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CN114024813A - 一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法 - Google Patents

一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法，涉及卫星移动通信领域。该方法在低轨星座系统中设计广播控制信道采用OFDM子载波联合CDMA频域扩频体制完成主同步信道、辅同步信道、公共广播信道以及公共导频信道；针对低轨星座中卫星和终端的相对位置发生快速变化，导致多普勒频率快速变化，可利用PSS信道进行大动态环境下快速同步捕获，同时利用设计SSS信道完成小区标识Cell_ID解析和无线帧同步，然后利用PBCH信道解析完成无线超帧同步，最后可以用公共导频设计完成多普勒环境下定时频率跟踪。

Description

一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法
技术领域
本发明属于卫星移动通信领域，特别是指一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法。
背景技术
国外的低频段低轨移动通信星座Iridium、Globalstar、Orbcomm早已投入运行，并以开始升级换代工作；我国现今还没有运营的低轨星座，目前国内多个单位提出了不同类型的低轨星座设计方案如虹云、鸿雁、天地一体化等。当前低轨卫星网络作为卫星网络重要的组成部分，相对于地面移动通信系统的主要覆盖范围为人员密集区域，面对人员稀少以及自然地理障碍劣势区域，低轨卫星系统成为地面移动通信系统的重要补充；除此之外，低轨卫星通信系统凭借其运行轨道较低、传输时延短、覆盖范围广及组网灵活等独特优势，可以对接入用户提供任意时间和任意地点服务；在反恐斗争、野外作业，飞机远洋等行动中发挥重要的作用。
目前低轨卫星移动通信系统链路传输体制，主要有两个发展趋势，一个趋势是采用CDMA传输技术，如Globalstar低轨卫星系统；另一个趋势是混合传输技术，如Iridium低轨卫星系统采用FDMA和TDMA相结合的MF-TDMA传输技术。但是无论是FDMA、TDMA还是CDMA传输技术，对于低轨卫星系统的链路传输都有一定的劣势；相对于TDMA，CDMA可以通过分集接收有效抑制多径衰落；并且对于多径数量较多传输链路，需增加CDMA传输系统的接收机设备复杂度。在低轨卫星MF-TDMA传输系统中，转发器带宽分成多个频率段，然后通过时分方式为多个移动用户终端所共用，该传输技术的缺点是频带利用率低，同时需要联合两种传输体制，使得发射机和接收设备的复杂度变高。
在目前低轨传输技术研究中主流传输体制设计都是将地面第三代、四代以及5G标准中部分传输体制搬移到卫星场景中并进行相关适用性体制论证和设计工作。在提高频带利用率方面，可利用OFDM技术可以解决频带资源受限的制约以获得较佳的频带资源分配性能，并且OFDM技术通过循环前缀作为保护间隔来提高低轨宽带卫星系统的抗频率选择性衰落信道性能；同时在OFDM中利用CDMA扩频可以更进一步有效降低卫星发射功率的谱密度，并有效抑制多径衰落。但是，针对低轨卫星星座大多普勒特征以及地面基站载荷上星的需求，现有技术中尚未提出OFDM结合CDMA频域扩频的低轨卫星星座系统广播信道设计和配置方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法，该方法可对低轨卫星星座系统中的同步信道以及公共广播信道进行信道设计，并对卫星波束各小区广播信道进行配置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法，包括以下步骤：
(1)设计公共广播信道无线帧格式由子帧和无线帧组成，其中每个子帧时域包含14个OFDM符号，频域占用2n个连续子载波，n≥7，并且各子载波间隔设计为7.5K*2u，0≤u≤4；
(2)设计主同步信号采用小m序列生成，其中小m序列长度为2n-1，并且最后一个频域子载波位置填0组成长度为2n长同步序列；
(3)设计辅同步信号采用长为2k-1的小m序列循环移位生成，并进行2(n-k)次重复映射，频域映射中首尾子载波位置需均匀填0，重新组成2n长序列；
(4)设计广播信道采用BPSK/QPSK调制，每调制符号采用2n长OVSF码进行频域扩频，扩频码码道和小区标识Cell_ID呈对应关系，并占用全部2n子载波；
(5)设计公共导频信道的发送为固定调制符号，每调制符号采用2n长OVSF码进行频域扩频，扩频码码道和小区标识Cell_ID呈对应关系，并占用全部2n子载波；
(6)对应步骤(2)中的主同步信号设计，将主同步信号配置为在每小区的每子帧中占用前半子帧中任意一个符号，并且所有子帧中主同步信号信号格式相同，主同步信号的具体时域符号位置和小区标识Cell_ID编号模7呈对应相关；
(7)对应步骤(3)中的辅同步信号设计，将辅同步信号配置为在每个子帧中小m序列生成和循环移位只和小区Cell_ID以及子帧号相关，并且在每子帧中辅同步信号占用后半子帧中一个符号，具体时域符号位置和小区标识Cell_ID编号模7呈对应关系；
(8)对应步骤(4)中的广播信道设计，将广播信道配置为在每个小区中除了主同步信号和辅同步信号所在时域符号位置外，占用一个无线帧中其余全部时域符号位置；
(9)对应步骤(5)中的公共导频信道设计，将公共导频信道配置为在每个小区符号格式相同，但是采用扩频码码道不一样，并且占用一个无线帧中全部时域符号位置；
(10)对应步骤(2)～(5)的设计，除了主同步信号和辅同步信号的信道，广播信道和公共导频信道在每个小区完成频域扩频后均进行加扰处理，扰码号和小区标识Cell_ID编号模7呈对应关系。
本发明的有益效果在于：
1、本发明基于低轨卫星星座系统大多普勒环境以及卫星载荷公共信道发射低功率谱需求，可以有效地完成低轨星座大多普勒环境下快速同步捕获以及大多普勒变化率下载波跟踪。
2、本发明采用OFDM技术，可有效对抗高速移动下多径效应，减少码间串扰，同时可提升频谱效率。
3、本发明采用码分多址技术，可利用扩频增益有效降低卫星载荷的功率谱密度，同时提升地面终端在干扰环境下的接收性能，系统抗干扰能力得到增强。
附图说明
图1为本发明实施例中的广播信道时域和频域帧结构框图；
图2为本发明实施例中的低轨卫星小区波束划分图；
图3为本发明每子帧符号组成示意图；
图4为本发明实施例中各个信道数字信号处理流程图。
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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法，该方法在低轨星座系统中采用OFDM联合CDMA频域扩频体制完成主同步信道PSS、辅同步信道SSS、公共广播信道PBCH以及公共导频信道CPICH设计。
具体设计思路如下：
(1)公共广播信道采用了OFDM+CDMA频域扩频的多址技术；无线帧格式由子帧和无线帧组成，其中每个子帧在时域上包含14个OFDM符号，频域占用2n个连续子载波(n≥7)，且各子载波间隔通常设计为7.5K*2u(0≤u≤4)；并且每无线子帧中的第1个和第7个OFDM符号采用循环前缀格式0(160Ts)，其余符号采用循环前缀格式1(144Ts)，具体循环前缀长度和子载波间隔相关；
(2)在第一方面内容的基础上，主同步信号(PSS)设计采用小m序列生成，其中小m序列长度为2n-1，并且最后一个频域子载波位置填0组成长度为2n长同步序列；辅同步信号(SSS)设计采用长为2k-1的小m序列循环移位组成，并且在每个OFDM符号上进行2(n-k)次重复映射，在频域映射中首尾子载波位置需均匀填0，重新组成2n长序列；
(3)在第一方面内容的基础上，广播信道(PBCH)采用BPSK/QPSK调制，每调制符号采用2n长OVSF码进行频域扩频，具体采用扩频码码道和卫星波束小区标识Cell_ID呈对应关系，并占用全部2n子载波；公共导频信道(CPICH)发送为固定调制符号，每调制符号采用2n长OVSF码进行频域扩频，具体采用扩频码码道和卫星波束小区标识Cell_ID呈对应关系，并占用全部2n子载波；
(4)第二方面内容在主/辅同步信号设计中将时域占用符号位置和小区标识Cell_ID相结合，不同小区PSS/SSS占用不同符号位置且在时间上呈离散分布，可有效降低卫星的峰值功率并有利于终端完成波束测量；而且本小区和邻小区公共信道采用同频复用，PBCH和CPICH信道配置在频域采用码分多址和加扰处理，既可显著降低卫星的公共信道发射功率谱密度，又能增强公共信道的抗干扰能力。
(5)在第二方面内容的基础上，PSS具体配置标准为在每小区的每子帧中占用前半子帧中任意一个符号，并且所有子帧中PSS信号格式相同，PSS具体时域符号位置和小区标识Cell_ID编号模7呈对应相关；SSS配置为在每个子帧中小m序列生成和循环移位只和小区标识Cell_ID以及子帧号相关，并且在每子帧中SSS占用后半子帧中一个符号，具体时域符号位置和小区标识Cell_ID编号模7呈对应关系；
(6)在第二方面内容的基础上，PBCH具体配置为在每个小区中除了PSS和SSS所在时域符号位置外，占用一个无线帧中其余全部时域符号位置；CPICH具体配置为每个小区调制符号相同，但是采用扩频码码道不一样，并且占用一个无线帧中全部时域符号；
(7)在第二方面内容的基础上，除了PSS和SSS信道，PBCH和CPICH信道在每个小区完成频域扩频后需要进行加扰处理，具体扰码号和小区标识Cell_ID编号模7呈对应关系。
以下为一个更具体的例子：
参照图1和3，假设小区标识Cell_ID％7＝0，设置PSS占用每个子帧的第1个OFDM符号，SSS占用每个子帧的第7个OFDM符号，PBCH占用除了PSS和SSS的所有符号，而CPICH占用全部的时域符号。
参照图2中低轨卫星小区波束划分图，整个卫星波束覆盖区域小区呈蜂窝分布，本小区和邻小区公共广播信道采用同频复用模式，并且不同波束小区具有不同的小区标识Cell_ID，保证了本小区和邻小区的PSS和SSS信号在时间上离散错开分布，从而有利于降低卫星的瞬时峰值功率，而且有利于终端进行邻区测量。
仍见图1，PSS和SSS信道频域占用512个子载波，PSS信道格式设计采用511＝(29-1)长小m序列，其生成多项式为：D^9+D^4+D^3+D^1+1，寄存器初始值[110010010]，生成的m序列为x(n)，其中0≤n＜511；设置如下关系式dpss＝1-2x(m)，m＝(n+43)mod 511，其中0≤n＜511，dpss(511)＝0。
PSS和SSS信道频域占用512个子载波，假设一无线帧包含10个无线子帧，每个子帧有1个SSS信号，即可利用SSS可以找到无线帧头位置和小区Cell_ID对应模7数值，SSS信道格式具体描述如下：SSS的频域信号产生长127＝(27-1)的m序列产生格式为dsssm(n)＝[1-2x((n+m)mod127)]，其中m＝NCell_IDmod 112，其中0≤n＜127，x(i+7)＝(x(i+1)+x(i))mod2，x寄存器初始值[x(6)x(5)x(4)x(3)x(2)x(1)x(0)]＝[0000001]，并且进行4＝2(9-7)次重复映射，即dsss(0)＝0，dsss(1)＝0，dsss(2:128)＝dsssm，dsss(129:255)＝dsssm，dsss(256:382)＝-dsssm，dsss(383:509)＝-dsssm，dsss(510)＝0，dsss(511)＝0；SSS每个子帧中对应NCell_ID的取值和小区标识Cell_ID以及每无线帧内无线子帧编号sfn_num有关系，具体对应关系为：NCell_ID＝10×(Cell_ID mod 7)+sfn_num，其中小区标识Cell_ID mod7取值范围为0,1,2,…,6；sfn_num取值范围为0,1,2,…9，NCell_ID变化范围为0-69，终端可以进行快速哈达码变换并联合连续10个子帧峰值，即可找到小区ID号和无线帧头位置所在子帧号。可以看出PSS和SSS占用符号位置只和小区标识Cell_ID后3比特相关，通过PSS和SSS可以完全获得无线帧定时信息，后面再通过PBCH解调译码就可以获得整个小区Cell_ID号和无线超帧帧定时同步。
参照图4，公共导频信道(CPICH)为固定速率的下行信道，每个子帧占用14个OFDM符号，频域上占用全部512个子载波，所有波束小区CPICH的信道化码固定为Cch,512,511。物理广播信道(PBCH)为固定速率的下行公共物理信道，用于传输系统广播信息，根据具体PBCH信息速率配置其帧长度，并可配置占用多个无线帧长，且在频域上占用全部512个子载波，对应一个扩频因子为512信道化码，信道化码为信道化码固定为Cch,512,n，n取值1～7，具体n取值由接入网通过SSS计获得小区标识(NCell_ID)决定；PBCH可采用BPSK/QPSK调制，并需要进行信道编码设计。由于频域上CPICH和PBCH占用全部512个子载波并且占满整个无线帧，不同小区采用同频复用模式，虽然不同小区采用不同的扩频码但是为了最大程度减少同频小区之间的相互干扰，本发明对PBCH和CPICH信道在频域扩频之后IFFT之前进行加扰处理，不同小区对应扰码号为小区标识Cell_ID mod7。
CPICH/PBCH信道映射参数
Figure BDA0003325168510000061
总之，本发明在低轨星座系统中设计广播控制信道采用OFDM子载波联合CDMA频域扩频体制完成主同步信道PSS、辅同步信道SSS、公共广播信道PBCH以及公共导频信道CPICH；针对低轨星座中卫星和终端的相对位置发生快速变化，导致多普勒频率快速变化，可利用PSS信道进行大动态环境下快速同步捕获，同时利用设计SSS信道完成小区标识Cell_ID解析和无线帧同步，然后利用PBCH信道解析完成无线超帧同步，最后可以用公共导频设计完成多普勒环境下定时频率跟踪。
利用本发明方法，可以有效地完成低轨星座大多普勒环境下快速同步捕获以及载波跟踪，并且主/辅同步信号设计将时域占用符号位置和小区标识Cell_ID相结合，不同小区PSS/SSS占用不同符号位置且在时间上呈离散分布，可有效降低卫星的峰值功率并有利于终端完成波束测量；而且本小区和邻小区公共信道采用同频复用，PBCH和CPICH信道配置频域采用码分多址模式，既可显著降低卫星的公共信道发射功率谱密度，又能增强公共信道的抗干扰能力。

Claims (1)

1.一种低轨卫星星座系统广播控制信道设计及配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计公共广播信道无线帧格式由子帧和无线帧组成，其中每个子帧时域包含14个OFDM符号，频域占用2n个连续子载波，n≥7，并且各子载波间隔设计为7.5K*2u，0≤u≤4；
(2)设计主同步信号采用小m序列生成，其中小m序列长度为2n-1，并且最后一个频域子载波位置填0组成长度为2n长同步序列；
(3)设计辅同步信号采用长为2k-1的小m序列循环移位生成，并进行2(n-k)次重复映射，频域映射中首尾子载波位置需均匀填0，重新组成2n长序列；
(4)设计广播信道采用BPSK/QPSK调制，每调制符号采用2n长OVSF码进行频域扩频，扩频码码道和小区标识Cell_ID呈对应关系，并占用全部2n子载波；
(5)设计公共导频信道的发送为固定调制符号，每调制符号采用2n长OVSF码进行频域扩频，扩频码码道和小区标识Cell_ID呈对应关系，并占用全部2n子载波；
(6)对应步骤(2)中的主同步信号设计，将主同步信号配置为在每小区的每子帧中占用前半子帧中任意一个符号，并且所有子帧中主同步信号信号格式相同，主同步信号的具体时域符号位置和小区标识Cell_ID编号模7呈对应相关；
(7)对应步骤(3)中的辅同步信号设计，将辅同步信号配置为在每个子帧中小m序列生成和循环移位只和小区Cell_ID以及子帧号相关，并且在每子帧中辅同步信号占用后半子帧中一个符号，具体时域符号位置和小区标识Cell_ID编号模7呈对应关系；
(8)对应步骤(4)中的广播信道设计，将广播信道配置为在每个小区中除了主同步信号和辅同步信号所在时域符号位置外，占用一个无线帧中其余全部时域符号位置；
(9)对应步骤(5)中的公共导频信道设计，将公共导频信道配置为在每个小区符号格式相同，但是采用扩频码码道不一样，并且占用一个无线帧中全部时域符号位置；
(10)对应步骤(2)～(5)的设计，除了主同步信号和辅同步信号的信道，广播信道和公共导频信道在每个小区完成频域扩频后均进行加扰处理，扰码号和小区标识Cell_ID编号模7呈对应关系。
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