[发明专利]低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法

说明书

本发明设计了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法，属于无线通信领域。这里的下行链路指由信关站发射，经卫星转发，由用户终端接收的传输链路。具体方法为：信关站基于星历对下行公共多普勒采样频偏进行估计，并使用下行公共多普勒采样频偏估计值，通过改变采样晶振的采样频率或使用重采样数字滤波器，对下行发射信号进行预补偿；用户终端利用下行同步信号，使用分段相关算法估计下行残余采样频偏，并使用下行残余采样频偏估计值在频域对下行接收信号进行补偿。本发明方法可在用户终端无星历，仅信关站有星历的情况下，以较低复杂度，较高精度补偿下行链路采样频偏，满足低轨卫星大采样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采样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，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采样频偏。

采样频偏指的是接收机的采样频率与实际接收信号的采样点之间间隔频率的频率之差。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。当存在采样频偏时，会导致位于频带边缘的子载波上发生严重的采样位置偏移，位于频带边缘的子载波之间失去正交性，造成严重的子载波干扰，使得解调性能迅速恶化。如图2所示，对于多载波系统，将时域接收信号做傅里叶变换至频域上后，采样频偏会导致边缘子载波上信号的相位旋转，且旋转幅度随符号数的增大而增大。

低轨卫星通信系统的采样频偏由两部分构成，一是发送机与接收机的采样晶振之间的频率差导致的采样频偏，该频偏与晶振的制作精度有关，是系统中固有的频偏。二是发送机和接收机之间相对运动的多普勒效应，引起发送端的采样点间隔在接收端出现变化，引起接收端实际接收信号的采样间隔与接收端采样晶振的采样间隔，称为多普勒采样频偏。对于飞行高度在1200km的低轨卫星通信系统，当其工作在Ka频段时，其典型多普勒采样频偏可达20ppm。而采样晶振所导致的频偏通常小于0.5ppm，远小于多普勒效应引起的采样频偏，因此多普勒采样频偏是引起卫星通信系统采样频偏的主导因素。低轨卫星通信系统典型的20ppm采样频偏会为通信系统带来严重的性能损失甚至于无法解调信号，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，采样频偏估计与补偿技术对低轨卫星多载波通信系统是十分必要的。

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，校正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，传统基于接收信号的采样频偏估计方法，频偏估计范围受限，估计精度较低，无法满足低轨卫星大多普勒采样频偏范围的需求。因此，有必要提出一种适应低轨卫星多载波通信场景下，估计范围大，准确性高，复杂度低，且用户终端不依赖星历的新型下行链路采样频偏估计与补偿方法。

发明内容

为了解决低轨卫星多载波通信系统，传统基于接收信号的采样频偏估计方法，频偏估计范围受限，估计精度较低，无法满足低轨卫星大多普勒采样频偏补偿范围要求的问题，本发明提出了一种低轨卫星多载波通信系统下行链路采样频偏估计与补偿方法。