摘 要: 由于衛(wèi)星信道估計(jì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的限制，存在著估計(jì)誤差大、誤碼率高等問題，利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信上行信道自動(dòng)估計(jì)方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。搭建5G通信網(wǎng)絡(luò)，為其運(yùn)行提供硬件支持。優(yōu)化接收機(jī)、狀態(tài)機(jī)、信號(hào)處理器以及存儲(chǔ)器裝置。分析衛(wèi)星通信上行信道特性，并結(jié)合分析結(jié)果構(gòu)建信道模型。并利用5G技術(shù)提取衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)，自動(dòng)選擇并插入導(dǎo)頻符號(hào)。最終通過對(duì)信道中多個(gè)參數(shù)的估計(jì)，得出衛(wèi)星通信上行信道的自動(dòng)估計(jì)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出估計(jì)結(jié)果的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)更加接近實(shí)際信道，且測(cè)試指標(biāo)BER和MSE均得到明顯降低。

　　關(guān)鍵詞:5G技術(shù);衛(wèi)星通信;上行信道;信道估計(jì)

　　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，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)挠绊懀�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。

　　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。

　　公式(1)輸出的結(jié)果 是發(fā)送信號(hào)x的估計(jì)值，y( f )表示實(shí)際的接收信號(hào)，A表示的是線性關(guān)系系數(shù)。在信道估計(jì)過程中，接收器需要使用已知的前導(dǎo)序列。為了滿足更高的系統(tǒng)時(shí)序和代碼穩(wěn)定性要求，需要在前導(dǎo)產(chǎn)生器中嵌入D觸發(fā)器。

　　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)。

　　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)

　　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

　　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]。

　　2.5 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

　　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。

　　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。

　　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。

　　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，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。

　　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。

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　　作者：周劍明1, 黃 杉2