一种基于低轨卫星系统的快变信道估计方法

摘要

本发明公开了一种基于低轨卫星系统的快变信道估计方法，针对低轨卫星较大多普勒频移以及中继级联信道的时频双选特性，建立放大转发(AF，Amplify Forward)协议下级联信道的基扩展模型(BEM，Basis Expansion Model)，分析了适用于BEM模型的信道估计算法。首先根据归一化多普勒频偏和信噪比来判断要选用的BEM模型，然后利用信道稀疏特性选取最小二乘算法(LS)和线性最小均方误差算法(LMMSE)估计模型系数。本发明能够利用基扩展模型减少快变信道的待估参数，结合信道稀疏性和自适应混合BEM模型保证估计精度的同时降低椭圆基函数BEM(DPS‑BEM)模型和LMMSE算法的复杂度，从而实现高效准确估计。

主权项

一种基于低轨卫星系统的快变信道估计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1构造基于导频簇的梳状导频结构；S2低轨卫星中继传输系统中采用AF放大转发协议，采用一组基函数的线性组合来拟合BEM模型的信道，所述BEM模型包括复指数BEM模型和椭圆基函数BEM模型，复指数BEM模型和椭圆基函数BEM模型分别采用傅里叶基和椭圆基函数作为基函数；其中，根据归一化多普勒频率f_nd和信噪比SNR自适应选择BEM模型，当在f_nd＜0.5时，SNR＜5dB和SNR≥5dB分别采用复指数BEM模型和椭圆基函数BEM模型；当f_nd＞0.5时，采用椭圆基函数BEM模型；S3 BEM模型下接收信号表示为：$y^D\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{L^2-1}{\Sigma }}\tilde{x}(n-l)b^T\left(n\right)g\left(l\right)+\eta \left(n\right)$其中，n＝0，1，…，N‑1，N是子载波个数，l＝0，1，…，L，L为可分辨多径数，b(n)＝[b₁(n)，…，b_Q(n)]^T，g(l)＝[g₁(l)，…，g_Q(l)]^T；是经中继R放大转发的接收信号，α为放大因子，x(n)为源端S发送的OFDM信号，η(n)表示均值为0，方差为δ²的加性高斯白噪声；b₁(n)，...，b_Q(n)分别表示BEM模型的第1‑Q个基函数；g₁(l)，...，g_Q(l)分别表示BEM模型的第1‑Q个基函数的系数；对所述BEM模型下接收信号进行DFT变换得到的频域Y表示为：$\begin{array}{c}Y=\underset{q=0}{\overset{Q}{\Sigma }}Fdiag\left(b_q\right)G_q{F}^{H}X+W\\ =\underset{q=0}{\overset{Q}{\Sigma }}Fdiag\left(b_q\right)F^{H}diag\left(F_L{g}_q\right)X+W\\ =\underset{q=0}{\overset{Q}{\Sigma }}Fdiag\left(b_q\right)F^{H}diag\left(X\right)F_L{g}_q+W\end{array};$其中，b_q＝[b_q(0)，b_q(1)，…，b_q(N‑1)]^T为BEM模型的第q个基函数，b_q(0)，...，b_q(N‑1)分别为BEM模型的第q个基函数在第0‑N‑1个子载波上对应的值；g_q＝[g_q(0)，g_q(1)，…，g_q(L‑1)]^T为BEM模型的第q个基函数的系数，g_q(0)，...，g_q(L‑1)分别为BEM模型的第q个基函数的系数在第0‑L‑1个可分辨多径上对应的值；G_q是一个N×N大小的循环矩阵，其第一列为对应于第q个基函数的系数；X是频域发送信号；W是频域噪声；F是N×N维的离散傅里叶变换矩阵；F_L是一个N×L大小的参数矩阵，由的前L列构成；diag表示矩阵对角化；令A_q＝Fdiag(b_q)F^H，q＝0，...，Q，则上式又表示为：$Y=\underset{q=0}{\overset{Q}{\Sigma }}{A}_{q}diag\left(X\right)F_L{g}_q+W$S4将接收信号中的导频提取出来，此时频域Y对应的导频子载波的矩阵为Y^(p)＝A^(p)Δ^(p)g+d+W^(p)其中，d为数据子载波对导频子载波的干扰，W^(p)为频域噪声W对应的导频子载波的矩阵，表示Kronecker积，I_Q+1是Q+1阶单位矩阵，A₀^(p)，...，A_Q^(p)分别为A₀，...，A_Q对应的导频子载波的矩阵，X^(p)表示频域发送信号X对应的导频子载波的矩阵；F_L^(p)表示F_L对应的导频子载波的矩阵；S5设定已知信道的稀疏度和有效信道抽头的位置，则简化估计算法，将有效信道抽头的系数放入向量I_sig中，得到：${\Delta }_{I_{sig}}^{\left(p\right)}=I_{Q+1}\otimes \left(diag\right(X^{\left(p\right)}\left){F_{I_{sig}}}^{\left(p\right)}\right)$其中是由矩阵选取的向量I_sig中对应列组成，对应于所有导频子载波的发送数据；为Δ^(p)在已知抽头位置下的表述；S6针对复指数BEM模型和椭圆基函数BEM模型分别采用LS、LMMSE算法估计基函数的系数；S7根据基函数的系数计算时域信道冲击响应。