摘 要: 由于衛(wèi)星信道估計受到網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的限制，存在著估計誤差大、誤碼率高等問題，利用5G技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星通信上行信道自動估計方法的優(yōu)化設(shè)計。搭建5G通信網(wǎng)絡(luò)，為其運行提供硬件支持。優(yōu)化接收機、狀態(tài)機、信號處理器以及存儲器裝置。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)，自動選擇并插入導(dǎo)頻符號。最終通過對信道中多個參數(shù)的估計，得出衛(wèi)星通信上行信道的自動估計結(jié)果。實驗結(jié)果表明：本文所設(shè)計系統(tǒng)輸出估計結(jié)果的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)更加接近實際信道，且測試指標(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

　　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)出其獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，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，各個衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間可能會存在影響，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信道對衛(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技術(shù)[2]。從國內(nèi)的研究現(xiàn)狀可以看出，信道估計系統(tǒng)大體可以分為時域信道和頻域信道兩種估計類型，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)信道估計算法[3]、基于PARAFAC分解的通信系統(tǒng)信道估計方法等[4]，然而在上述信道估計系統(tǒng)的實際應(yīng)用過程中存在估計結(jié)果均方誤差大、信道信號不均衡、存在地板效應(yīng)等問題。

　　針對上述存在的問題，本文提出基于5G技術(shù)的衛(wèi)星通信上行信道自動估計系統(tǒng)，5G技術(shù)也就是第五代通信技術(shù)，是寬帶移動通信技術(shù)，與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比具有高速率、低時延等特點，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估計系統(tǒng)的設(shè)計工作中，旨在提高衛(wèi)星通信信道的自動估計功能和系統(tǒng)運行性能。

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

　　2.1 衛(wèi)星5G通信網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星移動網(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 接收機的設(shè)計接收機的基本工作原理是把目標(biāo)天線的發(fā)送信號作為干擾工具，對其他天線發(fā)送的信號進行干擾，在探測過程中消除其他天線的干擾，接收機設(shè)計的原理如圖2所示。

　　公式(1)輸出的結(jié)果 是發(fā)送信號x的估計值，y( f )表示實際的接收信號，A表示的是線性關(guān)系系數(shù)。在信道估計過程中，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)機的設(shè)計狀態(tài)機用來產(chǎn)生狀態(tài)解碼和輸出信號，存儲狀態(tài)。

　　基于需求分析的結(jié)果，對衛(wèi)星通信上行信道估計系統(tǒng)進行了研究，將系統(tǒng)的估計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)進入且估計功能尚未完成，系統(tǒng)進入前導(dǎo)1狀態(tài)，再次是數(shù)據(jù)進入時，進入前導(dǎo)2狀態(tài)，計算得到估計信道值，估算完成后系統(tǒng)進入計算信道模狀態(tài)，完成信道模的計算后，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)的估計狀態(tài)編碼[6]。

　　2.4 信道信號處理器設(shè)計

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

　　2.4.1 乘法器

　　這種乘法計算方式會隨著k位置的連續(xù)變化而產(chǎn)生大量的計算結(jié)果。串行乘法器占用更少的資源，但該乘法器的計算速度慢且延時大[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)計衛(wèi)星通信協(xié)議

　　針對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 存儲器設(shè)計

　　在前導(dǎo)1態(tài)估計函數(shù)的情況下，將每一個子載波的估計信道信息寫入存儲器;在前導(dǎo)2態(tài)的情況下，從存儲器讀取首次信道估計值，然后與當(dāng)前的估計值求平均，然后將結(jié)果寫入存儲器的同一地址;在估計信道的模值計算時，需要連續(xù)地從存儲器讀取信道信息，并將運算結(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)計采用雙端口存儲器。

　　內(nèi)存需要存儲信道信息和信道模值，因為對乘法器進行復(fù)用時，信道模值和信道信息都要在不同的時刻寫入內(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。通道信息實部寬 10位，虛部位寬10位，兩路信息都存放在同一個地址，通道模值的位寬為20位，故存儲的數(shù)據(jù)位寬為20位。內(nèi)存控制信號CENA，當(dāng)CENB很低時，單獨讀寫。

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

　　3.1 分析衛(wèi)星通信上行信道特性

　　由于衛(wèi)星移動通信的距離較大，通信信號在穿越大氣層時會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)兩個部分，其中路徑損耗又可以細分為空間路徑損耗、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)與抽頭延時相結(jié)合的方式構(gòu)建上行信道模型。模型中的每一個抽頭都表示一個特定的組合路徑信號，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的衰落特征以平坦衰落來表示，通過整個通信系統(tǒng)中所有路徑信號的加入，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以及端口數(shù)據(jù)的地址信號。持續(xù)兩個時鐘周期輸入讀取的信道數(shù)據(jù)，經(jīng)乘法器運算后，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，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)，信道估計子模塊僅在接收前導(dǎo)序列時起作用，完成前導(dǎo)序列的估計后，信道補償模塊開始工作，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)頻信息對整個信道的響應(yīng)進行估計，從而使導(dǎo)頻信號的模式和插入間隔不同，從而影響整個系統(tǒng)的性能。實際的導(dǎo)頻自動選擇需要遵循奈奎斯特采樣定理。

　　4 系統(tǒng)測試

　　由于設(shè)計的信道估計系統(tǒng)使用了5G通信技術(shù)，在基站選擇時應(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)測試實驗之前，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)測試計算機中。將設(shè)計的衛(wèi)星通信上行信道自動估計系統(tǒng)與基于反饋迭代算法的信道估計系統(tǒng)和基于PARAFAC分解的通信系統(tǒng)信道估計方法按照相同的方式導(dǎo)入到基站測試計算機中進行對比測試，并保證各個系統(tǒng)之間的運行互不影響。

　　5 結(jié)束語

　　在衛(wèi)星信道估計受到網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的限制下，存在估計誤差大、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估計系統(tǒng)，從系統(tǒng)測試結(jié)果中可以看出，該設(shè)計系統(tǒng)輸出的信道估計結(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