基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统

　　摘 要: 由于卫星信道估计受到网络带宽资源的限制，存在着估计误差大、误码率高等问题，利用5G技术实现卫星通信上行信道自动估计方法的优化设计。搭建5G通信网络，为其运行提供硬件支持。优化接收机、状态机、信号处理器以及存储器装置。分析卫星通信上行信道特性，并结合分析结果构建信道模型。并利用5G技术提取卫星通信数据，自动选择并插入导频符号。最终通过对信道中多个参数的估计，得出卫星通信上行信道的自动估计结果。实验结果表明：本文所设计系统输出估计结果的信道冲击响应参数更加接近实际信道，且测试指标BER和MSE均得到明显降低。

　　关键词:5G技术;卫星通信;上行信道;信道估计

　　1 引言

　　自卫星通信的概念被提出后，在军事侦察、导航定位等领域得到广泛应用，体现出其独特的应用优势，并在人类信息交互与传输工作中发挥着重要作用[1]。由于人造卫星发射数量的增加，各个卫星通信系统之间可能会存在影响，且卫星通信的传输距离较长，传输过程中产生的不可控因素较多[1]。

　　为了提高卫星通信的可靠性，采取多种措施来抵抗随机信道对卫星通信传输的影响，然而相关措施的提出与应用很大程度上依赖于信道估计技术[2]。从国内的研究现状可以看出，信道估计系统大体可以分为时域信道和频域信道两种估计类型，具体的研究成果包括：基于反馈迭代算法的航空通信系统信道估计算法[3]、基于PARAFAC分解的通信系统信道估计方法等[4]，然而在上述信道估计系统的实际应用过程中存在估计结果均方误差大、信道信号不均衡、存在地板效应等问题。

　　针对上述存在的问题，本文提出基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统，5G技术也就是第五代通信技术，是宽带移动通信技术，与传统通信技术相比具有高速率、低时延等特点，因此逐渐取代了传统通信技术。5G技术包括大规模 MIMO、全双工等多个方面，将 5G 及其相关技术应用到卫星通信上行信道自动估计系统的设计工作中，旨在提高卫星通信信道的自动估计功能和系统运行性能。

　　2 卫星通信上行信道自动估计硬件系统设计

　　2.1 卫星5G通信网络卫星移动网络由终端、服务链路、人造卫星、网关以及地面通信网等元素组成。其中业务链接是指用户设备和卫星之间的无线连接。

　　2.2 接收机的设计接收机的基本工作原理是把目标天线的发送信号作为干扰工具，对其他天线发送的信号进行干扰，在探测过程中消除其他天线的干扰，接收机设计的原理如图2所示。

　　公式(1)输出的结果 是发送信号x的估计值，y( f )表示实际的接收信号，A表示的是线性关系系数。在信道估计过程中，接收器需要使用已知的前导序列。为了满足更高的系统时序和代码稳定性要求，需要在前导产生器中嵌入D触发器。

　　2.3 状态机的设计状态机用来产生状态解码和输出信号，存储状态。

　　基于需求分析的结果，对卫星通信上行信道估计系统进行了研究，将系统的估计功能划分为四种不同的状态，即：首先是空闲态，然后是有数据进入且估计功能尚未完成，系统进入前导1状态，再次是数据进入时，进入前导2状态，计算得到估计信道值，估算完成后系统进入计算信道模状态，完成信道模的计算后，系统状态回归到空闲态[5]。为了保证当状态机能够准确地跳转到目标状态，选择格雷编码作为系统的估计状态编码[6]。

　　2.4 信道信号处理器设计

　　设计处理器主要包括乘法器和调制映射器两部分，需对乘法器和调制映射器进行设计。

　　2.4.1 乘法器

　　这种乘法计算方式会随着k位置的连续变化而产生大量的计算结果。串行乘法器占用更少的资源，但该乘法器的计算速度慢且延时大[7]。为此，将乘法器改为并行结构。

　　2.4.2 调制映射器设计卫星通信协议

　　针对5G系统增加了两种调制方式，分别为π/2-BPSK和256QAM调制，两种调制机制的目的分别是提高系统容量和小区边缘的覆盖[8]。

　　2.5 存储器设计

　　在前导1态估计函数的情况下，将每一个子载波的估计信道信息写入存储器;在前导2态的情况下，从存储器读取首次信道估计值，然后与当前的估计值求平均，然后将结果写入存储器的同一地址;在估计信道的模值计算时，需要连续地从存储器读取信道信息，并将运算结果写入信道信息后的地址空间，由于存在并行读写的情况，本设计采用双端口存储器。

　　内存需要存储信道信息和信道模值，因为对乘法器进行复用时，信道模值和信道信息都要在不同的时刻写入内存，所以内存的地址空间大小为72，而相应的地址空间线则是 7 位。通道信息实部宽 10位，虚部位宽10位，两路信息都存放在同一个地址，通道模值的位宽为20位，故存储的数据位宽为20位。内存控制信号CENA，当CENB很低时，单独读写。

　　3 卫星通信上行信道自动估计系统软件功能设计

　　3.1 分析卫星通信上行信道特性

　　由于卫星移动通信的距离较大，通信信号在穿越大气层时会受到不同因素的影响，因此卫星通信上行信道存在衰落特征，在信道的估计中需要将所有的相关影响因素考虑其中。卫星通信上行信道的通信衰落主要包括路径损耗和阴影效应两个部分，其中路径损耗又可以细分为空间路径损耗、降水衰落以及气体吸收等。

　　3.2 构建卫星通信上行信道模型

　　在考虑上行信道通信衰落特征的情况下，采用5G技术与抽头延时相结合的方式构建上行信道模型。模型中的每一个抽头都表示一个特定的组合路径信号，卫星通信系统中的衰落特征以平坦衰落来表示，通过整个通信系统中所有路径信号的加入，得出最终建立的卫星通信上行信道模型。

　　3.3 利用5G技术

　　提取卫星通信数据利用系统中安装的硬件设备以及5G通信技术，读取卫星通信信道模型的使能信号以及端口数据的地址信号。持续两个时钟周期输入读取的信道数据，经乘法器运算后，产生读取模型端口位置的数据地址。当收到输入数据时，需要判断是前导码还是帧头控制码以及数据。从最小二乘法出发，信道估计子模块仅在接收前导序列时起作用，完成前导序列的估计后，信道补偿模块开始工作，直到数据接收结束为止。

　　3.4 导频的自动选择与插入

　　将导频信息插入到数据流中，根据导频信息对整个信道的响应进行估计，从而使导频信号的模式和插入间隔不同，从而影响整个系统的性能。实际的导频自动选择需要遵循奈奎斯特采样定理。

　　4 系统测试

　　由于设计的信道估计系统使用了5G通信技术，在基站选择时应选择5G通信网络覆盖范围内的通信基站，保证5G技术的正常使用。最终选择的卫星通信基站的天线数量为 256N，天线之间的间隔距离固定为半波长，根据该卫星通信终端人造卫星的类型，确定与该卫星相连的所有通信信道的带宽均为20MHz，导频间隔设置为2，调制方式选择16QAM/BPSK/64QAM/QPSK。在开始系统测试实验之前，将软件程序编写成程序代码，并导入到卫星通信基站中的系统测试计算机中。将设计的卫星通信上行信道自动估计系统与基于反馈迭代算法的信道估计系统和基于PARAFAC分解的通信系统信道估计方法按照相同的方式导入到基站测试计算机中进行对比测试，并保证各个系统之间的运行互不影响。

　　5 结束语

　　在卫星信道估计受到网络带宽资源的限制下，存在估计误差大、误码率高等问题，本文提出基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统，从系统测试结果中可以看出，该设计系统输出的信道估计结果的均方误差较小，且误码率较低。能够更大程度地还原卫星通信信道，为解决卫星通信数据信号在传输中存在的各种问题提供技术支持。

　　参考文献 :

　　[1] 王丹,丁钰泰.5G系统PUCCH多用户复用的信道估计算法研究[J].光通信研究,2019,215(5):56-61

　　.[2] 刘旭阳.5G 通信信道估计和均衡方法研究[J].通信技术,2020,53(11):43-47.

　　[3] 张建康,赵悠悠,尚应博,等.基于反馈迭代算法的航空通信系统信道估计算法研究[J].郑州大学学报(工学版),2020,41(2):5-10.

　　[4] 韩曦,赵雨雨,刘芹,等.基于PARAFAC分解的通信系统信道估计方法[J].现代信息科技,2020,4(2):71-73.

　　[5] 信雪梅,南作用.基于大规模 MIMO 技术的 5G 无线信道建模及仿真[J].邮电设计技术,2020(7):46-51.

　　[6] 陈美好,王钰,訾晶,等.基于 5G 波段的 V2V 高速无线信道建模[J].测控技术,2019,38(4):112-116.

　　[7] 肖骏,周渊平,肖宇彤.基于CSDM-MIMO系统的虚拟信道估计与权值优化[J].电子技术应用,2019,45(4):90-93,98

　　.[8] 郭语,鞠全勇.基于PWM信号的主从通信方法[J].机械制造与自动化,2020,49(6):166-168,181.

　　作者：周剑明1, 黄 杉2