。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出了一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统，解决了多普勒频偏大范围变化的场景下，时频双选信道估计精度低的问题。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，包括以下步骤：
[0009]S1：终端调节本振频率，接收射频信号，经过下变频及采样过程得到基带信号，并提取出基带信号中各OFDM符号上的导频数据；
[0010]S2：终端从卫星的广播信号或地面网络获取最新的星历信息，推算出卫星当前时
刻的多普勒频偏；
[0011]S3：基于离散长椭球序列模型生成基函数向量；
[0012]S4：根据基扩展模型原理，重构OFDM系统传输模型，将信道矩阵估计问题转化为对基函数系数的估计；
[0013]S5：通过最小二乘法实现对基函数系数的初步估计；
[0014]S6：利用卡尔曼滤波算法对基函数系数进行降噪；
[0015]S7：构建基函数系数循环矩阵，拟合出时域信道矩阵，并将其变换至频域，完成信道估计。
[0016]进一步地，基带信号的导频格式为梳状导频，每个OFDM符号上的导频等间隔分布，且每个OFDM符号上的导频数量κ满足以下关系：
[0017]κ≥L(Q+1)
[0018]其中，L为卫星信道可分离多径个数，Q为信道估计所用基函数的阶数。
[0019]进一步地，步骤S2包括：
[0020]S2.1：获取最新的星历信息数据，提取并解析出低轨卫星轨道参数，包括升交点赤经Ω、近地点幅角ω、轨道倾角θ，轨道半长轴a、轨道偏心率e、平近点角M；
[0021]S2.2：根据低轨卫星轨道参数计算出卫星当前时刻在地心惯性坐标系中的位置与速度：
[0022][0023]其中，R
s
是卫星当前时刻地心惯性坐标系下的位置向量，V
s
是卫星当前时刻地心惯性坐标系下的速度向量，μ表示地球引力常数，E表示偏近点角，通过下式进行数值求解：
[0024]E
‑
esinE＝M
[0025]向量P和Q分别由以下公式求得：
[0026][0027][0028]S2.3：将卫星的地心惯性坐标系下的位置与速度转换到地面坐标系下：
[0029][0030]其中，R
s
′
是卫星当前时刻地面坐标系下的位置向量，V
s
′
是卫星当前时刻地面坐标系下的速度向量，α为位置转换常数矩阵，β为速度转化常数矩阵；
[0031]S2.4：终端根据GPS定位系统获取其所在地理方位的经度L0、纬度B0和高程H0，并通
过下式将其转化为地面坐标系下的位置矢量R0：
[0032][0033]其中，a
σ
为椭球体的长半轴，a
σ
＝6378.137km，e
σ
为第一偏心率，
[0034]S2.5：获取地面终端速度V0，并计算低轨卫星与地面终端的相对位置和相对速度：
[0035][0036]S2.6：计算多普勒频偏f
D
：
[0037][0038]式中，f0代表信号的载波频率；c是光速，c＝3.0
×
108m/s；α为相对速度V和相对位置R两矢量的夹角。
[0039]进一步地，步骤S3包括：
[0040]S3.1：计算离散长椭球序列模型基函数向量的生成矩阵C，矩阵C第m行第n列的元素表达式为：
[0041][0042]其中T
s
为一个OFDM符号的周期；
[0043]S3.2：确定离散长椭球序列模型基函数向量的阶数Q，计算公式为：
[0044][0045]S3.3：将矩阵C进行特征值分解，提取出前Q+1个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量即为一个离散长椭球序列模型基函数向量，由此得到基函数向量集合B＝{b
q
|q＝1,2,
…
Q+1}。
[0046]进一步地，步骤S4包括：
[0047]S4.1：根据基扩展模型原理，建立卫星信道各径的时域响应与离散长椭球序列模型基函数向量的线性关系：
[0048][0049]其中，h(n,l)代表卫星信道第l条径上第n个采样点的时域响应，g
q,l
代表第q个基函数在第l径上的系数，b
q
(n)代表第q个基函数在当前OFDM符本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：终端调节本振频率，接收射频信号，经过下变频及采样过程得到基带信号，并提取出基带信号中各OFDM符号上的导频数据；S2：终端从卫星的广播信号或地面网络获取最新的星历信息，推算出卫星当前时刻的多普勒频偏；S3：基于离散长椭球序列模型生成基函数向量；S4：根据基扩展模型原理，重构OFDM系统传输模型，将信道矩阵估计问题转化为对基函数系数的估计；S5：通过最小二乘法实现对基函数系数的初步估计；S6：利用卡尔曼滤波算法对基函数系数进行降噪；S7：构建基函数系数循环矩阵，拟合出时域信道矩阵，并将其变换至频域，完成信道估计。2.根据权利要求1所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，基带信号的导频格式为梳状导频，每个OFDM符号上的导频等间隔分布，且每个OFDM符号上的导频数量κ满足以下关系：κ≥L(Q+1)其中，L为卫星信道可分离多径个数，Q为信道估计所用基函数的阶数。3.根据权利要求2所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，步骤S2包括：S2.1：获取最新的星历信息数据，提取并解析出低轨卫星轨道参数，包括升交点赤经Ω、近地点幅角ω、轨道倾角θ，轨道半长轴a、轨道偏心率e、平近点角M；S2.2：根据低轨卫星轨道参数计算出卫星当前时刻在地心惯性坐标系中的位置与速度：其中，R
s
是卫星当前时刻地心惯性坐标系下的位置向量，V
s
是卫星当前时刻地心惯性坐标系下的速度向量，μ表示地球引力常数，E表示偏近点角，通过下式进行数值求解：E
‑
esinE＝M向量P和Q分别由以下公式求得：向量P和Q分别由以下公式求得：S2.3：将卫星的地心惯性坐标系下的位置与速度转换到地面坐标系下：
其中，R
s
′
是卫星当前时刻地面坐标系下的位置向量，V
s
′
是卫星当前时刻地面坐标系下的速度向量，α为位置转换常数矩阵，β为速度转化常数矩阵；S2.4：终端根据GPS定位系统获取其所在地理方位的经度L0、纬度B0和高程H0，并通过下式将其转化为地面坐标系下的位置矢量R0：其中，a
σ
为椭球体的长半轴，a
σ
＝6378.137km，e
σ
为第一偏心率，S2.5：获取地面终端速度V0，并计算低轨卫星与地面终端的相对位置和相对速度：S2.6：计算多普勒频偏f
D
：式中，f0代表信号的载波频率；c是光速，c＝3.0
×
108m/s；α为相对速度V和相对位置R两矢量的夹角。4.根据权利要求3所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，步骤S3包括：S3.1：计算离散长椭球序列模型基函数向量的生成矩阵C，矩阵C第m行第n列的元素表达式为：其中T
s
为一个OFDM符号的周期；S3.2：确定离散长椭球序列模型基函数向量的阶数Q，计算公式为：S3.3：将矩阵C进行特征值分解，提取出前Q+1个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量即为一个离散长椭球序列模型基函数向量，由此得到基函数向量集合B＝{b
q
|q＝1,2,
…
Q+1}。5.根据权利要求4所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，
步骤S4包括：S4.1：根据基扩展模型原理，建立卫星信道各径的时域响应与离散长椭球序列模型基函数向量的线性关系：其中，h(n,l)代表卫星信道第l条径上第n个采样点的时域响应，g
q,l
代表第q个基函数在第l径上的系数，b
q
(n)代表第q个基函数在当前OFDM符号中第n个采样点的函数值；S4.2：根据基扩展模型原理，构建时域信道状态矩阵模型：其中D
q
＝diag{b
q
(0),b
q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨舜尧，王冬冬，刘丽哲，焦利彬，王斌，孙晨华，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：