一种基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法

本发明涉及通信，更具体的，涉及一种基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法。

背景技术：

1、近年来，随着无线通信需求的不断增长，社会各界对低时延、高可靠性和大覆盖范围的通信提出了更高的要求。低功耗广域网虽然已被广泛部署，但并不能全面满足这些需求。此外，在偏远地区建设地面基站效率低、成本高。因此，研究卫星通信对于实现全球范围内的无缝覆盖通信具有重要意义。根据轨道高度的不同，卫星通信有多种类型：低地球轨道、中地球轨道和地球静止轨道。低轨卫星通信成本较低，延迟时间较短的特点使其更具有应用价值。因此，目前工业界和学术界都对低地轨道卫星通信研究兴趣浓厚。然而，低轨卫星的高速移动导致前导码传输过程中出现较大的频率偏移，需要针对这样的问题对定时提前估计方法进行研究。

2、目前对定时提前估计的方法已有不少研究，主要是从前导码的组成序列、前导码的结构以及定时提前检测算法三个方面进行研究的。在前导码的组成序列构造上，cui和he等人提出了一种基于共轭对称前导序列的方法，通过平均两组峰值位置来消除整数频率偏移的干扰，但无法解决分数频率偏移带来的问题。在前导码的结构上，现有设计采用包含两个根索引的前导码，并配合相关峰值搜索方法来消除频率偏移。这种方法提高了前导码索引的利用率，导致可用前导码的减少，而且搜索算法采用了复杂度较高的穷举法。在检测算法方面，主要是依靠增加定时提前检测中相关运算的序列长度以提高抗噪性能。然而，前导序列的相关性被削弱，因此必须在复杂度和检测率之间做出权衡。

3、目前已有的定时提前估计方法仍存在不足，其中最主要的是都需要进行频偏估计或补偿，这不可避免地增加了算法的复杂性，给需要低能耗运行的低轨卫星通信带来了挑战。因此，有必要为低轨卫星通信设计一种低复杂度载波频率偏移鲁棒性的前导码及其检测算法，以提高定时提前估计的准确性与随机接入效率。

技术实现思路

1、本发明针对低轨卫星通信下的载波频率偏移与复杂度问题，重点研究了基于离散傅里叶变换的仿射频分复用波形，用于低轨卫星通信中的随机接入前导码传输，这种波形对双选信道具有鲁棒性。首先，仿射频分复用调制能够消除前导序列的频率偏移。然后，针对低轨卫星通信的需求，由于只需要单段子序列进行定时提前估计，相关运算长度较短，前导码的检测复杂度也有所降低。此外，为了提高定时提前估计的准确性，还提出了一种检测算法来区分主路径峰值。

2、为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

3、一种基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，包括以下步骤：

4、s1：在发送端，生成用于定时提前检测的前导码xu(n),n＝0,1,……,n-1；

5、s2：使用仿射频分复用波形对前导码进行调制，并添加循环前缀得到发送信号t(n)，随后通过射频发送至无线信道中进行传输，得到接收信号r(n)；

6、s3：在接收端，将接收信号去除循环前缀，通过仿射频分复用解调器进行解调，得到解调信号z(n)；

7、s4：判断前导码序列xu(n)的索引号，得到本地对应索引号的前导码序列s(n)；

8、s5：计算功率时延谱，进行峰值检测，得到峰值索引集合

9、s6：在中，将各峰值进行多径峰值和伪峰判决以及消除，得到处理后的峰值索引集合

10、s7：在处理后的峰值索引集合中计算定时提前d，输出结果。

11、优选地，步骤s1中的前导码的设计，具体为：

12、采用zc序列作为构成前导码的前导序列，其表达式为：

13、

14、式中，v为序列长度，u为根序列索引。

15、前导码结构的表达式为：

16、xu(n)＝[c(n),c(n),……,c(n)]

17、式中，作为前导码的子序列，为循环移位集合，满足条件任意ncs是素数且[ncs,1,ncs,2]>v。

18、优选地，步骤s2中对前导码进行仿射频分复用调制得到发送信号t(n)，具体为：

19、s2.1：将前导码与各个调制矩阵相乘，其表达式为：

20、t(n)＝fmfjs·xu(n)

21、式中，m＝0,1,……,n-1，c1、c2为仿射频分复用调制参数，sign(c1)为c1的符号函数，n为前导码长度。i＝0,1,……,|c1|-1。为idft矩阵，具体为：

22、

23、s2.2：通过射频将调制信号发送至无线信道中进行传输。

24、优选地，步骤s2.2中发送至无线信道中，接收信号表达式为：

25、

26、式中，l为多径数，hl为信道增益，d为定时提前，dl为多径时延。ε＝f/δfra为归一化载波频率偏移，f为信道中的载波频率偏移，δfra为发送信号子载波间隔。w(n)为加性高斯白噪声。

27、优选地，步骤s3中对接收信号进行仿射频分复用解调，具体为：

28、s3.1：解调信号的计算式为：

29、z(n)＝shfhrmhghfh·r(n)

30、式中，ah表示矩阵a的赫米特矩阵，为对角矩阵，在对角线上存在元素

31、s3.2：根据计算式对接收信号解调推导得到接收端的前导码表达式。

32、优选地，步骤s3.2中得到的解调信号，其表达式为：

33、

34、式中，x1,0为xu(n)在u＝1时的idft在索引0处的值，w′(n)为经过仿射频分复用解调后的噪声。解调信号可以完全消除频偏ε对前导码的影响，前导码的循环移位只体现d、dl，可以通过相关运算得到。

35、优选地，步骤s4中判断前导码的索引号，具体为：

36、s4.1：所有本地序列x(k)一次与解调信号z(n)进行相关操作，得到功率时延谱，其表达式为

37、s4.2：将得到的所有功率时延谱按照方差排序，将方差最大的功率时延谱对应的前导码s(n)索引号作为当前接收端接收信号的前导码索引号。

38、优选地，步骤s5对本地对应索引号的前导码进行峰值检测，具体为：

39、将功率时延谱的峰值记为t，若t<γ，则判断为该本地序列的索引号错误，并进行下一个本地序列相关运算，直到存在相关峰ti>γ，将所有高于阈值的峰值及其对应的索引存入集合

40、其中阈值γ的设定，具体为：

41、

42、式中，α为阈值常数，变化范围为[1,1.1,1.2,…,19.9,20]，在前导码索引号的检测中从小到大遍历α，直到得到满足所设定的检测漏警率的最小阈值常数。

43、优选地，步骤s6中将各峰值进行多径峰值和伪峰判决以及消除，判决表达式为：

44、

45、首先在中找出首个高于阈值的峰值dfirst，随后在首个峰值的最大多径时延范围内搜索峰值，找到峰值最大的峰即为首径，范围内的其余峰值都消除，得到峰值索引集合

46、优选地，步骤s7中计算定时提前d，具体为：

47、s7.1：计算集合中的所有峰值间隔

48、s7.2：将循环移位集合中的所有值ncs进行遍历，并将dp[i]与ncs进行比较，如果dp[i]∈{ncs-1,ncs,ncs+1}，则判定为找到了前导码对应的相关峰值；

49、s7.3：将所有相同峰值间隔的峰值取出，按最大峰值间距判断出首个峰值，其峰值索引即为定时提前d

技术特征：

1.一种基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s1中的前导码的设计，具体为：

3.根据权利要求2所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s2中对前导码进行仿射频分复用调制得到发送信号t(n)，具体为：

4.根据权利要求3所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s2.2中发送至无线信道中，接收信号表达式为：

5.根据权利要求4所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s3中对接收信号进行仿射频分复用解调，具体为：

6.根据权利要求5所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s3.2中得到的解调信号，其表达式为：

7.根据权利要求6所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s4中判断前导码的索引号，具体为：

8.根据权利要求7所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s5对本地对应索引号的前导码进行峰值检测，具体为：

9.根据权利要求8所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s6中将各峰值进行多径峰值和伪峰判决以及消除，判决表达式为：

10.根据权利要求9所述的基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法，其特征在于，步骤s7中计算定时提前d，具体为：

技术总结
本发明公开一种基于仿射频分复用波形的低轨卫星通信定时提前估计方法。将仿射频分复用波形应用在随机接入的前导码调制解调过程中，提出了一种新的前导码结构，并研究了对应的定时提前估计算法。首先，仿射频分复用调制消除了前导序列的频率偏移。然后，针对低轨卫星通信的需求，降低了相关运算长度，同时降低了前导码的检测复杂度。此外，定时提前估计算法能够区分主路径峰值，提高了估计的准确性。最后在双选信道中，将结果与现有的前导码相比，本发明设计的无需频偏补偿的基于仿射频分复用的前导码拥有明显的性能增益，实现了更高正确概率的定时提前估计。

技术研发人员：姜园,王沿朝,赵磊
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5