CN101521651B - 下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法，它涉及卫星通信及移动通信技术领域，它解决了未来宽带多媒体卫星系统目前尚没有最优的多址接入体制的星上处理方法的问题。本发明中有两种下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法：一种是采用OFDMA方式，它的一个特点是通过快速傅立叶变换简单的实现高速传输处理；另外一个特点就是通过使用循环前缀而使它对于多径信道损耗和符号间干扰具有较强的鲁棒性；而在接收端是带有信道估计和均衡功能的结构。另一种采用SC-FDMA方式，它在串/并模块后增加离散傅立叶变换扩展模块，而后进入快速傅立叶逆变换模块，这样使得PAPR值下降。本发明实现方法简单、设计合理、性能可靠，具有较大的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信及移动通信技术领域，具体涉及下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法。
背景技术
卫星通信系统是下一代通信系统中最基本的一部分，利用卫星进行通信可以更好的满足下一代通信中高速、高质及多媒体业务的需求。采用卫星的空间段部分和地面段部分组成一个一体化的多层通信体系结构。
尽管目前的卫星系统能够通过使用不同的频带，提供比传统的系统更高的比特速率和更高的容量，但是它们的比特速率仍然要远远低于3G或4G地面移动系统。为了满足这种新的空间段和地面段的一体化系统中的业务需要，因此给空中接口技术带来了更多的挑战。由于卫星系统和地面无线系统的差异，对于未来卫星系统来说，目前没有最终最优的多址体制。尽管现在有多种多址技术，如CDMA、TDMA、FDMA，但是每一种只适合于不同的应用形式。虽然这些方法能够对固定的业务提供较优化的解决方法，但是它们不能在下一代的宽带通信业务中同样表现出较好的特性。未来B3G或4G的宽带通信系统的目标是空间段和地面段的无缝漫游。因此，如何选择适合卫星链路的多址接入方式是下一代无线通信系统需要解决的一个必要的问题。
下一代无线通信系统是一个由基于卫星的空间段和地面段组成的一体化系统。尽管已经提出多种多址接入体制，但是对于宽带卫星通信链路，尤其下行链路的接入方式还不十分清楚。基于OFDM技术的OFDMA和基于DFT-S-OFDM的SC-FDMA体制，因为它们本身的优势而成为卫星链路的可选接入方式。然而，问题在于OFDM具有较高的峰均值功率比(PAPR)特性，将导致高功率放大器(HPA)的损耗。
发明内容
本发明为了解决未来宽带多媒体卫星系统目前尚没有最优的多址接入体制的星上处理方法的问题，而提出了下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法。
本发明中有两种下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法：一种是采用OFDMA方式的下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法，另一种采用SC-FDMA方式的下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法。
上行链路采用OFDMA方式的发射信号处理方法：
步骤A1、输入的比特流通过编码后经串/并转换得到并行的频域信号序列，然后通过映射得到星座点符号，此星座点符号进行调制后得到并行符号流X′(n)；
步骤A2、并行的频域信号序列X′(n)和并行的频域导频信号序列P′(n)进行频域导频插入，后经快速傅立叶逆变换(IFFT)变换得到并行的时域信号序列X(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤A3、并行的时域信号序列X(n)插入循环前缀后，得到并行的时域信号序列Z(n)；
步骤A4、并行的时域信号序列Z(n)进行并/串转换，而后经过星地信道发送到地面接收端；
下行链路采用OFDMA方式的接收信号处理方法：
步骤A5、接收到的时域接收信号序列C(n)分成两路进行传输：进行串/并转换，得到并行的时域接收信号序列和时域导频信号序列P(n)；
一路去除循环前缀后进行快速傅立叶变换(FFT)变换得到并行的频域信号序列D′(n)；
另一路进行信道估计得到并行的信道频率响应序列
步骤A7、并行的频域信号序列D′(n)和并行的信道频率响应序列
进行迫零均衡后得到并行的估计信号序列
步骤A8、并行的估计信号序列
进行并/串转换、解映射和解调后输出信号。
上行链路采用SC-FDMA方式的发射信号处理方法：
步骤B1、输入的比特流通过编码后映射得到星座点符号，此星座点符号进行调制后得到符号流，后经串/并转换得到并行的频域信号序列X″(n)；
步骤B2、并行的频域信号序列X″(n)和并行的时域导频信号序列P′(n)进行频域导频插入后，经离散傅立叶变换(DFT)扩展模块得到X′(n)，后经快速傅立叶逆变换(IFFT)变换得到并行的时域信号序列X(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤B3、并行的时域信号序列X(n)插入循环前缀后，进行并/串转换，得到并行的时域信号序列Z(n)；
步骤B4、并行的时域信号序列Z(n)而后通过星地信道发送到地面接收端；
下行链路采用SC-FDMA方式的接收信号处理方法：
步骤B5、接收到的信号进行串/并转换，得到并行的时域接收信号序列C(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤B6、并行的时域接收信号序列C(n)分成两路进行传输：
一路去除循环前缀后进行快速傅立叶变换(FFT)变换得到并行的频域信号序列D′(n)；
另一路进行信道估计得到信道冲激响应而后进行快速傅立叶变换(FFT)变换后得到并行的信道频率响应序列
步骤B7、并行的频域信号序列D′(n)和并行的信道频率响应序列进行迫零均衡后得到并行的估计信号序列
步骤B8、并行的估计信号序列
进行并/串转换、解映射和解调后输出信号。
本发明利用了现有移动通信的新技术和新体制，能够更好的促进下一代卫星通信系统与现有地面无线系统的融合，并提高卫星通信系统的性能。
OFDM是一种在无线信道下的高效传输体制，它的最重要的特性就是在频率选择性信道下，它有较强的抗多径和窄带干扰的能力，主要是由于在应用中采用循环前缀(CP)作为保护间隔而带来的效果。对于接收机来说在应用中采用导频辅助的信道估计是非常必要的，它与均衡相结合能够很好的改善接收端的性能。而传统的时域均衡比频域均衡的复杂度要高。因此，在接收机端一般采用频域均衡方式。另外，OFDM技术恰好满足的高频谱效率的需求。而且，它能通过减少子载波的数目和保护带来达到更高的频率效率，且对于不同的用户更灵活，另外，基于DFT的OFDM技术可以减小基站的设备复杂度。因此，基于OFDM体制的技术是卫星链路的较好解决方案。
OFDMA即可以看作是OFDM体制的多用户版本，也可以看作是带有TDMA的OFDM形式。OFDMA的多址访问通过将子载波组分配给每个用户来实现的。这样，在这种体制中允许具有常量延时的低速数据传输和来自不同用户的更短的时延。然而，OFDMA还可以被看作是频域和时域多址访问的联合形式，这种形式下资源在时间-频率空间分配，而OFDM符号的时隙则如OFDM子载波序列一样。因此，OFDMA因其具有诸如MIMO的友好性及能充分利用信道的频率选择性的优势被认为是最适合宽带无线网络的多址方式。然而，OFDM因其具有导致高功率放大器(HPA)损耗的较高PAPR的特点而质疑。
基于DFT-S(Spreading)-OFDM的SC-FDMA是OFDMA的另一替代形式，也可以把它看作是一种交织的FDMA。实际上，DFT-S(Spreading)-OFDM的原理与OFDM一样。目前，SC-FDMA因其本身具有与OFDMA相比较低的PAPR已经被3GPP LTE的上行链路所采用，而OFDMA通过灵活的频率间隔设置可以获得更多的先进性。
本发明实现方法简单，在所提出的下一代宽带卫星通信系统的背景下，根据不同的接入方案，通过改变星上处理模块的相应设计而有效的实现；同时，本发明设计合理、性能可靠，具有较大的推广价值。
附图说明
图1是本发明的下一代通信系统的结构示意图；图2是采用OFDMA方式的下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法流程图；图3是采用SC-FDMA方式的下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法流程图；图4是本发明的星上处理模块的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式；本实施方式中的下一代通信系统由空间段和地面段组成；空间段由一颗GEO卫星和带有星间链路(ISL)的LEO卫星组成；而多媒体业务和数据通过上/下行链路传输；地面段基于不同的网络，尤其是全IP网络。
基于OFDM技术有两种下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法：一种是采用OFDMA方式的下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法，另一种采用SC-FDMA方式的下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法。
上行链路采用OFDMA方式的发射信号处理方法：
步骤A1、输入的比特流通过编码后经串/并转换得到并行的频域信号序列，然后通过映射得到星座点符号，此星座点符号进行调制后得到并行符号流X′(n)；
步骤A2、并行的频域信号序列X′(n)和并行的频域导频信号序列P′(n)进行频域导频插入，后经快速傅立叶逆变换(IFFT)变换得到并行的时域信号序列X(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤A3、并行的时域信号序列X(n)插入循环前缀后，得到并行的时域信号序列Z(n)；
步骤A4、并行的时域信号序列Z(n)进行并/串转换，而后经过星地信道发送到地面接收端；
下行链路采用OFDMA方式的接收信号处理方法：
步骤A5、接收到的时域接收信号序列C(n)分成两路进行传输：进行串/并转换，得到并行的时域接收信号序列和时域导频信号序列P(n)；
一路去除循环前缀后进行快速傅立叶变换(FFT)变换得到并行的频域信号序列D′(n)；
另一路进行信道估计得到并行的信道频率响应序列
步骤A7、并行的频域信号序列D′(n)和并行的信道频率响应序列
进行迫零均衡后得到并行的估计信号序列
步骤A8、并行的估计信号序列进行并/串转换、解映射和解调后输出信号。
本方法的上/下行链路均采用OFDMA接入体制的第一个特点就是可以通过快速傅立叶变换(FFT)简单的实现高速传输处理。多个数据通过多个子载波进行传输，因此数据速率减小。同时，宽带信道被分成窄带信道，可以抵抗符号间干扰。另外一个特点就是通过使用循环前缀(CP)而使它对于多径信道损耗和符号间干扰(ISI)具有较强的鲁棒性。CP是原来OFDM符号后部分的重复体加在每个符号的前面，而且为了避免ISI和子载波间干扰(ICI)，一般CP的时长比信道的最大时延长。在考虑准确的同步的前提下，本发明考虑在接收端是带有信道估计和均衡功能的结构。
上行链路采用SC-FDMA方式的发射信号处理方法：
步骤B1、输入的比特流通过编码后映射得到星座点符号，此星座点符号进行调制后得到符号流，后经串/并转换得到并行的频域信号序列X″(n)；
步骤B2、并行的频域信号序列X″(n)和并行的时域导频信号序列P′(n)进行频域导频插入后，经离散傅立叶变换(DFT)扩展模块得到X′(n)，后经快速傅立叶逆变换(IFFT)变换得到并行的时域信号序列X(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤B3、并行的时域信号序列X(n)插入循环前缀后，进行并/串转换，得到并行的时域信号序列Z(n)；
步骤B4、并行的时域信号序列Z(n)而后通过星地信道发送到地面接收端；
下行链路采用SC-FDMA方式的接收信号处理方法：
步骤B5、接收到的信号进行串/并转换，得到并行的时域接收信号序列C(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤B6、并行的时域接收信号序列C(n)分成两路进行传输：
一路去除循环前缀后进行快速傅立叶变换(FFT)变换得到并行的频域信号序列D′(n)；
另一路进行信道估计得到信道冲激响应
而后进行快速傅立叶变换(FFT)变换后得到并行的信道频率响应序列
步骤B7、并行的频域信号序列D′(n)和并行的信道频率响应序列
进行迫零均衡后得到并行的估计信号序列
步骤B8、并行的估计信号序列
进行并/串转换、解映射和解调后输出信号。
SC-FDMA也可以被叫做DFT-OFDM，它的最大特点就是在同样的情况下，与OFDM相比，SC-FDMA体制下的PAPR性能良好。它具有比OFDM较低的PAPR值。虽然SC-FDMA体制与OFDMA具有相似的原理，但它在串/并模块后增加离散傅立叶变换(DFT)扩展模块，而后进入快速傅立叶逆变换(IFFT)模块，这样使得PAPR值下降。
星上处理模块上采用了OFDM和DFT-S-OFDM模块。
星上交换用来把来自给定的网关的TDM数据根据不同的路由分送到各个波束。而采用简单的快速傅立叶变换(FFT)器件可以简化星上交换的结构，因为不需要复杂的载波解复用滤波器来分离载波。
首先，信号经过低噪声放大器(LNA)和反转多路复用器(IMUX)进行处理，然后根据OFDMA或SC-FDMA体制的要求，在星上采用相应的OFDM或DFT-S-OFDM调制模块的模块对从反转多路复用器(IMUX)输出的信号进行相应的解调，然后在进行基于IP/MPLS交换技术的星上交换后进行调制；
而后，经过高功率放大器(HPA)模块和输出多路复用器(OMUX)滤波器组的信号，通过天线发射到链路信道；
当有直视路径LOS存在的时候，链路的信道为频率选择性莱斯衰落的模型，而当直视路径LOS不存在的时候，链路的信道响应的包络将服从瑞利分布。
Claims (2)
1.下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法，其特征在于
下一代通信系统由空间段和地面段组成；空间段由一颗GEO卫星和带有星间链路的LEO卫星组成；星上处理模块上采用了OFDM和DFT-S-OFDM模块；
上行链路采用OFDMA方式的发射信号处理方法：
步骤A1、输入的比特流通过编码后经串/并转换得到并行的频域信号序列，然后通过映射得到星座点符号，此星座点符号进行调制后得到并行符号流X′(n)；
步骤A2、并行的频域信号序列X′(n)和并行的频域导频信号序列P′(n)进行频域导频插入，后经快速傅立叶逆变换(IFFT)变换得到并行的时域信号序列X(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤A3、并行的时域信号序列X(n)插入循环前缀后，得到并行的时域信号序列Z(n)；
步骤A4、并行的时域信号序列Z(n)进行并/串转换，而后经过星地信道发送到地面接收端；
下行链路采用OFDMA方式的接收信号处理方法：
步骤A5、接收到的时域接收信号序列C(n)分成两路进行传输：进行串/并转换，得到并行的时域接收信号序列和时域导频信号序列P(n)；
一路去除循环前缀后进行快速傅立叶变换(FFT)变换得到并行的频域信号序列D′(n)；
另一路进行信道估计得到并行的信道频率响应序列
步骤A7、并行的频域信号序列D′(n)和并行的信道频率响应序列
进行迫零均衡后得到并行的估计信号序列
步骤A8、并行的估计信号序列进行并/串转换、解映射和解调后输出信号。
2.下一代通信系统中宽带卫星通信链路多址信号处理方法，其特征在于
下一代通信系统由空间段和地面段组成；空间段由一颗GEO卫星和带有星间链路的LEO卫星组成；星上处理模块上采用了OFDM和DFT-S-OFDM模块；
上行链路采用SC-FDMA方式的发射信号处理方法：
步骤B1、输入的比特流通过编码后映射得到星座点符号，此星座点符号进行调制后得到符号流，后经串/并转换得到并行的频域信号序列X″(n)；
步骤B2、并行的频域信号序列X″(n)和并行的时域导频信号序列P′(n)进行频域导频插入后，经离散傅立叶变换(DFT)扩展模块得到X′(n)，后经快速傅立叶逆变换(IFFT)变换得到并行的时域信号序列X(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤B3、并行的时域信号序列X(n)插入循环前缀后，进行并/串转换，得到并行的时域信号序列Z(n)；
步骤B4、并行的时域信号序列Z(n)而后通过星地信道发送到地面接收端；
下行链路采用SC-FDMA方式的接收信号处理方法：
步骤B5、接收到的信号进行串/并转换，得到并行的时域接收信号序列C(n)和时域导频信号序列P(n)；
步骤B6、并行的时域接收信号序列C(n)分成两路进行传输：
一路去除循环前缀后进行快速傅立叶变换(FFT)变换得到并行的频域信号序列D′(n)；
另一路进行信道估计得到信道冲激响应
而后进行快速傅立叶变换(FFT)变换后得到并行的信道频率响应序列
步骤B7、并行的频域信号序列D′(n)和并行的信道频率响应序列进行迫零均衡后得到并行的估计信号序列
步骤B8、并行的估计信号序列进行并/串转换、解映射和解调后输出信号。
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