[发明专利]一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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：

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。

进一步的，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：