一种低轨互联网卫星通信系统及其初始同步的方法和装置

技术领域

本申请涉及低轨卫星同步技术领域，具体而言涉及一种低轨互联网卫星通信系统及其初始同步的方法和装置。

背景技术

随着低轨互联网卫星及移动通信技术的不断发展，用户对高速率、低延迟以及灵活切换移动通信系统的需求不断增长。相比于地面移动通信系统，由低轨互联网卫星与地面终端设备构成的低轨互联网卫星通信系统，其最大优势是其覆盖范围更广，多颗卫星组成星座即可实现全球覆盖。但是它也存在比较明显的劣势，就是由于低轨卫星轨道高度相对较低，卫星运动速度可达几公里每秒，导致其地面终端设备与卫星之间存在较大的多普勒频移，进而影响其后续信号处理中的同步与解调。

正交频分复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)技术作为地面第四代移动通信(4G)和第五代移动通信(5G)的关键技术之一，是一种典型的多载波技术。其通过多个子载波相互正交，显著提升频谱利用率，进而提高数据传输速率。3GPP组织在制定5G标准时，在星地融合通信方面提出多种预案。其中，在低轨卫星移动通信中提出采用以OFDM作为多载波基础波形正成为当前研究的热点。但是，OFDM系统应用于低轨卫星通信也面临着一些需要解决的问题，主要就是卫星与地面终端高速运动场景下造成的大尺度大动态多普勒频偏会在OFDM系统中引入较大的子载波干扰(ICI)，导致现有低轨卫星移动通信无法实现精确的频率同步，进而降低了系统的传输质量。

发明内容

为了克服现有低轨卫星移动通信中存在大的多普勒频移导致同步精度不高的问题，本申请实施例提供了一种低轨互联网卫星通信系统及其初始同步的方法和装置。

依据本申请的第一方面，提供了一种低轨互联网卫星通信系统的初始同步方法，所述方法由地面终端设备执行，包括如下步骤：

S1，生成固定长度的m序列，对所述m序列进行对称DPSK调制生成本地参考序列；

S2，对低轨互联网卫星发射的下行信号进行监听，一旦监听到，对所述下行信号进行完整接收并进行下变频和滤波的预处理；其中，所述下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，且每个同步序列的长度与所述本地参考序列的长度相同；

S3，对预处理后的所述下行信号进行滑动截取，每次截取长度与所述本地参考序列的长度相同，将每次截取到的信号序列依次与所述本地参考序列进行互相关处理；

S4，对互相关处理结果进行峰值检测，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则判定所述下行信号中包含有与所述本地参考序列匹配的多个同步序列，并根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出所述下行信号的信号段的起始位置。

依据本申请的第二方面，提供了一种低轨互联网卫星通信系统的初始同步装置，所述装置部署在地面终端设备，包括如下模块：

本地参考序列生成模块，用于生成固定长度的m序列，对所述m序列进行对称DPSK调制生成本地参考序列；

监听模块，用于对低轨互联网卫星发射的下行信号进行监听，一旦监听到，对所述下行信号进行完整接收并进行下变频和滤波的预处理；其中，所述下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，且每个同步序列的长度与所述本地参考序列的长度相同；

互相关处理模块，用于对预处理后的所述下行信号进行滑动截取，每次截取长度与所述本地参考序列的长度相同，将每次截取到的信号序列依次与所述本地参考序列进行互相关处理；

峰值检测模块，用于对互相关处理结果进行峰值检测，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则判定所述下行信号中包含有与所述本地参考序列匹配的多个同步序列，并根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出所述下行信号的信号段的起始位置。

依据本申请的第三方面，提供了一种低轨互联网卫星通信系统，所述系统包括低轨互联网卫星和多个地面终端设备，其中：

每个所述地面终端设备用于生成固定长度的m序列，对所述m序列进行对称DPSK调制生成本地参考序列；

所述低轨互联网卫星用于向多个所述地面终端设备发射下行信号，所述下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，每个同步序列的长度相同且与某个地面终端设备生成的本地参考序列相匹配；

每个所述地面终端设备还用于对所述低轨互联网卫星发射的下行信号进行监听，一旦监听到，对所述下行信号进行完整接收并进行下变频和滤波的预处理；对预处理后的所述下行信号进行滑动截取，每次截取长度与本地参考序列的长度相同，将每次截取到的信号序列依次与本地参考序列进行互相关处理；以及对互相关处理结果进行峰值检测，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则判定所述下行信号中包含有与本地参考序列匹配的多个同步序列，并根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出所述下行信号的信号段的起始位置。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

地面终端设备通过对固定长度的m序列进行对称DPSK调制生成本地参考序列，与常规二进制调制相比，不仅可以减少频谱泄漏，还能提高对多普勒的估计精度以及卫星通信中常见的定时不确定性；地面终端设备监听和接收低轨互联网卫星发射的下行信号，该下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，每个同步序列的长度与本地参考序列的长度相同，使得多个同步序列具有较好的自相关特性，相比于传统的仅构造单个同步序列的优势在于，可以通过相干累积，即使在低信噪比SNR下，依然可以获取较高的多普勒估计精度，进而可以实现精准的时频同步；地面终端设备通过对接收的下行信号进行滑动截取，每次截取长度与本地参考序列的长度相同，并将每次截取到的信号序列依次与本地参考序列进行互相关处理，进而通过对相关峰进行峰值检测，判断下行信号中是否包含有与本地参考序列匹配的同步序列，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出下行信号的信号段的起始位置，从而在大的多普勒频移的高动态场景下，实现了低轨互联网卫星与地面终端设备之间稳定的初始同步，为后续的信号解调解码做好铺垫。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了本申请实施例提供的一种低轨互联网卫星通信系统的初始同步方法的流程示意图；

图2示出了本申请实施例提供的本地参考序列与卫星下行信号的互相关处理结果示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种低轨互联网卫星通信系统的初始同步装置的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的低轨互联网卫星通信系统的架构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请实施例。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。

图1示出了本申请实施例提供的一种低轨互联网卫星通信系统的初始同步方法的流程示意图，该方法由地面终端设备执行，包括步骤S1至步骤S4：

S1，生成固定长度的m序列，对所述m序列进行对称DPSK调制生成本地参考序列。

该步骤S1具体包括：

首先由线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Register，LFSR)生成固定长度的m序列。

m序列是目前广泛应用的一种伪随机序列，其在通信领域有着广泛的应用，如扩频通信，卫星通信的码分多址，数字数据中的加密、加扰、同步、误码率测量等领域。在所有的伪随机序列中，m序列作为最重要、最基本的一种伪随机序列，它容易产生，规律性强，有很好的自相关性和较好的互相关特性。

m序列的每个比特表示正或负π/2相位旋转。对128位固定长度的m序列可以使用7阶斐波那契LFSR(外部LFSR，又称many-to-one)生成，其原始多项式为1+D

q

接着，对生成的m序列q

其中，b

与常规二进制调制相比，将固定长度的m序列进行对称DPSK调制，不仅可以减少频谱泄漏，还能提高对多普勒的估计精度以及卫星通信中常见的定时不确定性。

S2，对低轨互联网卫星发射的下行信号进行监听，一旦监听到，对所述下行信号进行完整接收并进行下变频和滤波的预处理；其中，所述下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，且每个同步序列的长度与所述本地参考序列的长度相同。

考虑到低轨卫星下行信号为TDM(Time Division Modulation，时分调制)调制方式，通常以突发的形式出现，故地面终端设备一旦监听到下行信号，则需要截取其整个突发以便对下行信号进行完整接收，并对接收到的信号进行下变频和滤波等预处理。

低轨互联网卫星的下行信号中的同步序列与本地参考序列有着紧密联系，为保证与地面终端设备实现精准初同步，在下行信号的信号段前面预先构造如下多个同步序列：

其中，p

低轨互联网卫星的下行信号具有循环前缀，也即主同步子序列。假设在下行信号中构造了8个同步序列，Q＝8，则主同步子序列重复了8次，且第一次做了相位反转。其中主同步子序列

通过在下行信号的信号段前面预先构造多个同步序列，每个同步序列的长度与本地参考序列的长度相同，使得多个同步序列具有较好的自相关特性，相比于传统单个同步序列，可以通过相干累积，即使在低信噪比SNR下，依然可以获取较高的多普勒估计精度，进而可以实现精准的时频同步。

S3，对预处理后的所述下行信号进行滑动截取，每次截取长度与所述本地参考序列的长度相同，将每次截取到的信号序列依次与所述本地参考序列进行互相关处理。

对经过滤波和下变频等预处理后的卫星下行信号进行滑动截取，每次依次截取长度与本地参考序列的长度相同，然后将截取到的信号序列与本地参考序列进行互相关处理。

本步骤S3具体包括：

对预处理后的下行信号s(t)进行滑动截取，每次依次截取长度与所述本地参考序列的长度相同且都为N，其中1≤t≤T，T为下行信号的序列长度；

将每次截取到的信号序列依次与本地参考序列进行互相关处理，公式如下：

其中p(k)为本地参考序列，m表示滑动截取的范围，s(m+k)为滑动截取到的信号序列，(·)

S4，对互相关处理结果进行峰值检测，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则判定所述下行信号中包含有与所述本地参考序列匹配的多个同步序列，并根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出所述下行信号的信号段的起始位置。

考虑本申请的下行信号中被构造有多组同步序列，故会出现多个相关峰，若该下行信号是下发给本地接收终端，通过峰值检测，就会出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值。

图2示出了本申请实施例提供的本地参考序列与卫星下行信号的互相关处理结果示意图，如图2所示，可以看到明显的8个相关峰。由此可以判定下行信号中包含有与本地参考序列匹配的多个同步序列，进而根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出下行信号的信号段的起始位置，从而在大的多普勒频移的高动态场景下，实现了低轨互联网卫星与地面终端设备之间稳定的初始同步。

在本申请的一些优选实施例中，本申请的方法还包括步骤：

S5，在判定下行信号中包含有与本地参考序列匹配的同步序列时，根据相关峰的峰值检测结果从下行信号中截取多组同步序列，求解所述多组同步序列的相位变化率得到频偏估计结果，根据所述频偏估计结果对接收的下行信号进行相位纠偏处理。

本步骤S5具体包括：

利用下述公式求解多组同步序列的相位变化率得到频偏估计结果：

其中，r(i,n)表示从下行信号s(t)中截取到的多组同步序列，Q为同步序列的个数，T

根据频偏估计结果采用如下公式对接收的下行信号进行相位纠偏处理：

其中，

如此，通过求解多组同步序列的相位变化率得到频偏估计结果，根据频偏估计结果对接收的下行信号进行相位纠偏，可以为后续的信号解调解码做好铺垫。

与前述的初始同步方法同属于一个技术构思，本申请实施例还提供了一种初始同步装置。图3示出了本申请实施例提供的一种低轨互联网卫星通信系统的初始同步装置的结构示意图，本申请实施例的装置部署在地面终端设备，包括如下模块：

本地参考序列生成模块31，用于生成固定长度的m序列，对所述m序列进行对称差分相移键控(DPSK)调制生成本地参考序列；

监听模块32，用于对低轨互联网卫星发射的下行信号进行监听，一旦监听到，对所述下行信号进行完整接收并进行下变频和滤波的预处理；其中，所述下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，且每个同步序列的长度与所述本地参考序列的长度相同；

互相关处理模块33，用于对预处理后的所述下行信号进行滑动截取，每次截取长度与所述本地参考序列的长度相同，将每次截取到的信号序列依次与所述本地参考序列进行互相关处理；

峰值检测模块34，用于对互相关处理结果进行峰值检测，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则判定所述下行信号中包含有与所述本地参考序列匹配的多个同步序列，并根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出所述下行信号的信号段的起始位置。

在一些实施例中，仍参见图3所示，本申请实施例的初始同步装置还包括：

相位纠偏模块35，用于在判定所述下行信号中包含有与所述本地参考序列匹配的同步序列时，根据相关峰的峰值检测结果从下行信号中截取多组同步序列，求解所述多组同步序列的相位变化率得到频偏估计结果，根据所述频偏估计结果对接收的下行信号进行相位纠偏处理。

图3装置中的各个模块的实现过程，可以参见前述的方法实施例，在此不再赘述。

与前述的初始同步方法同属于一个技术构思，本申请实施例还提供了一种低轨互联网卫星通信系统。图4示出了本申请实施例提供的低轨互联网卫星通信系统的架构示意图。本发明实施例的系统包括低轨互联网卫星40和多个地面终端设备(41，42，43，…)，其中：

每个所述地面终端设备(41，42，43，…)用于生成固定长度的m序列，对所述m序列进行对称差分相移键控(DPSK)调制生成本地参考序列；

所述低轨互联网卫星40用于向多个所述地面终端设备发射下行信号，所述下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，每个同步序列的长度相同且与某个地面终端设备生成的本地参考序列相匹配；

每个所述地面终端设备(41，42，43，…)还用于对所述低轨互联网卫星40发射的下行信号进行监听，一旦监听到，对所述下行信号进行完整接收并进行下变频和滤波的预处理；对预处理后的所述下行信号进行滑动截取，每次截取长度与本地参考序列的长度相同，将每次截取到的信号序列依次与本地参考序列进行互相关处理；以及对互相关处理结果进行峰值检测，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则判定所述下行信号中包含有与本地参考序列匹配的多个同步序列，并根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出所述下行信号的信号段的起始位置。

进一步地，每个所述地面终端设备(41，42，43，…)还用于在判定所述下行信号中包含有与本地参考序列匹配的同步序列时，根据相关峰的峰值检测结果从下行信号中截取多组同步序列，求解所述多组同步序列的相位变化率得到频偏估计结果，根据所述频偏估计结果对接收的下行信号进行相位纠偏处理。

图4所示系统的实现过程，可以参见前述的方法实施例，在此不再赘述。

综上所述，地面终端设备通过对固定长度的m序列进行对称DPSK调制生成本地参考序列，与常规二进制调制相比，不仅可以减少频谱泄漏，还能提高对多普勒的估计精度以及卫星通信中常见的定时不确定性；地面终端设备监听和接收低轨互联网卫星发射的下行信号，该下行信号的信号段前面预先构造有多个同步序列，每个同步序列的长度与本地参考序列的长度相同，使得多个同步序列具有较好的自相关特性，相比于传统的仅构造单个同步序列的优势在于，可以通过相干累积，即使在低信噪比SNR下，依然可以获取较高的多普勒估计精度，进而可以实现精准的时频同步；地面终端设备通过对接收的下行信号进行滑动截取，每次截取长度与本地参考序列的长度相同，并将每次截取到的信号序列依次与本地参考序列进行互相关处理，进而通过对相关峰进行峰值检测，判断下行信号中是否包含有与本地参考序列匹配的同步序列，若出现连续的相关峰的峰值大于检测阈值，则根据最后一个同步序列的相关峰的峰值位置确定出下行信号的信号段的起始位置，从而在大的多普勒频移的高动态场景下，实现了低轨互联网卫星与地面终端设备之间稳定的初始同步，为后续的信号解调解码做好铺垫。

最后需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。