基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统

刘 媛

（河南广播电视台卫星传输中心 河南 郑州 450008）

0 引言

在新时期，卫星通信已经成为人类信息传输与交互必不可少的重要组成部分之一。随着人造卫星数量的不断增加，现有的卫星通信系统数量也变得越来越多，不同卫星通信系统之间存在互相干扰的问题。除此之外，卫星通信有着传输距离长的特点，在传输时更加容易受到外界因素的影响。因此，为了提升卫星通信的稳定性与可靠性，必须采取措施降低随机信道对传输造成的消极影响。这类措施需要大量的应用信道估计技术，据相关研究调查表明[1]，现有的信道估计系统都存在着地板效应、信道信号不均衡、估计结果均方误差大等问题。基于此，本文围绕5G技术，建立了相应的卫星通信上行信道自动估计系统，期望能够利用5G技术低时延、高速率的特点，推动卫星通信信道自动估计系统性能的提升。

1 5G技术与卫星通信技术概述

1.1 5G技术概述

5G技术，即第五代移动通信技术，其有着速率快（ebb）、容量大（mMTC）、时延低（URLLC）三大优势。在4G技术已全面普及的今天，传统移动宽带数据业务也得到了飞速增长。随着移动用户数量的爆炸式增长，人们对于实时高速业务的需求量也变得越来越高。人工智能、大数据、云计算等新兴技术的应用推动了无线网络的多样化发展。无线网络需要更低的传输时延、更高的系统吞吐量、更强的可靠性与更多的连接用户数量。为了满足上述需求，5G技术应运而生。5G系统是实现大连接业务的主要基础，其不仅要具备低时延、广覆盖、高可靠性等特点，还要能够实现快速增长移动宽带数据业务的全面支持。因为，在5G系统下，信息与信息之间的传输已经不再局限于人人互联，而是朝着人物互联、物物互联、万物互联的方向发展。这也就意味着5G技术需要实现低频频谱、高频频谱的全面应用，以此获取更加强大的系统带宽，从而满足不同类型的业务需求。

现如今，5G技术已经逐渐走入我国居民的日常生活，不难预见的是，5G技术必然和4G技术一样，对我国居民的生活方式与工作方式造成巨大的改变。通信息技术发展会推动更多前沿产品、先进技术的落地，5G技术已成为诸多企业的神经，是重构移动通信产业格局的重要技术。

1.2 卫星通信技术概述

卫星通信技术是指一种将人造地球卫星视为中继站，并利用其进行无线电波转发，从而实现多终端通信的技术。卫星通信技术有着覆盖区域大、通信容量大、传输信号精度高等特点，其凭借全方位连接的独特优势，实现了天地一体化、全球互联。卫星通信技术可以根据距离地面高度的不同，分为低轨通信卫星（LEO）、中轨通信卫星（MEO）、高轨地球同步通信卫星（GEO）。

GEO距离地面高度约36 000 km，虽然技术已经发展成熟，在通信、电视转播等方面有着广泛的应用。但其有着频谱利用率低、离地远、延时长、波束覆盖区大、终端发射功率大、容量有限、发射成本高、体积重量大等缺陷，使用场景相对较少，仅被应用于大型移动用户的通信当中。

LEO可以实现实时通信，有着吞吐量高、传播延迟低、时延短、损耗小、路径短等诸多优势。其较高的距地高度在一定程度上抑制了信号衰减，降低了功率方面的需求。因此，LEO卫星网络也将在未来通信系统的发展中占据重要地位。本文中所设计的基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统也建立在LEO卫星网络之上。

2 基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统的硬件设计

2.1 基于5G技术的卫星通信网络设计

卫星通信网络由多个部分构成，其需要终端、网关、服务链路、人造卫星、地面通信网等硬件的支持才能实现。卫星通信网络中的业务链接指的是卫星和用户设备产生的无线连接。基于5G技术的卫星通信网络架构分为两种情况，一种是有中继节点的情况，另一种是无中继节点的情况。在无中继节点的情况下，信息从通信终端发出，经过网络接口到达基站，再经过用户接口与控制接口达到数据网络。在有中继节点的情况下，信息从通信终端经过网络接口到达中继节点，再从中继节点经过网络接口到达基站，再经过用户接口与控制接口到达数据网络。

2.2 接收机设计

接收机会利用目标天线的发送信号对别的天线发送的信号进行干扰，从而达到探测并消除别的天线信号干扰的效果。这也就意味着目标天线的发送信号会被视为干扰工具，并发挥着重要的作用。接收机的运作原理如下：目标信号源发送信号至前导处理器，在D触发器作用下到达滤波器，并通过加权滤波矩阵，将信号分为符合条件的可接收信号、不符合条件的被干扰信号两种形式。加权滤波矩阵是接收机设计的重点，也是消除其他天线干扰的关键[2]。

2.3 状态机设计

状态机肩负着产生状态解码、输出信号、存储状态的重要作用。状态机的运作原理如下：状态机会把系统的估计功能分为空闲态、前导1状态、前导2状态、计算信道模状态四种状态。当没有数据进入时，状态机处于空闲态。当数据进入后，系统会进入前导1状态，此时估计功能还没有完成。当数据再次进入后，系统会进入前导2状态，此时已经获得了估计信道值。在信道值估算完成后，系统会进入计算信道模型状态，并对信道模型进行计算。当计算完成后，状态机会再次回到空闲态。为了确保状态机可以精准跳转至目标状态，需要将系统估计状态编码设置为格雷编码。

2.4 信道信号处理器设计

信道信号处理器的运作原理如下：信号输入以后，经过解码器进行解码，在解码完成后通过并行乘法器进行计算，计算完成后到达调制映射器，实现信号的输出。

2.5 存储器设计

存储器发挥着读取接收信号、存储接收信号的重要作用。存储器的运作原理如下：子载波估计信道信息会在前导1态估计函数的情况下被写入存储器。如果处于前导2态估计函数的情况下，存储器会先读取首次信道估计值，在此基础上结合现有的估计值计算平均值，并将平均值写入存储器内。存储器在估计信道模值计算的过程中，会不断地被读取信道信息，在此基础上运算结果会被写入地址空间。为了更好地应对并行读写现象，在设计存储器时需选用双端口存储器。并在不同的时间把信道信息、信道模值写入内存中。

3 基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统的软件设计

3.1 对卫星通信上行信道特性进行分析

卫星移动通信有着距离大的特点，这也就意味着通信信号在传输的过程中，容易受到外界因素的影响。当通信信号穿越大气层时，更加容易受到影响。这也就意味着卫星通信上行信道会出现衰落。因此，在设计时要将一切可能影响信道估计结果的因素考虑进去。导致通信衰落的因素主要体现在两个方面，一个方面是阴影效应，另一个方面是路径损耗。路径损耗下设气体吸收、降水衰落、空间路径损耗等多种类型。这里以降水衰落为例，降水衰落的衰减量用公式可表达为：

其中，K代表了路径衰减系数，R代表了卫星通信时的降水量，α代表衰落修正因子，θ代表地面与人造卫星的仰角。变量l（R，θ）代表通信信号通过降水区域时的等效路径长度。

总而言之，通信衰落会阻碍卫星通信信号的传播，当阻碍达到一定程度时，会致使信号畸变现象，因此在分析卫星通信上行信道特性时，要格外重视衰落的影响[3]。

3.2 卫星通信上行信道模型的构建

通过2.1的分析，在通信衰落的基础上，结合5G技术、抽头延时建立了相应的模型。在模型中，每一个抽头都代表了特定的组合路径信号，衰落特征则选用了平坦衰落进行表示。在此基础上加入了通信系统内的所有路径信号，得出了以下模型，表达式如下。

其中P0代表了通信信号，σ1与μ代表101 gP0的标准差与均值。在此基础上可以获取相干带宽频率、信号带宽发送频率。对二者进行比较，可以得知不同频率的衰减强度存在着一定的差异性。

3.3 利用5G技术提取卫星通信数据

硬件设备在5G通信技术的辅助下，可以对卫星通信信道模型中的端口数据地址信号、使能信号进行读取。在两个时钟周期内，输入所读取到的信道数据，再由乘法器进行计算，便可产生相应的数据地址，读取模型端口位置。在数据输入阶段，要对其进行判断，检查其究竟是数据，还是前导代码或枕头控制码。在最小二乘法的基础上，信道估计子模块只会在前导序列接收时发挥作用。在前导序列估计完成以后，信道补偿模块会发挥作用，直至数据全部接收结束。

3.4 导频的自动选择与插入

在数据流中插入导频信息，再在导频信息的基础上估计信道的响应。让导频信号模式、插入间隔产生不同，会对系统的性能产生影响。因此，为实现导频的自动选择，须严格按照奈奎斯特采样定理进行设计，导频子载波的采样间隔需要符合以下公式。

Δf代表子载波带宽，τmax代表信道最大时延。在此基础上将符合要求的导频信号按照梳状排列的方式插入即可。插入形式见图1。

导频序列每间隔几个子载波，便按照频率轴的方向插入一行，并顺着时间轴方向连续插入，确保导频信号能够覆盖信道的每一时刻即可。

3.5 卫星通信上行信道自动估计的实现

在设计卫星通信上行信道估计参数时，选择衰落、增益、相干宽带、平均附加时延、事变冲击响应、冲击响应长度等参数。自动估算指的就是接受前导序列时发生的变化，并对前导序列的信道特性进行估算，并将前导序列信道特性视为其他数据信息要经历的信道特性的参考。估计频域时，通常会把前导序列Xp、前导序列Xm应用于子载波信道频率响应的估计当中。因为这两组前导序列关于原点都城，因此在估算Xm时要取Xp的反值。在此基础上便可获取相应的估计结果，可用下式表示。

Lk代表k条路径衰减，τk代表每条路径的一次通信时延。为了尽可能提升估计的进度，在正式输出结果前，要对误差进行估计与计算，并预补偿处理偏差。

总而言之，软件系统的设计流程如下：（1）对卫星通信上行信道的衰落特征进行分析。（2）构建相应的信道模型。（3）利用5G技术，将通信数据提取。（4）在奈奎斯特采样定理的基础上实现导频信号的插入。（5）对平均附加进行计算，从而实现自动估计[4]。

4 基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统解析

对于卫星通信系统而言，信道估计是其重要的组成部分。信道状态信息的准确性将对容量与差错性能有着较大的影响。卫星通信信号在传输的过程中会受到无线信道的影响，进而产生衰落效应。卫星通信信号相较于其他无线通信信号而言，传播路径要更加复杂。因此，接收端所接收的信号更加容易产生失真现象。这时就要利用信道估计将初始信息进行恢复。

传统的信道估计方案相对简单，其主要是利用导频符号进行辅助调制，从而实现信道估计功能。但是传统的信道估计方案需要大量的导频信号才能实现信道状态信息的有效收集。这也就意味着其会占用大量的功率与带宽效率，将其应用于卫星通信上行信道自动估计中效率相对较低。而盲信道估计技术则建立在模数特征高阶统计量或调制信号信道之上，虽然不需要导频信号，但是计算复杂度相对较高，应用于实践中效率较低。半盲道估计方法虽然结合了盲信道估计与导频信道估计的双重特点，但是复杂度也相对较高，且需要大量时间对数据进行观察，因此也不适用于卫星通信上行信道自动估计当中。

导频辅助信道估计法会将解调参考信号视为导频信号。解调参考信号有着非常好的自相关性，这也就意味着脉冲噪声与高斯白噪声对信道估计的影响相对较小，会大幅提升信道估计的精度。因此在此基础上把导频信号以一定的周期插入到导频符号的子载波上进行传输，并让导频信号能够以一定的规律映射到子载波上，再通过OFDM的调制，把频域信号转换为时域，信号并在此基础上添加相应的循环前缀。既能够有效避免其在通过卷及信道时的符号间干扰。时域信号在经过OFDM解调处理以后会转换到频域，再将频率信号以一定的规律映射到子载波上。将这一逆过程的导频信号提取出来，便是信道自动估计所想要的频域接收信号。如果没有载波间干扰，就意味着子载波间的正交性不会被破坏。在这一背景下，接收端的子载波分量可被视为子载波信道频率响应与发射信号的乘积。综上所述，在进行信道估计分析时，只需要在接收信号的基础上获取子载波的频率，信道响应即可利用相应的估计方法获取发射信号。信道估计方法越是优越便越是能降低信道估计响应的误差值，帮助信道自动估计系统获取更加准确的信道状态信息，本文所提到的卫星通信上行信道自动估计系统就建立在5G技术之上[5]。

通信信道的质量会对卫星通信系统的性能产生较大的影响。信号在传播的过程中会受到障碍物的影响产生幅度、相位或频率等变化。而卫星通信系统的信道环境则更加容易发生改变，比较容易产生接收信号的符号间干扰现象。信道估计是确保接收信号准确性的重要保障，其指的是一个估计信号传输时所经过的信道参数的过程，能够帮助接收端更加准确地恢复发送信号。本文中所设计的基于5G技术的卫星通信上行信道自动估计系统原理如下：将导频选取适当位置插入发送端的发送信号中，当接收端获取信号以后，可以利用导频恢复出导频位置的信道信息。在此基础上结合变换、滤波或内插等信号处理手段，便可更加准确地获取数据位置的信道信息。

5 结语

5G通信网络在为卫星通信上行信道提供硬件支持的同时，能够对系统内的各项硬件设备进行优化，达到分析信道特性、构建信道模型、提取卫星通信数据、自动选择导频符号、自动插入导频符号的效果。将5G技术应用于卫星通信上行信道自动估计系统中，能够帮助接收端更好地还原卫星通信信道，对数据信号传输质量的提升有着重要的意义。