基于5G的低轨宽带卫星移动通信系统同步技术研究

摘要

卫星移动通信系统具有覆盖面积广、部署灵活以及不受自然灾害影响等特点，已成为未来全球化通信网络的重要组成部分。5G NR中也定义了面向卫星移动通信系统的非地面网络接入技术，利用地面5G移动通信系统关键技术，构建适应卫星通信场景的宽带卫星移动通信系统，具有十分重大的意义。本文面向低轨卫星系统，研究基于5G的低轨宽带卫星移动通信系统同步技术。 首先，研究了低轨卫星移动通信系统的信道建模。针对低轨卫星移动通信系统的传输场景，介绍了低轨卫星移动通信传输信道的衰落特征，并给出了相应的信道模型。 随后，研究了卫星移动通信系统中的定时同步和频率同步方法。基于低轨卫星系统传输模型，分析了定时和频率偏差对系统性能的影响。结合低轨卫星的轨道和波束信息，提出了基于波束俯视角的频偏预校正方法，以较低的计算复杂度实现多普勒频偏的快速估计和实时补偿，将频偏控制在一个较小的范围内。 接着，研究了低轨卫星移动通信系统中的频率同步算法。针对低轨卫星移动通信系统中多普勒频偏值较大的问题，给出了时域分段互相关的方法，通过增加分段相关值，频偏估计的范围逐渐增大，但该算法的性能随着分段数的不断增加，频偏估计范围与分段数不成线性增长，因此该算法适用于估计多普勒频偏值较小的情形。为了解决上述问题，给出了将整数倍频偏与小数倍频偏分别估计的方法。针对小数倍频偏及符号定时同步提出了改进的分段相关法，其性能不受整数倍频偏的影响。针对整数倍频偏估计，给出了频域互相关法以及零导频序列法，仿真结果表明，所提方法能有效解决低轨卫星移动通信系统中的大频偏估计问题。 最后，研究了卫星移动通信系统中的符号定时同步问题。首先给出基于循环前缀的符号定时同步算法，利用CP完成符号定时同步以及小数倍频偏估计，该算法性能不受大频偏的影响。因而可以作为在低轨卫星通信系统大频偏场景下的符号定时同步的方法。

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缩略语

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容及意义

1.3.1 OFDM技术

1.3.2 MIMO技术

1.4 论文组织结构

第二章 宽带卫星移动通信系统信道建模

2.1 引言

2.2 卫星移动通信传输场景

2.3 卫星移动通信信道衰落特征

2.3.1 路径损耗

2.3.2 好状态坏状态[24]

2.3.3 大气衰减

2.3.4 快衰落模型

2.4 卫星传输信道模型建模

2.4.1 宽带模型

2.4.2 多普勒扩展

2.4.3 功率角度谱分布

2.5 本章小结

第三章 卫星移动通信系统中的定时和频率偏差

3.1 引言

3.2 系统模型

3.2.1 多普勒频偏模型

3.2.2 卫星移动通信系统中载波频率偏差对系统性能影响

3.2.3 卫星移动通信系统中OFDM符号定时以及载波频率偏差分析

3.3 卫星移动通信系统的频偏预补偿

3.4 本章小结

第四章 卫星移动通信系统中的频率同步算法

4.1 引言

4.2 同步序列定义

4.3 基于M-part相关的载波频偏估计算

4.3.1 M-part法

4.3.2 仿真结果

4.3.3 仿真结果分析

4.4 频域互相关法

4.4.1 频域互相关法分析

4.4.2 仿真及仿真结果分析

4.5 基于零导频的频偏估计方法

4.5.1 频域导频序列设计

4.5.2 基于频域导频序列的频偏估计

4.6 本章小结

第五章 卫星移动通信系统中的符号定时同步

5.1 引言

5.2 定时误差的影响

5.3 系统模型

5.4 基于循环前缀的同步算法

5.5 仿真结果及分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文主要贡献

6.2 进一步研究方向

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利

致谢