[發(fā)明專利]一種自適應(yīng)的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星多普勒頻偏補(bǔ)償方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210208126.2
• 申請(qǐng)日: 2022-03-04
• 公開（公告）號(hào): CN114584442A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李佳珉;劉蕊;張子楓;朱鵬程;王東明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L27/00
• 分類號(hào): H04L27/00;H04L25/02;H04B7/185;H04B7/0413;H04B7/0456;H04W84/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 唐少群

本發(fā)明公開了一種自適應(yīng)的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星多普勒頻偏補(bǔ)償方法，該方法針對(duì)大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多普勒頻偏問題，給出了三個(gè)階段的補(bǔ)償方法，包括在基站端利用先驗(yàn)知識(shí)對(duì)衛(wèi)星DFO和用戶絕對(duì)DFO進(jìn)行估計(jì)和預(yù)補(bǔ)償，在用戶端采用波束對(duì)齊技術(shù)對(duì)用戶相對(duì)DFO進(jìn)行估計(jì)和精細(xì)補(bǔ)償。基于這三個(gè)階段，進(jìn)一步提出了自適應(yīng)補(bǔ)償算法即利用衛(wèi)星DFO的歷史估計(jì)值來調(diào)整DFO估計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)，在保證估計(jì)精度的同時(shí)，降低了計(jì)算復(fù)雜度。本發(fā)明能夠有效地調(diào)節(jié)多普勒估計(jì)和補(bǔ)償過程，適用于各種高速場(chǎng)景下的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自適應(yīng)的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星多普勒頻偏補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)

隨著信息全球化的快速發(fā)展，各種新興行業(yè)的不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能提出了更高的要求。因此，衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。移動(dòng)通信衛(wèi)星作為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，以其組網(wǎng)靈活迅速、傳輸質(zhì)量好、通信容量大和覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，能夠有效地解決傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力不足的問題。相較于其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)，低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星因其運(yùn)行在低軌道，具有造價(jià)成本低、鏈路損耗小、傳輸時(shí)延短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是最具潛力的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

大規(guī)模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出)作為第五代移動(dòng)通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過利用基站側(cè)的大規(guī)模天線陣列生成的空間域定向信號(hào)，可以在同一時(shí)頻資源下支持多個(gè)用戶與基站通信。因此，將大規(guī)模MIMO技術(shù)拓展應(yīng)用到低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，可以顯著地提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率效率和頻譜效率。

在大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星和地面用戶之間存在高速的相對(duì)移動(dòng)，將會(huì)產(chǎn)生快速時(shí)變的多普勒頻偏(Doppler Frequency Offset,DFO)效應(yīng)，造成信號(hào)的碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響地面接收端的接收性能。目前，解決衛(wèi)星多普勒頻偏問題的方法主要有兩類，相比于傳統(tǒng)的捕獲跟蹤方法，DFO估計(jì)和補(bǔ)償方法是利用衛(wèi)星和用戶運(yùn)動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)，正確估計(jì)出多普勒頻偏并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ擃惙椒ú恍枰~外的導(dǎo)頻開銷，更適用于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是正確估計(jì)的精度和計(jì)算復(fù)雜度存在矛盾，因此，研究低復(fù)雜度的自適應(yīng)多普勒估計(jì)和補(bǔ)償算法具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種自適應(yīng)的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星多普勒頻偏補(bǔ)償方法，在保證多普勒頻偏估計(jì)精度的同時(shí)，進(jìn)一步降低計(jì)算復(fù)雜度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種自適應(yīng)的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星多普勒頻偏補(bǔ)償方法，所述補(bǔ)償方法包括如下步驟：

步驟S1、針對(duì)一大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，確定其下行頻譜效率；

步驟S2、構(gòu)建DFO估計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)，其包括三個(gè)階段來進(jìn)行DFO估計(jì)和補(bǔ)償，其中，第一階段為衛(wèi)星基站端基于先驗(yàn)知識(shí)對(duì)衛(wèi)星DFO進(jìn)行估計(jì)和預(yù)補(bǔ)償，第二階段為衛(wèi)星基站端基于先驗(yàn)知識(shí)對(duì)用戶絕對(duì)DFO進(jìn)行估計(jì)和預(yù)補(bǔ)償，第三階段為用戶終端采用波束對(duì)齊技術(shù)對(duì)用戶相對(duì)DFO進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償；

步驟S3、根據(jù)步驟S2中構(gòu)建的DFO估計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)，執(zhí)行基于三階段的自適應(yīng)DFO補(bǔ)償算法，其中，在該算法中，若衛(wèi)星DFO的方差大于第一控制閾值且小于第二控制閥值，則將DFO估計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)中的第一階段和第二階段進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并且對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償；若衛(wèi)星DFO的方差大于第二控制閾值，則將DFO估計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)中的三個(gè)階段進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并且對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。

進(jìn)一步的，所述步驟S1，其具體包括：

步驟S101、針對(duì)一個(gè)基站天線數(shù)量為M，有N_u個(gè)單天線用戶的大規(guī)模MIMO低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中衛(wèi)星采用均勻天線陣列，下行用戶k與衛(wèi)星之間的多路徑信道模型為：