5G低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案研究

在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，初始同步技術(shù)是其至關(guān)重要的一步，而由于低軌衛(wèi)星信道的大多普勒頻偏等原因影響了信號的同步性能，為了減少影響，借鑒地面 5G初始同步算法，在 PSS檢測中進(jìn)行本地 PSS整數(shù)頻偏處理，擴(kuò)大了頻率估計(jì)范圍，減少了初始同步時(shí)間，其正確檢測率比傳統(tǒng)算法提高了1.5 dB;在小數(shù)倍頻偏估計(jì)中，采用分段處理的 PSS差分互相關(guān)算法，其精確度相較于傳統(tǒng)算法，提高了1～2dB;最終通過仿真可知，該算法可以在高動(dòng)態(tài)、低信噪比環(huán)境下完成初始接入過程的同步信號檢測，可以滿足低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的下行同步要求。

隨著衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，用戶對高傳輸、廣范圍、較低時(shí)延以及靈活性高的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求逐漸增長;相比地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋范圍更加廣泛，多顆低軌衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。但低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)因?yàn)樾l(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)帶來覆蓋區(qū)的快速變化導(dǎo)致地面移動(dòng)終端和衛(wèi)星之間產(chǎn)生非常大的多普勒頻移從而嚴(yán)重影響其同步性能。

3GPP組織從R14開始星地融合的研究工作，并且在 TS22.261 中對衛(wèi)星相關(guān)的接入網(wǎng)協(xié)議及架構(gòu)進(jìn)行評估，并進(jìn)一步開展基于 5G 標(biāo)準(zhǔn)的低軌衛(wèi)星接入研究。現(xiàn)在 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了下行OFDM信號的子載波間隔不只是固定的 15 kHz，還有 30、60、120和 240 kHz共4 種子載波間隔可以選擇。5G的無線幀和子幀的長度與 4G LTE一樣分別為 10 ms和 1 ms。

除此 5G 中 PSS和 SSS、PBCH 一起組成 SSB 塊（SS Block），在頻域上占用連續(xù)的 240個(gè)子載波帶寬，在時(shí)域上占用4個(gè)連續(xù)的OFDM符號。在 5G中 SSB的時(shí)域和頻域位置不固定，并且在5 ms 半幀周期內(nèi)不同的子載波間隔幀結(jié)構(gòu)可能有多個(gè) SSB，用來滿足終端的快速捕捉。

國內(nèi)外 5G低軌衛(wèi)星的研發(fā)仍處于起始階段，我國的國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的空口基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于地面 5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中的產(chǎn)品終端所應(yīng)用的初始同步技術(shù)需要滿足高動(dòng)態(tài)大多普勒的低軌衛(wèi)星信道特點(diǎn)，所以研究基于5G的低軌衛(wèi)星的初始同步技術(shù)是當(dāng)前技術(shù)體制中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

1、下行初始同步過程

當(dāng)設(shè)備剛啟動(dòng)，信號的起始位置還無法確定，物理層會(huì)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間/頻率同步過程，然后通過建立的物理信道，使得信號得到OFDM符號同步和幀同步，并得到設(shè)備接入的小區(qū) ID，這就是初始同步的過程，即小區(qū)搜索。下行初始定時(shí)/頻率同步的處理基本分 4步∶PSS（主同步信號）檢測、整數(shù)倍頻偏估計(jì)、小數(shù)倍頻偏估計(jì)和 SSS（從同步信號）檢測。下行初始定時(shí)/頻率同步方案如圖 1 所示（本文對初始同步中的 PSS 檢測和小數(shù)倍頻偏估計(jì)這兩部分進(jìn)行研究）。

1）終端將接收信號通過低通濾波器進(jìn)行處理;

2）在時(shí)域上對本地 PSS 和接收端 PSS做互相關(guān)檢測取得定時(shí)同步，同時(shí)獲得小區(qū)組內(nèi) ID和信號的整數(shù)倍頻偏;

3）得到 PSS信號定時(shí)同步位置后，利用接收端接收的PSS與本地 PSS信號進(jìn)行差分互相關(guān)運(yùn)算，獲得信號的小數(shù)倍頻偏。（因?yàn)楸疚牟捎昧薕FDM的基帶調(diào)制，所以通信系統(tǒng)會(huì)對頻率偏移比較敏感，從而降低了系統(tǒng)的同步性能，因此需要通過頻偏估計(jì)對信號進(jìn)行補(bǔ)償。）;

4）根據(jù) 5G-NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定里，PSS在信號時(shí)域上的位置與SSS的位置之間的關(guān)系，可以對SSS進(jìn)行定位，然后對本地 SSS 與接收端接收的 SSS在頻域上做互相關(guān)檢測，可以獲得頻域同步與小區(qū)組 ID，進(jìn)而得到完整的小區(qū)ID。

2、PSS檢測

通過 PSS 檢測可 以得到符號起始位置，位置處在循環(huán)前綴的范圍（CP，Cyclic Prefix）內(nèi)，即符合5G-NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下行同步要求。在文獻(xiàn)中描述了一種本地 PSS與接收端接收的 PSS進(jìn)行時(shí)域上滑動(dòng)互相關(guān)的定時(shí)同步算法，通過互相關(guān)得到的相關(guān)峰值來確定小區(qū)組內(nèi) ID及其所對應(yīng)的點(diǎn)來明確定時(shí)位置。此算法的計(jì)算復(fù)雜度較小，然而算法會(huì)疊加積累頻偏使算法的相關(guān)峰值受到影響，導(dǎo)致算法的抗頻偏性較差。

文獻(xiàn)對上述算法進(jìn)行改進(jìn)∶通過將本地 PSS序列和接收端接收的 PSS序列進(jìn)行平均分段處理，再對各段依次求互相關(guān)值的平方來確定定時(shí)度量函數(shù)。而文獻(xiàn)中提出了將本地 PSS序列和接收端接收的 PSS序列均進(jìn)行時(shí)域上差分處理后，再對兩個(gè) PSS序列進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)峰值所對應(yīng)的點(diǎn)就是定時(shí)同步位置。改進(jìn)后算法能夠降低因積累了多個(gè)頻偏而受到的影響，即算法可以適應(yīng)較大的頻偏范圍。

上述算法是利用了本地 PSS 進(jìn)行互相關(guān)來得到符號定時(shí)位置，而在文獻(xiàn)中提出了利用接收端接收的 PSS 自相關(guān)的算法，5G 低軌衛(wèi)星同步可以借鑒 S&.C算法思想，利用搜索周期內(nèi)多個(gè) SSB塊內(nèi)的 PSS 自相關(guān)運(yùn)算，通過相關(guān)峰值對應(yīng)點(diǎn)推算出定時(shí)同步位置。該算法雖然構(gòu)造簡單，但是 CP 與其對應(yīng)的接收端接收的信號之間聯(lián)系會(huì)引發(fā)平臺效應(yīng)，從而影響算法對 PSS 檢測的準(zhǔn)確性。為了減少平臺效應(yīng)，

從 PSS檢測的精確度與復(fù)雜度這兩個(gè)方面考慮，定時(shí)同步算法選用在時(shí)域上進(jìn)行本地 PSS與接收端 PSS 互相關(guān)檢測，如果 PSS檢測在頻域進(jìn)行，增加了不必要的 FFT/IFFT運(yùn)算。

審核編輯：黃飛