一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114584442A(43)申请公布日2022.06.03(21)申请号202210208126.2H04B7/0456(2017.01)(22)申请日2022.03.04H04W84/06(2009.01)(71)申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁区东南大学路2号(72)发明人李佳珉刘蕊张子枫朱鹏程王东明(74)专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)32249专利代理师唐少群(51)Int.Cl.H04L27/00(2006.01)H04L25/02(2006.01)H04B7/185(2006.01)H04B7/0413(2017.01)权利要求书5页说明书11页附图1页(54)发明名称一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法(57)摘要本发明公开了一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，该方法针对大规模MIMO低轨卫星通信系统的多普勒频偏问题，给出了三个阶段的补偿方法，包括在基站端利用先验知识对卫星DFO和用户绝对DFO进行估计和预补偿，在用户端采用波束对齐技术对用户相对DFO进行估计和精细补偿。基于这三个阶段，进一步提出了自适应补偿算法即利用卫星DFO的历史估计值来调整DFO估计补偿系统，在保证估计精度的同时，降低了计算复杂度。本发明能够有效地调节多普勒估计和补偿过程，适用于各种高速场景下的大规模MIMO低轨卫星通信系统。CN114584442ACN114584442A权利要求书1/5页1.一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述补偿方法包括如下步骤：步骤S1、针对一大规模MIMO低轨卫星通信系统，确定其下行频谱效率；步骤S2、构建DFO估计补偿系统，其包括三个阶段来进行DFO估计和补偿，其中，第一阶段为卫星基站端基于先验知识对卫星DFO进行估计和预补偿，第二阶段为卫星基站端基于先验知识对用户绝对DFO进行估计和预补偿，第三阶段为用户终端采用波束对齐技术对用户相对DFO进行估计和补偿；步骤S3、根据步骤S2中构建的DFO估计补偿系统，执行基于三阶段的自适应DFO补偿算法，其中，在该算法中，若卫星DFO的方差大于第一控制阈值且小于第二控制阀值，则将DFO估计补偿系统中的第一阶段和第二阶段进行级联，并且对接收信号进行估计和补偿；若卫星DFO的方差大于第二控制阈值，则将DFO估计补偿系统中的三个阶段进行级联，并且对接收信号进行估计和补偿。2.根据权利要求1中所述的一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述步骤S1，其具体包括：步骤S101、针对一个基站天线数量为M，有Nu个单天线用户的大规模MIMO低轨卫星通信系统，其中卫星采用均匀天线阵列，下行用户k与卫星之间的多路径信道模型为：在公式(1)和公式(2)，Pk为下行用户k的信道传播路径的总数量，为第p条路径的复值增益，为天线阵列响应，为理想发射角，λ为波长，d为天线间距；表示为卫星DFO，表示绝对DFO，为相位旋转矩阵，其为用户相对DFO产生的影响；步骤S102、经过信道估计，下行用户k接收到的信号为：在公式(3)中，为下行用户k的传输功率，为下行用户k的估计信道，为用户k的下行预编码，为下行用户k的传输信号，为信道估计误差，为下行高斯白噪声，为用户i的下行预编码，为下行用户i的传输信号；2CN114584442A权利要求书2/5页步骤S103、假设用户终端利用统计信道状态信息进行信号解码，则系统的下行可达速率为：在公式(4)和公式(5)中，是信道估计误差的方差，ρdl是下行链路的信噪比。3.根据权利要求2中所述的一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述第一阶段，其具体包括：估计出卫星其具体公式为：在公式(6)和公式(7)中，fc为载波频率，c为光速，rE为地球半径，r为卫星和地面用户之间的距离，ωn为卫星相对于地心的角速度，φmax表示最大通信仰角；根据公式(6)和公式(7)，确定下行用户k的卫星DFO补偿矩阵为：根据该公式(8)进行预补偿，在进行该第一阶段的预补偿之后，下行用户k接收到的信号R1(k)为：。4.根据权利要求3中所述的一种自适应的大规模MIMO低轨卫星多普勒频偏补偿方法，其特征在于，所述第二阶段，其具体包括：用户绝对DFO是由于长距离传输引起的，则其估计公式为：3CN114584442A权利要求书3/5页在公式(10)中，vk表示第k个下行用户的运动速度；根据该公式(10)，得到下行用户k的用户绝对DFO补偿矩阵为：根据该公式(11)进行预补偿，经过第二阶段预补偿之后，下行用户k接收到的信号R2(k)为：。5.根据权利要求4中所述的一种自适应的大规模MIMO低轨