一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法及系统

摘要

本发明提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法及系统。该方法为：将短时突发载波信号进行匹配滤波，并捕获与本地序号同步的帧头，计算得到粗频偏估计值；对粗频偏估计后的信号进行扫频，实现精频偏估计；在扫频过程中进行CRC校验，当CRC校验正确时，退出扫频，以此时计算得到的精频偏估计值实现短时突发载波的同步；在扫频过程中如果超出扫频范围，则退出扫频，调整扫频范围后重新进行扫频，直至CRC校验正确时退出扫频，完成短时突发载波同步。该低轨卫星物联网短时突发载波同步方法通过粗频偏估计以及扫频实现精频偏估计结合的方式，可实现MF‑TDMA的载波同步。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法及系统。

背景技术

据预测，到2025年全世界物联网连接将超过270亿，物联网将涉及人类活动的各个领域。但对于依靠无线接入的物联网来说，除了物联网终端外，必须要有广覆盖、海量接入的通信网络。采用大量基站的地面网络，对于大部分陆地地区来说，是可以满足要求的。但是像海洋、戈壁等区域，基站建立与维护困难，建设资金昂贵，均难以建设大量基站。除了传统陆地基站外，建立卫星通信，使之成为地面通信的补充与延伸是可实现方案。

卫星通信系统利用卫星作为中继站来转发无线电波，进而实现终端之间的无线通信。低轨卫星是相对距离地球较近的卫星，可通过星间组网方式形成低轨卫星星座。卫星结为一个整体，对全球范围实现全覆盖，用户可以随时接入网络。低轨卫星具有通信容量大、覆盖面广、全球无缝连接、抗毁灭性强等特点。从物联网角度来说，低轨卫星物联网的本质，是利用低轨卫星作为基站接入，实现全球万物互联的商业价值。

低轨卫星相对地球高速运动，在通信过程中，会形成多普勒频偏。一方面，低轨卫星物联网通信的多普勒频偏达到1200Hz，同时存在250Hz/s的频偏变化率。另一方面，低轨卫星物联网通信数据量小，符号速率低，针对这种短突发通信，多普勒频偏对于信号解调的影响巨大。如何进行载波同步，消除多普勒频偏影响，同时保证载波同步的精度和复杂度，是一项既具有挑战性，又具有研究价值的关键技术。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法，包括以下步骤：

将短时突发载波信号进行匹配滤波，并捕获与本地前导序列同步的帧头，计算得到粗频偏估计值；

对粗频偏估计后的信号在设置的各频偏步长及频偏变化率步长下进行扫频，实现精频偏估计；

在扫频过程中进行CRC校验，当CRC校验正确时，退出扫频，以此时计算得到的精频偏估计值实现短时突发载波的同步；在扫频过程中如果超出扫频范围，则退出扫频，调整扫频范围后重新进行扫频，直至CRC校验正确时退出扫频，完成短时突发载波同步。

该低轨卫星物联网短时突发载波同步方法通过粗频偏估计以及扫频实现精频偏估计结合的方式，可实现MF-TDMA的载波同步。

该低轨卫星物联网短时突发载波同步方法的优选方案：

对匹配滤波后短时突发载波信号采用滑动窗口依次滑动取样，将滑动的信号x与本地序列y做相关运算得到相关信号r；将相关信号r进行FFT变换至频域，寻找相关信号r的频域信号峰值，以及该峰值所处序列位置，捕获到与本地前导序列同步的帧头，得到粗频偏估计值。

粗频偏估计值计算方法为：获得最大相关峰对应的频域点数p，若p>FFT点数/2，粗频偏估计值＝-(FFT点数-p)*fs/FFT点数；若p

扫频时，在每种频偏步长及频偏变化率步长下基于所述粗频偏估计值计算频偏补偿，频偏补偿＝粗频偏估计值+扫频值，以CRC校验正确时所对应的频偏补偿作为精频偏估计值。

利用所述频偏补偿对短时突发载波信号进行补偿，对补偿后的信号进行匹配滤波，然后基于粗频偏估计时捕获的帧头进行定时抽样，将抽样所得信号与本地前导序列进行相关计算得到估计相位，对抽样所得信号进行相偏补偿。

该低轨卫星物联网短时突发载波同步方法的优选方案：将相关信号r尾部补零至2

本申请还提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波同步系统，包括处理器和与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述的低轨卫星物联网短时突发载波同步方法对应的操作。

本发明的有益效果是：本发明可以实现MF-TDMA物联网短突发的载波同步，满足多路用户的并行使用；而且采用快速傅里叶变换峰值检测和简单的快速扫频的方式，硬件实现复杂度低，有利于硬件实现，可在低轨卫星物联网上行传输时间内快速可靠地估计频偏，高效可靠地实现同步，且误差小，可控制在1Hz以内。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是低轨卫星物联网短时突发载波同步方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法的实施例。该实施例中，基于高动态、低信噪比的信道环境设计低轨卫星物联网通信上行传输系统，采用MF-TDMA方式，以10ksps符号速率为例，终端在10ms时间连续播发100符号长度的短时突发载波信号，其中包含16符号的前导序列进行同步估计。为了兼顾复杂度、处理时间与同步精度，本实施例提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波同步方法，可满足多用户的并行处理，载波同步精度达1Hz。

如图1所示，该方法首先是对短时突发载波信号进行匹配滤波，然后对匹配滤波后的信号进行粗频偏估计，具体地，针对时间同步不准确的问题，采用滑动窗口对短时突发载波信号进行采样，将每次滑动采样的信号x与本地前导序列y做相关计算得到r，即r＝x*conj(y)。滑动窗口的长度可根据实际可能的时偏确认，覆盖时偏偏移的符号数，窗口越长越准确，但消耗时间越多。本实施例中，滑动窗口的长度优选但不限于为40。

对相关信号r尾部补零至2

从滑动窗口所得到的所有信号中寻找频域信号峰值及峰值所处序列位置，即捕获到了帧头(帧头是获得最大相关峰时对应滑动的长度，最大相关峰即为最大峰均比对应的频域点数)，使短时突发载波信号与本地序列对齐，得到了粗频偏估计值。

粗频偏估计值计算方法为：获得最大相关峰对应的频域点数p，若p>FFT点数/2，粗频偏估计值＝-(FFT点数-p)*fs/FFT点数；若p

针对1200Hz的多普勒频偏和250Hz/s的频偏变化率，粗频偏估计实现10Hz误差内的载波同步。在粗频偏估计之后，进行扫频提高频偏估计精度，在扫频过程中进行CRC校验，当CRC校验正确时，退出扫频，以此时计算得到的精频偏估计值实现短时突发载波的同步；在扫频过程中如果超出扫频范围，则退出扫频，调整扫频范围后重新进行扫频，直至CRC校验正确时退出扫频，完成短时突发载波同步。

本实施例中，在整个扫频中采用3Hz的频偏步长搜索-9Hz到9Hz的扫频频偏范围、以45Hz/s的频偏变化率步长搜索-225Hz/s到225Hz/s的扫频频偏变化范围，在每种频偏步长及频偏变化率步长下均进行如下步骤：

基于粗频偏估计值计算频偏补偿，频偏补偿＝粗频偏估计值+扫频值。扫频值即为在扫频时，当前所采用的频偏值。利用该频偏补偿对短时突发载波信号进行频偏补偿，即q＝u*exp(-j*2π*Δf*w/Fs)，其中w＝(0:1:len),len指信号u的长度，Δf为粗频偏估计值，Fs为采样率，u为短时突发载波信号,j为虚部。

将粗频偏补偿后的信号经过匹配滤波，然后基于粗频偏估计时捕获的帧头对匹配滤波后的信号进行定时抽样。

将抽样所得信号与本地前导序列y进行相关计算得到估计相位，并对抽样所得信号进行相偏补偿。

当CRC校验正确时，退出扫频，以CRC校验正确时所对应的频偏补偿作为精频偏估计值,以此时计算得到的精频偏估计值实现短时突发载波的同步。本实施例中，精频偏估计的扫频过程能实现1Hz的载波同步精度。扫频过程中如果超出扫频范围,CRC检验仍未通过，则退出扫频，调整扫频范围后重新进行扫频，直至CRC校验正确时退出扫频，完成短时突发载波同步。

该实施例同样可用于实现多频点业务的载波同步。另外，本实施例采用快速傅里叶变换峰值检测和简单的快速扫频，既有利于硬件实现，又能高效可靠地实现同步。

值得一提的是本实施例的一种优选方案：

在对短时突发载波信号进行捕获时将相关信号r进行FFT变换至频域后，计算每个FFT变换后相关信号c的峰均比；峰均比ρ＝2

取所有相关信号c中最大的k个峰均比,k为正整数，将其对应滑动数作为偏移帧头，k优选但不限于为3。

利用所述k个峰均比对应的偏移帧头和频偏依次对所述k个峰均比对应的滑动后的信号进行验证，解调出信号得到最终捕获结果，即最后通过验证的峰均比对应的偏移帧头即为精频偏估计时捕获的帧头。

本申请还提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波同步系统，其包括处理器和与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述的低轨卫星物联网短时突发载波同步方法对应的操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。