基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統

劉 媛

（河南廣播電視臺衛星傳輸中心 河南 鄭州 450008）

0 引言

在新時期，衛星通信已經成為人類信息傳輸與交互必不可少的重要組成部分之一。隨著人造衛星數量的不斷增加，現有的衛星通信系統數量也變得越來越多，不同衛星通信系統之間存在互相干擾的問題。除此之外，衛星通信有著傳輸距離長的特點，在傳輸時更加容易受到外界因素的影響。因此，為了提升衛星通信的穩定性與可靠性，必須采取措施降低隨機信道對傳輸造成的消極影響。這類措施需要大量的應用信道估計技術，據相關研究調查表明[1]，現有的信道估計系統都存在著地板效應、信道信號不均衡、估計結果均方誤差大等問題?；诖耍疚膰@5G技術，建立了相應的衛星通信上行信道自動估計系統，期望能夠利用5G技術低時延、高速率的特點，推動衛星通信信道自動估計系統性能的提升。

1 5G技術與衛星通信技術概述

1.1 5G技術概述

5G技術，即第五代移動通信技術，其有著速率快（ebb）、容量大（mMTC）、時延低（URLLC）三大優勢。在4G技術已全面普及的今天，傳統移動寬帶數據業務也得到了飛速增長。隨著移動用戶數量的爆炸式增長，人們對于實時高速業務的需求量也變得越來越高。人工智能、大數據、云計算等新興技術的應用推動了無線網絡的多樣化發展。無線網絡需要更低的傳輸時延、更高的系統吞吐量、更強的可靠性與更多的連接用戶數量。為了滿足上述需求，5G技術應運而生。5G系統是實現大連接業務的主要基礎，其不僅要具備低時延、廣覆蓋、高可靠性等特點，還要能夠實現快速增長移動寬帶數據業務的全面支持。因為，在5G系統下，信息與信息之間的傳輸已經不再局限于人人互聯，而是朝著人物互聯、物物互聯、萬物互聯的方向發展。這也就意味著5G技術需要實現低頻頻譜、高頻頻譜的全面應用，以此獲取更加強大的系統帶寬，從而滿足不同類型的業務需求。

現如今，5G技術已經逐漸走入我國居民的日常生活，不難預見的是，5G技術必然和4G技術一樣，對我國居民的生活方式與工作方式造成巨大的改變。通信息技術發展會推動更多前沿產品、先進技術的落地，5G技術已成為諸多企業的神經，是重構移動通信產業格局的重要技術。

1.2 衛星通信技術概述

衛星通信技術是指一種將人造地球衛星視為中繼站，并利用其進行無線電波轉發，從而實現多終端通信的技術。衛星通信技術有著覆蓋區域大、通信容量大、傳輸信號精度高等特點，其憑借全方位連接的獨特優勢，實現了天地一體化、全球互聯。衛星通信技術可以根據距離地面高度的不同，分為低軌通信衛星（LEO）、中軌通信衛星（MEO）、高軌地球同步通信衛星（GEO）。

GEO距離地面高度約36 000 km，雖然技術已經發展成熟，在通信、電視轉播等方面有著廣泛的應用。但其有著頻譜利用率低、離地遠、延時長、波束覆蓋區大、終端發射功率大、容量有限、發射成本高、體積重量大等缺陷，使用場景相對較少，僅被應用于大型移動用戶的通信當中。

LEO可以實現實時通信，有著吞吐量高、傳播延遲低、時延短、損耗小、路徑短等諸多優勢。其較高的距地高度在一定程度上抑制了信號衰減，降低了功率方面的需求。因此，LEO衛星網絡也將在未來通信系統的發展中占據重要地位。本文中所設計的基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統也建立在LEO衛星網絡之上。

2 基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統的硬件設計

2.1 基于5G技術的衛星通信網絡設計

衛星通信網絡由多個部分構成，其需要終端、網關、服務鏈路、人造衛星、地面通信網等硬件的支持才能實現。衛星通信網絡中的業務鏈接指的是衛星和用戶設備產生的無線連接。基于5G技術的衛星通信網絡架構分為兩種情況，一種是有中繼節點的情況，另一種是無中繼節點的情況。在無中繼節點的情況下，信息從通信終端發出，經過網絡接口到達基站，再經過用戶接口與控制接口達到數據網絡。在有中繼節點的情況下，信息從通信終端經過網絡接口到達中繼節點，再從中繼節點經過網絡接口到達基站，再經過用戶接口與控制接口到達數據網絡。

2.2 接收機設計

接收機會利用目標天線的發送信號對別的天線發送的信號進行干擾，從而達到探測并消除別的天線信號干擾的效果。這也就意味著目標天線的發送信號會被視為干擾工具，并發揮著重要的作用。接收機的運作原理如下：目標信號源發送信號至前導處理器，在D觸發器作用下到達濾波器，并通過加權濾波矩陣，將信號分為符合條件的可接收信號、不符合條件的被干擾信號兩種形式。加權濾波矩陣是接收機設計的重點，也是消除其他天線干擾的關鍵[2]。

2.3 狀態機設計

狀態機肩負著產生狀態解碼、輸出信號、存儲狀態的重要作用。狀態機的運作原理如下：狀態機會把系統的估計功能分為空閑態、前導1狀態、前導2狀態、計算信道模狀態四種狀態。當沒有數據進入時，狀態機處于空閑態。當數據進入后，系統會進入前導1狀態，此時估計功能還沒有完成。當數據再次進入后，系統會進入前導2狀態，此時已經獲得了估計信道值。在信道值估算完成后，系統會進入計算信道模型狀態，并對信道模型進行計算。當計算完成后，狀態機會再次回到空閑態。為了確保狀態機可以精準跳轉至目標狀態，需要將系統估計狀態編碼設置為格雷編碼。

2.4 信道信號處理器設計

信道信號處理器的運作原理如下：信號輸入以后，經過解碼器進行解碼，在解碼完成后通過并行乘法器進行計算，計算完成后到達調制映射器，實現信號的輸出。

2.5 存儲器設計

存儲器發揮著讀取接收信號、存儲接收信號的重要作用。存儲器的運作原理如下：子載波估計信道信息會在前導1態估計函數的情況下被寫入存儲器。如果處于前導2態估計函數的情況下，存儲器會先讀取首次信道估計值，在此基礎上結合現有的估計值計算平均值，并將平均值寫入存儲器內。存儲器在估計信道模值計算的過程中，會不斷地被讀取信道信息，在此基礎上運算結果會被寫入地址空間。為了更好地應對并行讀寫現象，在設計存儲器時需選用雙端口存儲器。并在不同的時間把信道信息、信道模值寫入內存中。

3 基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統的軟件設計

3.1 對衛星通信上行信道特性進行分析

衛星移動通信有著距離大的特點，這也就意味著通信信號在傳輸的過程中，容易受到外界因素的影響。當通信信號穿越大氣層時，更加容易受到影響。這也就意味著衛星通信上行信道會出現衰落。因此，在設計時要將一切可能影響信道估計結果的因素考慮進去。導致通信衰落的因素主要體現在兩個方面，一個方面是陰影效應，另一個方面是路徑損耗。路徑損耗下設氣體吸收、降水衰落、空間路徑損耗等多種類型。這里以降水衰落為例，降水衰落的衰減量用公式可表達為：

其中，K代表了路徑衰減系數，R代表了衛星通信時的降水量，α代表衰落修正因子，θ代表地面與人造衛星的仰角。變量l（R，θ）代表通信信號通過降水區域時的等效路徑長度。

總而言之，通信衰落會阻礙衛星通信信號的傳播，當阻礙達到一定程度時，會致使信號畸變現象，因此在分析衛星通信上行信道特性時，要格外重視衰落的影響[3]。

3.2 衛星通信上行信道模型的構建

通過2.1的分析，在通信衰落的基礎上，結合5G技術、抽頭延時建立了相應的模型。在模型中，每一個抽頭都代表了特定的組合路徑信號，衰落特征則選用了平坦衰落進行表示。在此基礎上加入了通信系統內的所有路徑信號，得出了以下模型，表達式如下。

其中P0代表了通信信號，σ1與μ代表101 gP0的標準差與均值。在此基礎上可以獲取相干帶寬頻率、信號帶寬發送頻率。對二者進行比較，可以得知不同頻率的衰減強度存在著一定的差異性。

3.3 利用5G技術提取衛星通信數據

硬件設備在5G通信技術的輔助下，可以對衛星通信信道模型中的端口數據地址信號、使能信號進行讀取。在兩個時鐘周期內，輸入所讀取到的信道數據，再由乘法器進行計算，便可產生相應的數據地址，讀取模型端口位置。在數據輸入階段，要對其進行判斷，檢查其究竟是數據，還是前導代碼或枕頭控制碼。在最小二乘法的基礎上，信道估計子模塊只會在前導序列接收時發揮作用。在前導序列估計完成以后，信道補償模塊會發揮作用，直至數據全部接收結束。

3.4 導頻的自動選擇與插入

在數據流中插入導頻信息，再在導頻信息的基礎上估計信道的響應。讓導頻信號模式、插入間隔產生不同，會對系統的性能產生影響。因此，為實現導頻的自動選擇，須嚴格按照奈奎斯特采樣定理進行設計，導頻子載波的采樣間隔需要符合以下公式。

Δf代表子載波帶寬，τmax代表信道最大時延。在此基礎上將符合要求的導頻信號按照梳狀排列的方式插入即可。插入形式見圖1。

導頻序列每間隔幾個子載波，便按照頻率軸的方向插入一行，并順著時間軸方向連續插入，確保導頻信號能夠覆蓋信道的每一時刻即可。

3.5 衛星通信上行信道自動估計的實現

在設計衛星通信上行信道估計參數時，選擇衰落、增益、相干寬帶、平均附加時延、事變沖擊響應、沖擊響應長度等參數。自動估算指的就是接受前導序列時發生的變化，并對前導序列的信道特性進行估算，并將前導序列信道特性視為其他數據信息要經歷的信道特性的參考。估計頻域時，通常會把前導序列Xp、前導序列Xm應用于子載波信道頻率響應的估計當中。因為這兩組前導序列關于原點都城，因此在估算Xm時要取Xp的反值。在此基礎上便可獲取相應的估計結果，可用下式表示。

Lk代表k條路徑衰減，τk代表每條路徑的一次通信時延。為了盡可能提升估計的進度，在正式輸出結果前，要對誤差進行估計與計算，并預補償處理偏差。

總而言之，軟件系統的設計流程如下：（1）對衛星通信上行信道的衰落特征進行分析。（2）構建相應的信道模型。（3）利用5G技術，將通信數據提取。（4）在奈奎斯特采樣定理的基礎上實現導頻信號的插入。（5）對平均附加進行計算，從而實現自動估計[4]。

4 基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統解析

對于衛星通信系統而言，信道估計是其重要的組成部分。信道狀態信息的準確性將對容量與差錯性能有著較大的影響。衛星通信信號在傳輸的過程中會受到無線信道的影響，進而產生衰落效應。衛星通信信號相較于其他無線通信信號而言，傳播路徑要更加復雜。因此，接收端所接收的信號更加容易產生失真現象。這時就要利用信道估計將初始信息進行恢復。

傳統的信道估計方案相對簡單，其主要是利用導頻符號進行輔助調制，從而實現信道估計功能。但是傳統的信道估計方案需要大量的導頻信號才能實現信道狀態信息的有效收集。這也就意味著其會占用大量的功率與帶寬效率，將其應用于衛星通信上行信道自動估計中效率相對較低。而盲信道估計技術則建立在模數特征高階統計量或調制信號信道之上，雖然不需要導頻信號，但是計算復雜度相對較高，應用于實踐中效率較低。半盲道估計方法雖然結合了盲信道估計與導頻信道估計的雙重特點，但是復雜度也相對較高，且需要大量時間對數據進行觀察，因此也不適用于衛星通信上行信道自動估計當中。

導頻輔助信道估計法會將解調參考信號視為導頻信號。解調參考信號有著非常好的自相關性，這也就意味著脈沖噪聲與高斯白噪聲對信道估計的影響相對較小，會大幅提升信道估計的精度。因此在此基礎上把導頻信號以一定的周期插入到導頻符號的子載波上進行傳輸，并讓導頻信號能夠以一定的規律映射到子載波上，再通過OFDM的調制，把頻域信號轉換為時域，信號并在此基礎上添加相應的循環前綴。既能夠有效避免其在通過卷及信道時的符號間干擾。時域信號在經過OFDM解調處理以后會轉換到頻域，再將頻率信號以一定的規律映射到子載波上。將這一逆過程的導頻信號提取出來，便是信道自動估計所想要的頻域接收信號。如果沒有載波間干擾，就意味著子載波間的正交性不會被破壞。在這一背景下，接收端的子載波分量可被視為子載波信道頻率響應與發射信號的乘積。綜上所述，在進行信道估計分析時，只需要在接收信號的基礎上獲取子載波的頻率，信道響應即可利用相應的估計方法獲取發射信號。信道估計方法越是優越便越是能降低信道估計響應的誤差值，幫助信道自動估計系統獲取更加準確的信道狀態信息，本文所提到的衛星通信上行信道自動估計系統就建立在5G技術之上[5]。

通信信道的質量會對衛星通信系統的性能產生較大的影響。信號在傳播的過程中會受到障礙物的影響產生幅度、相位或頻率等變化。而衛星通信系統的信道環境則更加容易發生改變，比較容易產生接收信號的符號間干擾現象。信道估計是確保接收信號準確性的重要保障，其指的是一個估計信號傳輸時所經過的信道參數的過程，能夠幫助接收端更加準確地恢復發送信號。本文中所設計的基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統原理如下：將導頻選取適當位置插入發送端的發送信號中，當接收端獲取信號以后，可以利用導頻恢復出導頻位置的信道信息。在此基礎上結合變換、濾波或內插等信號處理手段，便可更加準確地獲取數據位置的信道信息。

5 結語

5G通信網絡在為衛星通信上行信道提供硬件支持的同時，能夠對系統內的各項硬件設備進行優化，達到分析信道特性、構建信道模型、提取衛星通信數據、自動選擇導頻符號、自動插入導頻符號的效果。將5G技術應用于衛星通信上行信道自動估計系統中，能夠幫助接收端更好地還原衛星通信信道，對數據信號傳輸質量的提升有著重要的意義。