自适应循环前缀的双星分集单载波传输方法

摘要

本发明涉及卫星通信技术领域，提出了一种自适应循环前缀的双星分集单载波传输方法，包括：(1)空间段由两颗共轨卫星提供基于处理转发的信息服务，地面段卫星接收机可以同时接收两颗卫星的信号，获得空间分集增益；(2)利用基于循环前缀的单载波传输体制，有效对抗卫星随机摄动带来的接收端帧间信号干扰；(3)卫星接收机对接收到的信号进行均衡和后续信号处理，以特定的统计参数为指标，将当前循环前缀长度性能以1bit方式广播至卫星发送端；(4)卫星发送端依据反馈信息，以指定的步长调整循环前缀长度。本发明在卫星高度不精确可知情形下，实现以较低的复杂度、低速反馈开销和较高的传输效率，获得双星传输带来的信号分集增益。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信系统技术领域，尤其涉及一种分布式卫星通信信号传输方法。

背景技术

基于多颗共轨协同卫星组成的分布式星群网络，可以利用星间协同发送波束成形技术，组成虚拟的分布式多天线传输系统，从而在获得空间分集增益的同时提升网络的功率效率。然而，分布式协同发送波束成形技术对发送节点间的定时和载波同步要求较高。卫星10^-7以上的高稳定度频率源可以保证较小的星间载波频率差，从而可忽略频率差引起的系统性能损失。然而，卫星漂移或摄动所带来不同卫星传输信号上的时间偏差如果不加以补偿将引入符号间干扰，导致系统高速传输时性能明显下降。

这些时变的时间偏差难以在接收端进行估计后在发送端进行预补偿。此外，位于36000Km高空地球同步轨道的星群网络中各卫星在星地传输距离上的模糊度可达公里以上级别。利用基于循环前缀的单载波频域均衡技术，可以有效的对抗不同定时偏差带来的符号间干扰。以100Mbps的传输链路为例，为对抗两颗卫星2Km的传输链路上的差距，需要引入循环前缀长度668bit，当帧长为1024bit时，传输效率仅为61％。当传输速率提高或者传输距离差加大时，传输效率将近一步下降。

为提高传输效率，最直接的方式就是增加帧的长度。然而增加帧长将导致处理复杂度和传输延时的同步提升。此外，卫星之间时变的距离使得在大部分时间段内额外长度的循环前缀降低了系统的效率。利用星地间的信令信道，可以构建具备反馈信道的发送波束成形传输系统。采用1bit反馈方式，对发送端的循环前缀进行自适应调整可以大幅的提供系统传输效率。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种自适应循环前缀的双星分集单载波传输方法，降低非必要循环前缀长度，实现系统传输效率的有效提升。

本发明方法的具体步骤如下：

A1、初始化卫星发送端处理器、缓存以及地面接收端处理器、缓存，根据训练数据和信令信息设置当前用户的帧长度、循环前缀长度等数据帧参数，按特定门限值设定准则设置接收端统计参数的门限值；

A2、卫星发送端根据设置的循环前缀长度，组帧发送信号至用户接收端；

A3、接收端根据帧头信息，判断当前帧是否为本次通信结束帧，如果是，则在接收完本帧后跳转至步骤A6；非结束帧则在正常处理本帧信号后继续执行步骤A4；

A4、接收端在指定的统计区间内，依据指定的统计参数计算本次区间内统计值；

A5、当统计值高于门限值时，由用户通过信令信道反馈1比特信息“1”至卫星发送端，卫星发送端根据特定循环前缀步长设定准则，增加循环前缀的长度，跳转至步骤2；当误帧率小于或等于门限时，由用户通过信令信道反馈1比特信息“0”至卫星发送端，卫星发送端根据特定的循环前缀步长设定准则，减小循环前缀长度，跳转至步骤A2；

A6、卫星发送端、接收端退出本次通信。

优选地，所述的特定门限值设定准则根据用户QoS需求设定或根据第一个统计区间的实测值设定。

优选地，所述的指定的统计区间为一个设定的时间段或者一个设定的帧计数。

优选地，所述的指定的统计参数为误帧率或误码率。

优选地，所述的特定的循环前缀步长设定准则是固定步长准则。

优选地，所述的特定的循环前缀步长设定准则是变长准则。

本发明的优点在于：本发明依据接收端统计信息，利用1bit反馈链路实现发送端循环前缀的自适应调整，具有算法复杂度低、收敛速度快、自适应能力强的特点，可快速调整循环前缀至最佳长度，从而降低系统额外开销，提高系统传输效率。

附图说明

图1所示为本发明双星分集传输方法的流程图；

图2所示为包含长度L循环前缀的帧结构示意图；

图3所示为接收端接收信号示意图；

图4所示为本发明实施例一的循环前缀自适应收敛示意图；

图5所示为本发明实施例二的应用场景示意图；

图6所示为本发明实施例二卫星运动轨迹数学模型示意图；

图7所示为本发明实施例二卫星运动轨迹及理想循环前缀示意图；

图8所示为本发明实施例二自适应循环前缀曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出了一种自适应循环前缀的双星分集单载波传输方法，主要包括：

A1、初始化卫星发送端处理器、缓存以及地面接收端处理器、缓存，根据训练数据和信令信息设置当前用户的帧长度、循环前缀长度等数据帧参数，按特定门限值设定准则设置接收端统计参数的门限值；

A2、卫星发送端根据设置的循环前缀长度，组帧发送信号至用户接收端；

A3、接收端根据帧头信息，判断当前帧是否为本次通信结束帧，如果是，则在接收完本帧后跳转至步骤A6；非结束帧则在正常处理本帧信号后继续执行步骤A4；

A4、接收端在指定的统计区间内，依据指定的统计参数计算本次区间内统计值；

A5、当统计值高于门限值时，由用户通过信令信道反馈1比特信息“1”至卫星发送端，卫星发送端根据特定循环前缀步长设定准则，增加循环前缀的长度，跳转至步骤2；当误帧率小于或等于门限时，由用户通过信令信道反馈1比特信息“0”至卫星发送端，卫星发送端根据特定的循环前缀步长设定准则，减小循环前缀长度，跳转至步骤A2；

A6、卫星发送端、接收端退出本次通信。

图2给出了数据帧长度为N、循环前缀长度为L的帧结构示意，即将数据帧第N-L+1到第N个符号搬移至数据帧头前。图3给出了两个卫星节点存在传输时延情形下接收端信号的示意，此时由于循环前缀的保护作用，在图中所示的接收端采样窗口内采集的N个符号不包含帧间干扰。

实施例一：

令两个卫星发送节点某个时间段内(大于30min)需要补偿的传输距离差为0.96Km，当传输速率为100Mbps时，需要的循环前缀长度为320个，基于本发明的自适应循环前缀算法步骤为：

(1)发送端设定初始循环前缀长度为CP=450，步长为N=128，统计区间为1s，统计参数为误比特率BER，门限值为10^-6；

(2)当第i个统计区间内BER小于或等于门限值时，接收端反馈0至发送端，发送端按指定步长减少CP；

(3)当第i个统计区间内BER大门限值时，接收端反馈1至发送端，发送端按指定步长增加CP；

(4)连续两个统计区间BER变化和第i个区间CP调整的方式如表1所示：

表1

图4给出了收敛的示意图，从图中可以发现所提出的算法可以快速的收敛到理想的循环前缀值。

实施例二：

图5给出了本发明的一个实施例，包含2个卫星发送节点和1个位于北纬60度的卫星地面接收站，各卫星参数如表2所示。

表2

参数卫星1卫星2半长轴(Km)42164.242164.2偏心率00倾角(度)25升交点赤经(度)100100.1近地点幅角(度)00真近点角(度)090平经度漂移率00

图6给出了单颗存在倾角时卫星地面接收站与卫星之间距离的数学模型，其中O表示地心，U表示用户，A、B、C分别表示位于赤道上空和南北偏移θ角度时的卫星位置，d_UC表示U到C之间的距离，d_UA、d_UB、d_CA和d_AB的定义可参考d_UC。由简单的数学推导可以得到：

d_UA=(tsinβ)²+(r-tcosβ)²

d_UC=(tsin(β-θ))²+(r-tcos(β-θ))²

d_UB=(tsin(β+θ))²+(r-tcos(β+θ))²

图7(a)给出了在一个恒星日内卫星与用户之间的距离相对卫星在赤道上空时与用户之间距离的曲线，图7(b)给出了一个恒星日内两颗卫星与用户之间距离差的曲线，从图中可以发现距离差可以拟合为曲线

$>d\left(x\right)=-500\cos (\frac{\mathrm{\pi x}}{12}+\frac{3\pi }{50})-10\cos (\frac{\mathrm{\pi x}}{12}+\frac{\pi }{4}),x=0~24$>

拟合误差如图7(c)所示。通常由于卫星摄动以及其他因素的影响，完全理想的拟合是几乎难以实现的。假设拟合误差不可补偿，当用户信息速率为100Mbps时，发送端所需的理想的循环前缀长度如图7(d)所示。当用户帧长为1024时，理想的自适应的循环前缀效率为1024/(1024+280)=79％，当CP长度无法自适应时，需要设定CP为最大值，如CP=450，此时效率为仅为1024/(1024+450)=69％！

采用基于反馈的单载波自适应循环前缀的双星分集传输方法时，传输的步骤可以描述为：

(1)设定循环前缀长度为CP=450，设定统计区间为60min，统计参数为误帧率FER，设定第1个统计区间的FER为门限FER，即FER_t=FER₁，初始步长N=8。

(2)当第2个统计区间的FER_i≤FER_t时，接收端反馈0，发送端将CP减少N bit，即CP=CP-N；

(3)当第2个统计区间的FER_i>FER_t时，接收端反馈1，发送端将CP增加N bit，即CP=CP+N；

(4)连续两个统计区间FER变化和第i个区间CP调整的方式如表3所示：

表3

(5)当CP-N≤0，CP＝CP，N=N/2；当CP+N>450时，CP=450，N=N/2。

根据上述方法，CP调整曲线如图8所示。可以统计出此时效率为1024/(1024+306)=77％，与理想的CP传输效率仅下降2％。为进一步提高自适应精度，可以考虑细化统计区间。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。