[发明专利]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

说明书

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。

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