基于5G技術(shù)的衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)

周劍明,黃 杉

（1.中國(guó)聯(lián)通廣州市分公司，廣東 廣州 510000；2.智慧足跡數(shù)據(jù)科技有限公司，北京 100023)

1 引言

自衛(wèi)星通信的概念被提出后，在軍事偵察、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并在人類信息交互與傳輸工作中發(fā)揮著重要作用[1]。由于人造衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的增加，各個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間可能會(huì)存在影響，且衛(wèi)星通信的傳輸距離較長(zhǎng)，傳輸過程中產(chǎn)生的不可控因素較多[1]。為了提高衛(wèi)星通信的可靠性，采取多種措施來抵抗隨機(jī)信道對(duì)衛(wèi)星通信傳輸?shù)挠绊?，然而相關(guān)措施的提出與應(yīng)用很大程度上依賴于信道估計(jì)技術(shù)[2]。從國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀可以看出，信道估計(jì)系統(tǒng)大體可以分為時(shí)域信道和頻域信道兩種估計(jì)類型，具體的研究成果包括：基于反饋迭代算法的航空通信系統(tǒng)信道估計(jì)算法[3]、基于PARAFAC分解的通信系統(tǒng)信道估計(jì)方法等[4]，然而在上述信道估計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中存在估計(jì)結(jié)果均方誤差大、信道信號(hào)不均衡、存在地板效應(yīng)等問題。

針對(duì)上述存在的問題，本文提出基于5G技術(shù)的衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)，5G技術(shù)也就是第五代通信技術(shù)，是寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比具有高速率、低時(shí)延等特點(diǎn)，因此逐漸取代了傳統(tǒng)通信技術(shù)。5G技術(shù)包括大規(guī)模MIMO、全雙工等多個(gè)方面，將5G 及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，旨在提高衛(wèi)星通信信道的自動(dòng)估計(jì)功能和系統(tǒng)運(yùn)行性能。

2 衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 衛(wèi)星5G通信網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由終端、服務(wù)鏈路、人造衛(wèi)星、網(wǎng)關(guān)以及地面通信網(wǎng)等元素組成。其中業(yè)務(wù)鏈接是指用戶設(shè)備和衛(wèi)星之間的無線連接。利用5G 技術(shù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 利用5G技術(shù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖1中UE、gNB、NGC、NGc、NGu、Uu 分別表示的是通信終端、基站、地面通信網(wǎng)、控制接口、用戶接口和網(wǎng)絡(luò)接口。

2.2 接收機(jī)的設(shè)計(jì)

接收機(jī)的基本工作原理是把目標(biāo)天線的發(fā)送信號(hào)作為干擾工具，對(duì)其他天線發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行干擾，在探測(cè)過程中消除其他天線的干擾，接收機(jī)設(shè)計(jì)的原理如圖2所示。

圖2 接收機(jī)設(shè)計(jì)原理

該算法采用加權(quán)濾波矩陣來消除其他天線的干擾，具體表現(xiàn)為：

2.3 狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

狀態(tài)機(jī)用來產(chǎn)生狀態(tài)解碼和輸出信號(hào)，存儲(chǔ)狀態(tài)，其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)原理

基于需求分析的結(jié)果，對(duì)衛(wèi)星通信上行信道估計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將系統(tǒng)的估計(jì)功能劃分為四種不同的狀態(tài)，即：首先是空閑態(tài)，然后是有數(shù)據(jù)進(jìn)入且估計(jì)功能尚未完成，系統(tǒng)進(jìn)入前導(dǎo)1狀態(tài)，再次是數(shù)據(jù)進(jìn)入時(shí)，進(jìn)入前導(dǎo)2 狀態(tài)，計(jì)算得到估計(jì)信道值，估算完成后系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)算信道模狀態(tài)，完成信道模的計(jì)算后，系統(tǒng)狀態(tài)回歸到空閑態(tài)[5]。為了保證當(dāng)狀態(tài)機(jī)能夠準(zhǔn)確地跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)狀態(tài)，選擇格雷編碼作為系統(tǒng)的估計(jì)狀態(tài)編碼[6]。

2.4 信道信號(hào)處理器設(shè)計(jì)

信號(hào)處理器的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，其設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理器設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)處理器主要包括乘法器和調(diào)制映射器兩部分，需對(duì)乘法器和調(diào)制映射器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4.1 乘法器

對(duì)于兩個(gè)數(shù)據(jù)位寬為N二進(jìn)制數(shù)a，b的乘積，可以利用移位操作來實(shí)現(xiàn)，用公式可以表示為：

這種乘法計(jì)算方式會(huì)隨著k位置的連續(xù)變化而產(chǎn)生大量的計(jì)算結(jié)果。串行乘法器占用更少的資源，但該乘法器的計(jì)算速度慢且延時(shí)大[7]。為此，將乘法器改為并行結(jié)構(gòu)。

2.4.2 調(diào)制映射器設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信協(xié)議針對(duì)5G系統(tǒng)增加了兩種調(diào)制方式，分別為π/2-BPSK和256QAM調(diào)制，兩種調(diào)制機(jī)制的目的分別是提高系統(tǒng)容量和小區(qū)邊緣的覆蓋[8]。π/2-BPSK調(diào)制映射器二進(jìn)制數(shù)b(i)到復(fù)數(shù)值調(diào)制符號(hào)(i)的映射過程可以表示為：

同理可以得出256QAM 調(diào)制機(jī)制下的映射轉(zhuǎn)換過程，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)應(yīng)用π/2-BPSK調(diào)制后的符號(hào)中具有連續(xù)的相位而減小了傳輸信號(hào)的包絡(luò)波動(dòng)，因而具有較低的信號(hào)峰均比，因此選擇π/2-BPSK類型的調(diào)制映射器作為系統(tǒng)設(shè)備。

2.5 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器的作用主要是對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，其設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)原理

在前導(dǎo)1態(tài)估計(jì)函數(shù)的情況下，將每一個(gè)子載波的估計(jì)信道信息寫入存儲(chǔ)器；在前導(dǎo)2 態(tài)的情況下，從存儲(chǔ)器讀取首次信道估計(jì)值，然后與當(dāng)前的估計(jì)值求平均，然后將結(jié)果寫入存儲(chǔ)器的同一地址；在估計(jì)信道的模值計(jì)算時(shí)，需要連續(xù)地從存儲(chǔ)器讀取信道信息，并將運(yùn)算結(jié)果寫入信道信息后的地址空間，由于存在并行讀寫的情況，本設(shè)計(jì)采用雙端口存儲(chǔ)器。內(nèi)存需要存儲(chǔ)信道信息和信道模值，因?yàn)閷?duì)乘法器進(jìn)行復(fù)用時(shí)，信道模值和信道信息都要在不同的時(shí)刻寫入內(nèi)存，所以內(nèi)存的地址空間大小為72，而相應(yīng)的地址空間線則是7 位。通道信息實(shí)部寬10位，虛部位寬10 位，兩路信息都存放在同一個(gè)地址，通道模值的位寬為20位，故存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)位寬為20位。內(nèi)存控制信號(hào)CENA，當(dāng)CENB很低時(shí)，單獨(dú)讀寫。

3 衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 分析衛(wèi)星通信上行信道特性

由于衛(wèi)星移動(dòng)通信的距離較大，通信信號(hào)在穿越大氣層時(shí)會(huì)受到不同因素的影響，因此衛(wèi)星通信上行信道存在衰落特征，在信道的估計(jì)中需要將所有的相關(guān)影響因素考慮其中。衛(wèi)星通信上行信道的通信衰落主要包括路徑損耗和陰影效應(yīng)兩個(gè)部分，其中路徑損耗又可以細(xì)分為空間路徑損耗、降水衰落以及氣體吸收等，各個(gè)環(huán)節(jié)的具體衰減量可以表示為：

公式(4)中Pt、Pr、Gt和Gr表示衛(wèi)星通信系統(tǒng)中發(fā)射與接收天線的輻射功率和增益，參數(shù)d、f 和c分別表示天線的距離、通信信號(hào)頻率以及光傳播速度，K和R對(duì)應(yīng)的是路徑衰減系數(shù)和衛(wèi)星通信過程中的降水量，α表示衰落修正因子，θ 表示地面相對(duì)于人造衛(wèi)星的仰角，變量l(R，θ)表示通信信號(hào)在降水區(qū)域的等效路徑長(zhǎng)度。另外，參數(shù)γ0和γw表示空氣中氧氣與水蒸氣的分子損耗率，取值為常數(shù)。h0、hw和hs分別表示兩種類型的氣體在對(duì)流層的等效高度以及地面終端的海拔高度，φ表示路徑仰角。通信衰落會(huì)對(duì)傳播的信號(hào)進(jìn)行阻礙，嚴(yán)重的則會(huì)使信號(hào)發(fā)生畸變，因此再構(gòu)建衛(wèi)星通信上行信道模型時(shí)，我們需要注意衰落對(duì)它的影響。

3.2 構(gòu)建衛(wèi)星通信上行信道模型

在考慮上行信道通信衰落特征的情況下，采用5G技術(shù)與抽頭延時(shí)相結(jié)合的方式構(gòu)建上行信道模型。模型中的每一個(gè)抽頭都表示一個(gè)特定的組合路徑信號(hào)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的衰落特征以平坦衰落來表示，通過整個(gè)通信系統(tǒng)中所有路徑信號(hào)的加入，得出最終建立的衛(wèi)星通信上行信道模型，其表達(dá)式為：

公式(5)中σ1和μ 分別表示的是101gP0的標(biāo)準(zhǔn)差和均值，P0表示通信信號(hào)。通過衛(wèi)星通信上行信道模型得出信號(hào)帶寬發(fā)送的頻率與相干帶寬頻率，將兩者進(jìn)行比較，頻率不同則衰落的強(qiáng)度不同。

3.3 利用5G技術(shù)提取衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)

利用系統(tǒng)中安裝的硬件設(shè)備以及5G通信技術(shù)，讀取衛(wèi)星通信信道模型的使能信號(hào)以及端口數(shù)據(jù)的地址信號(hào)。持續(xù)兩個(gè)時(shí)鐘周期輸入讀取的信道數(shù)據(jù)，經(jīng)乘法器運(yùn)算后，產(chǎn)生讀取模型端口位置的數(shù)據(jù)地址。當(dāng)收到輸入數(shù)據(jù)時(shí)，需要判斷是前導(dǎo)碼還是幀頭控制碼以及數(shù)據(jù)。從最小二乘法出發(fā)，信道估計(jì)子模塊僅在接收前導(dǎo)序列時(shí)起作用，完成前導(dǎo)序列的估計(jì)后，信道補(bǔ)償模塊開始工作，直到數(shù)據(jù)接收結(jié)束為止。

3.4 導(dǎo)頻的自動(dòng)選擇與插入

將導(dǎo)頻信息插入到數(shù)據(jù)流中，根據(jù)導(dǎo)頻信息對(duì)整個(gè)信道的響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，從而使導(dǎo)頻信號(hào)的模式和插入間隔不同，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。實(shí)際的導(dǎo)頻自動(dòng)選擇需要遵循奈奎斯特采樣定理，那么在構(gòu)建的信道模型中導(dǎo)頻子載波的采樣間隔需要滿足如下關(guān)系式：

公式(6)中變量τmax和△f 分別表示信道的最大時(shí)延和子載波帶寬。將滿足公式7 條件的導(dǎo)頻符號(hào)以梳狀排列方式進(jìn)行插入，具體的插入過程如圖6所示。

圖6 梳狀導(dǎo)頻插入示意圖

每隔幾個(gè)子載波，導(dǎo)頻序列沿著頻率軸方向插入一行，沿著時(shí)間軸方向連續(xù)插入，直到導(dǎo)頻信號(hào)覆蓋衛(wèi)星通信上行信道的每一時(shí)刻。

3.5 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)

設(shè)置時(shí)變沖擊響應(yīng)、沖擊響應(yīng)長(zhǎng)度、平均附加時(shí)延、相干帶寬、增益、衰落作為衛(wèi)星通信上行信道的估計(jì)參數(shù)，具體的自動(dòng)估算過程就是根據(jù)前導(dǎo)序列在接收時(shí)的變化，估算了前導(dǎo)序列所經(jīng)歷的信道特性，并將前導(dǎo)序列的信道特性作為數(shù)據(jù)信息所經(jīng)歷信道特性的參考。在頻域進(jìn)行估計(jì)時(shí)，接收到的兩個(gè)前導(dǎo)序列Xp和Xm被用于所有子載波的信道頻率響應(yīng)估計(jì)。Xp和Xm都是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的，因此在估算Xm時(shí)需要先取反。按照上述估計(jì)原理，可以得出上行信道參數(shù)的估計(jì)結(jié)果，其中信道平均附加時(shí)延特征參數(shù)的估計(jì)結(jié)果可以表示為：

公式(7)中Lk表示第k條路徑的衰減，τk表示k條路徑一次通信所產(chǎn)生的時(shí)延。為了保證信道的估計(jì)精度，在結(jié)果輸出之前需要計(jì)算估計(jì)誤差，并對(duì)其進(jìn)行偏差預(yù)補(bǔ)償處理。

上述衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)流程圖如下圖7所示。

圖7 衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)流程圖

經(jīng)過上述一系列流程完成對(duì)衛(wèi)星通信上行信道系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，為衛(wèi)星通信信道的自動(dòng)估計(jì)提供支撐與保障。

4 系統(tǒng)測(cè)試

由于設(shè)計(jì)的信道估計(jì)系統(tǒng)使用了5G通信技術(shù)，在基站選擇時(shí)應(yīng)選擇5G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的通信基站，保證5G 技術(shù)的正常使用。最終選擇的衛(wèi)星通信基站的天線數(shù)量為256N，天線之間的間隔距離固定為半波長(zhǎng)，根據(jù)該衛(wèi)星通信終端人造衛(wèi)星的類型，確定與該衛(wèi)星相連的所有通信信道的帶寬均為20MHz，導(dǎo)頻間隔設(shè)置為2，調(diào)制方式選擇16QAM/BPSK/64QAM/QPSK。在開始系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)之前，將軟件程序編寫成程序代碼，并導(dǎo)入到衛(wèi)星通信基站中的系統(tǒng)測(cè)試計(jì)算機(jī)中。將設(shè)計(jì)的衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)與基于反饋迭代算法的信道估計(jì)系統(tǒng)和基于PARAFAC分解的通信系統(tǒng)信道估計(jì)方法按照相同的方式導(dǎo)入到基站測(cè)試計(jì)算機(jī)中進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，并保證各個(gè)系統(tǒng)之間的運(yùn)行互不影響。

在系統(tǒng)測(cè)試過程中，從信道估計(jì)功能方面設(shè)置測(cè)試指標(biāo)為BER和MSE，其中BER表示的是信道估計(jì)的誤碼率，其測(cè)試數(shù)值可以表示為：

公式(8)中nw和nt分別表示傳輸中的誤碼和所傳輸?shù)目偞a數(shù)，另外測(cè)試指標(biāo)MSE表示的是均方誤差，具體的數(shù)值表達(dá)式為：

將系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的三種估計(jì)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的程序代碼代入到配置完成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，設(shè)置信道估計(jì)采用梳狀導(dǎo)頻，每個(gè)信道中含有11個(gè)調(diào)制符號(hào)，且第一個(gè)符號(hào)為導(dǎo)頻符號(hào)。在估計(jì)的信道上進(jìn)行衛(wèi)星通信，每個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸均為準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)，在傳輸不同數(shù)據(jù)前重新生成新的估計(jì)信道。準(zhǔn)備初始衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)量為100 個(gè)數(shù)據(jù)幀，并得出數(shù)據(jù)在實(shí)際信道與估計(jì)信道上的包絡(luò)圖，如圖8所示。

圖8 衛(wèi)星通信上行信道包絡(luò)圖

同理可以得出兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)輸出結(jié)果對(duì)應(yīng)的信道包絡(luò)圖，在圖8中提取信道沖擊響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同系統(tǒng)輸出的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)估計(jì)結(jié)果

從圖9中可以直觀地看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出的信道估計(jì)結(jié)果與實(shí)際衛(wèi)星通信信道的沖擊響應(yīng)波動(dòng)趨勢(shì)大致相同。提取圖9中的所有響應(yīng)數(shù)據(jù)，并將其代入到公式9中可以得出測(cè)試指標(biāo)MSE的量化對(duì)比曲線，如圖10所示。

圖10 均方誤差測(cè)試對(duì)比曲線

使用相同的方式收集nw和nt參數(shù)數(shù)據(jù)，得出反映系統(tǒng)BER測(cè)試指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果，為了保證對(duì)比結(jié)果的有效性，選取100組數(shù)據(jù)進(jìn)行五組試驗(yàn)，100組數(shù)據(jù)可以減少數(shù)據(jù)偶然帶來的誤差，同時(shí)數(shù)據(jù)量較小，便于收集。選擇進(jìn)行五組試驗(yàn)可以減少試驗(yàn)的誤差，確保結(jié)果更精準(zhǔn)，同時(shí)可以使試驗(yàn)結(jié)果更有說服力。對(duì)比結(jié)果具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)BER的量化對(duì)比結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(8)中，便可以得出三種衛(wèi)星通信上行信道估計(jì)系統(tǒng)的平均誤碼率分別為15.26%、7.46%和2.40%。綜合BER和MSE兩個(gè)測(cè)試指標(biāo)的量化測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與兩個(gè)傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出的信道估計(jì)結(jié)果的均方誤差更小，且誤碼率更低。

5 結(jié)束語

在衛(wèi)星信道估計(jì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的限制下，存在估計(jì)誤差大、誤碼率高等問題，本文提出基于5G 技術(shù)的衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)，從系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果中可以看出，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出的信道估計(jì)結(jié)果的均方誤差較小，且誤碼率較低。能夠更大程度地還原衛(wèi)星通信信道，為解決衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸中存在的各種問題提供技術(shù)支持。