一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法

技术领域

本发明涉及一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，属于信号处理领域。

背景技术

不断增长的数据需求对第六代移动通信技术(6G)提出更高要求，包括更高的吞吐量、卓越的可靠性、全球无缝覆盖、低延迟以及海量接入，现有的地面网络大多集中部署于人口密集之处，难以满足广覆盖域和高频繁接入切换等需求。非地面网络作为地面网络的扩展，能够提供全时、全天候、全域的全球化通信服务，非地面网络与地面网络优势互补、紧密结合，以更可靠、更无缝、更经济有效的方式为海量地面终端提供优质服务。如今，部署在距离地球500公里至2000公里处的近地轨道(LEO)卫星，因其在往返延迟、路径损耗以及生产部署成本的优势，成为非地面网络的重要组成部分。但由于LEO卫星的高移动性和地面终端附近散射体的影响，星地通信信道同时具有时间选择性和频率选择性，信号将受到严重的载波间干扰和符号间干扰，进而不可避免地影响通信接收信号质量。

传统的单载波方案利用一个载波传送所有数据符号，仅适用于单路径传输场景，对于建筑密集区的用户，无线信道的多径散射将产生频率选择性衰落效应，造成符号间干扰，影响数据传输的可靠性；传统的正交频分复用(OFDM)调制技术将信息符号复用在时间-频率域上，利用一维频率分集对抗频率选择性衰落：OFDM调制技术是将一段较宽频率的载波划分为多个窄带正交子载波，再用海森堡变换将不同时隙的符号调制到多个不同的子载波上，OFDM调制技术在接收端一般采用单抽头频域均衡器进行符号检测，单抽头频域均衡器假设多径信随时间慢变，即在一个OFDM符号时间内信道保持不变，每个子载波在经过信道传输后仍保持正交。单抽头均衡器在中低移速通信场景下提供非常良好的性能，然而，在卫星通信系统下，卫星和地面的相对移动性强，星地通信链路时变性高、多普勒扩展大，OFDM子载波正交性被破坏，产生严重的载波间干扰，而适用于OFDM波形的单抽头均衡器难以捕捉时变多径信道的全部信息，符号检测性能较差。

在采用OFDM的卫星通信系统中，若要提升检测性能，需要通过牺牲有效性提升可靠性，例如提高信噪比、采用更复杂的符号检测方法、使用更精密的收发仪器，而星载资源受限、太空电磁环境复杂、所处环境温度高，设备易失，都加大了上述方法的实现难度，适用于高移动性场景的调制波形和低复杂度符号检测方法成为制约星地通信发展的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，基于时频域正交变换对抗星地信道双选择性，并利用近似消息传递和预编码矩阵对应的正交变换实现低复杂度符号检测具有更好的误码率性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，首先利用时间-频率域的二维正交变换得到新的二维符号调制域(简记为A-B变换域)，然后，对二维符号调制域的信息符号进行预编码，得到时频域符号，获得最大时间-频率域分集，在一个符号帧内，二维符号调制域的信道响应为非时变的，便于接收机进行符号检测，基于正交变换的基函数在时频域中的恒模特性，在高移动性场景下实现最大时频分集，之后，利用酉近似消息传递框架，通过确定系统的输入输出关系，得到等效信道矩阵模型，通过信道的分解，构建酉变换矩阵，得到酉变换后的线性模型，利用因子图进行变量分解，基于因子图、变分贝叶斯和平均场理论，获得信息符号的估计值，在二维符号调制域实现迭代符号检测，具体包括以下步骤：

步骤一：进行时频域二维正交预编码信号调制处理过程，确定收发信息符号与信道之间的关系；

将信息符号

其中，X的元素为Q-QAM调制符号，字母表为{a

在收发波形均采用矩形波的情况下，利用海森堡变换得到A-B域信号

其中，

接收端为发射端的逆过程，对r进行串并转换，得到延迟-时间域符号

y＝Hx+w (1)

其中，H为A-B域等效信道矩阵，

步骤二：利用时频二维正交预编码调制特性构建酉变换矩阵，并获得新的酉变换后的输入输出关系模型；

对等效信道矩阵H做奇异值分解，基于A

其中，G的左奇异矩阵为U＝BLKdiag(U

选择酉变换矩阵

其中，r＝T

利用正交变换A

步骤三：基于酉变换后的输入输出关系模型，确定未知变量的联合条件分布，并获得符号检测估计模型；

给定r和H时，未知变量x、辅助变量z以及σ的联合概率函数p(x，z，σ|r)如式(4)所示：

其中，辅助变量z＝Φx，r

步骤四：根据联合概率分布p(x，z，σ|r)因子图，建立前向消息传递模型，并利用正交变换简化矩阵乘法；

根据迭代关系，前向消息传递模型如式(5)所示：

p＝Φx

其中，p为向量，上标(·)

利用正交变换简化Φx

其中，第t次迭代的信息符号X

确定变量节点z

其中，

根据函数节点

步骤五：根据联合概率分布p(x，z，σ|r)因子图，建立后向消息传递过程，并利用正交变换简化矩阵乘法；

确定函数节点

s

确定函数节点

利用正交变换简化Φ

其中，s

获得发送信息符号估计，如式(15)所示：

其中，

在x的所有元素方差相同的条件下，进行算术平均，

迭代进行步骤一到步骤五的过程，直到收敛，得到发送信息符号的检测值

还包括步骤六：通过步骤一至步骤五的基于近似消息传递框架的迭代式符号检测方法，在高动态通信场景下，提升符号检测器对多普勒扩展、分数多普勒扩展的鲁棒性，实现高精度的符号检测；应用于高移速通信领域，如卫星通信、高铁通信、高空通信，通过时频域正交变换能够降低符号检测方法的计算复杂度。

有益效果：

1、本发明的一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，利用时频正交变换基函数实现最大时频分集的原理，对抗星地通信信道的双选择性，实现星地数据传输的高可靠性。

2、本发明的一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，利用近似消息传递和酉变换提升符号检测性能，获得高精度符号检测效果，并利用噪声方差估计提升了方法对噪声的鲁棒性。

3、本发明的一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，利用正交变换简化符号检测过程中的矩阵乘法计算，降低符号检测计算复杂度，进而降低计算负荷。

附图说明

图1为本发明的一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法的流程图；

图2为OFDM循环前缀的帧结构；

图3实施例步骤三中联合概率分布p(x，z，σ|r)的因子图；

图4为实施例中本发明方法与传统检测方法的可达误码率随着信噪比变化的曲线图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

在包含Ka波段的LEO卫星通信系统，即载频为f

基于卫星运动规律的可知性和3GPP的定时提前技术，对星地信息传输的延迟和多普勒进行补偿，将延迟残差补偿为[0，0.8μs]，卫星运动带来的多普勒被补偿，卫星通信系统的多普勒频移主要由地面设备的速度引起，用户速度一般化为500km/h；

在信道状态信息在接收机处是完全已知的条件下，信噪比范围为0-24dB，并重复实验10000次以实现蒙特卡罗模拟；

对于通信过程的帧结构，选择沃尔什-哈达玛变换作为时域变换，对应的预编码矩阵为沃尔什矩阵

在上述卫星通信系统以及相应条件下，应用本发明的一种卫星通信中基于时频二维正交预编码的符号检测方法，如图1所示，具体步骤实现如下：

步骤一：进行时频域二维正交预编码信号调制处理过程，确定收发信息符号与信道之间的关系；

将信息符号

其中，X的元素为Q-QAM调制符号，字母表为{a

在收发波形均采用矩形波的情况下，利用海森堡变换得到延迟-序列域信号

实施例中，根据基于OFDM的延迟-序列域符号传输方法，对时域发送信号s的每个子块加入类似OFDM帧结构的循环前缀，如图2所示，时域发送信号s通过信道后，接收机端得到接收信号r＝Gs+n；

其中，

接收端为发射端的逆过程，对r进行串并转换，得到延迟-时间域符号

y＝Hx+w (1)

其中，H为延迟-序列域等效信道矩阵，

步骤二：利用时频二维正交预编码调制特性构建酉变换矩阵，并获得新的酉变换后的输入输出关系模型；

对等效信道矩阵H做奇异值分解，基于A

其中，G的左奇异矩阵为U＝BLKdiag(U

选择酉变换矩阵

其中，r＝T

利用正交变换W

步骤三：基于酉变换后的输入输出关系模型，确定未知变量的联合条件分布，并获得符号检测估计模型；

给定r和H时，未知变量x、辅助变量z以及σ的联合概率函数p(x，z，σ|r)如式(4)所示：

其中，辅助变量z＝Φx，r

实施例中，根据式(4)建立的因子图如图3所示；

步骤四：根据联合概率分布p(x，z，σ|r)因子图，建立前向消息传递模型，并利用正交变换简化矩阵乘法；

根据迭代关系，前向消息传递模型如式(5)所示：

p＝Φx

其中，p为向量，上标(·)

利用正交变换简化Φx

其中，第t次迭代的信息符号X

确定变量节点z

其中，

根据函数节点

步骤五：根据联合概率分布p(x，z，σ|r)因子图，建立后向消息传递过程，并利用正交变换简化矩阵乘法；

确定函数节点

s

确定函数节点

利用正交变换简化Φ

其中，S

获得发送信息符号估计，如式(15)所示：

其中，

在x的所有元素方差相同的条件下，进行算术平均，

迭代进行步骤一到步骤五过程，直到收敛，得到发送信息符号的检测值

重复实验10000次，考虑0dB至24dB，步进2dB的SNR范围，并与传统的基于OFDM的单抽头频域均衡符号检测方法作比较，所获得的误码率(BER)曲线如图4所示，在SNR＞5dB时，本发明方法的BER性能远远超过传统方法，在0-24dB的SNR范围内，传统方法的性能随着SNR的增大，其BER性能增速放缓，而本发明方法BER性能的增速随着SNR增大而增大；

还包括步骤六：通过步骤一至步骤五的基于近似消息传递框架的迭代式符号检测方法，在高动态通信场景下，提升符号检测器对多普勒扩展、分数多普勒扩展的鲁棒性，实现高精度的符号检测；应用于高移速通信领域，如卫星通信、高铁通信、高空通信，通过时频域正交变换能够降低符号检测方法的计算复杂度。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。