一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法

摘要

本发明公开了一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，涉及卫星通信与导航一体化技术领域。该方法包括：卫星通信终端利用导航卫星信号测得自身的速度和位置信息，通过网管信道发送至卫星网络管理中心请求分配通信资源，网管中心根据终端和通信卫星的位置和速度，计算得到终端与通信卫星的多普勒频偏和通信时延，之后将多普勒频偏、通信延迟和其它通信资源下发至卫星终端，完成资源分配；在终端的速度或位置变化大于阈值后，重新进行上述资源分配过程。本发明充分利用导航系统的信息解决了OTFS卫星通信系统的多普勒频偏和时延的精准预编码问题。

权利要求

1.一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：S101.卫星通信终端通过网管信道在卫星网络管理中心进行初始化，包括鉴权和入网，同时根据导航卫星信号获得自身的速度和位置坐标，并向卫星网络管理中心发起通信请求，通信请求含目的终端、所需带宽、速度和位置坐标；

S102.卫星网络管理中心收到卫星通信终端的通信请求后，根据通信卫星的速度和位置坐标，计算通信卫星与卫星通信终端的多普勒频偏和时延，并进行通信资源的配置，包括频点、带宽和时隙；

S103.卫星网络管理中心将多普勒频偏、时延、卫星的速度、卫星的位置坐标以及通信资源的数值通过网管信道下发至卫星通信终端，卫星通信终端按照预分配好的频偏和时延进行OTFS调制，并按照分配好的通信资源完成数据传输；

S104.当卫星通信终端的速度和位置距离变化超过阈值导致通信中断时，即当或者 时，重新向卫星网络管理中心发起通信请求，返回步骤S102；其中 和 分别为当前时刻卫星通信终端的速度和时延，vA和τ分别为上次发起通信请求卫星通信终端的速度和时延，vS为通信卫星的速度，Δ为阈值。

2.根据权利要求1所述基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，其特征在于，步骤S102中时延τ的计算方法为：S201.将卫星通信终端的位置坐标 和通信卫星的位置坐标 分别

依据经纬度坐标系与地心直角坐标系转换关系变为(xA,yA,zA),(xS,yS,zS)；

S202.计算(xA,yA,zA),(xS,yS,zS)的欧式距离，得到时延τ＝d/c，其中c为光速。

3.根据权利要求1所述基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，步骤S102中的多普勒频偏Δf的计算方法为：其中，fc为卫星网络管理中心分配的载波频率，||vA‑vs||为卫星通信终端与通信卫星的相对速度大小，θ为卫星通信终端发送信号与通信卫星相对运动方向的夹角，c为光速。

说明书

一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星通信与导航一体化领域，特别涉及一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法。

背景技术

[0002] 全球卫星导航卫星系统(GNSS)利用4颗卫星能对地面上的目标点空间坐标建立方程并求解，实现全球、全天候的实时定位，根据短时目标点的位置变化也可以进行测速。目前在轨的GNSS包括GPS、北斗、伽利略等，均已应用于社会生产活动中，例如车辆导航功能。

[0003] 由于不断增长的数据传输需求，多载波技术是实现卫星通信的高速率通信的重要手段，在地面通信系统中使用的OFDM是候选方案之一。然而，在卫星通信场景中，低轨(LEO)卫星、机载终端等相对于地面高速移动，会在接收端会产生较显著的多普勒效应，此时OFDM的子载波正交性被破坏，导致严重的子载波间的干扰(ICI)，因此在LEO通信系统中直接应用OFDM还存在诸多限制。

[0004] OTFS为Orthogonal Time Frequency Space的缩写，即正交时频空。OTFS是一种二维调制方法，在延迟‑多普勒域上进行调制，实现QAM符号的多路传输。OTFS的基本思想是在时间和频率上完全分集，将OFDM信号所经历的时变信道转换为近似时不变信道，例如将时变多径信道转换为延迟‑多普勒域中的二维信道。与OFDM相比，OTFS需要在预编码阶段设置合理的多普勒、延迟数值，就能很好地应用于高移动场景，在卫星通信有良好的应用前景。

[0005] 由上述分析可知，基于OTFS的卫星通信系统更加适用于时变信道条件，但需要解决OTFS多普勒、延迟的预编码问题。

发明内容

[0006] 为了解决OTFS卫星通信系统的多普勒、延迟的预编码问题，提出了一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，该方法利用卫星导航信号获得卫星终端的速度和位置，可以实现对OTFS的多普勒、延迟的准确预配置。

[0007] 一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，包括以下步骤：

[0008] S101.卫星通信终端通过网管信道在卫星网络管理中心进行初始化，包括鉴权和入网，同时根据导航卫星信号获得自身的速度和位置坐标，并向卫星网络管理中心发起通信请求，通信请求含目的终端、所需带宽、速度和位置坐标；

[0009] S102.卫星网络管理中心收到的卫星通信终端的通信请求后，根据通信卫星的速度和位置坐标，计算通信卫星与卫星通信终端的多普勒频偏和时延，并进行通信资源的配置，包括频点、带宽和时隙；

[0010] S103.卫星网络管理中心将多普勒频偏、时延、卫星的速度、卫星的位置坐标以及通信资源的数值通过网管信道下发至卫星通信终端，卫星通信终端按照预分配好的频偏和时延进行OTFS调制，并按照分配好的通信资源完成数据传输；

[0011] S104.当卫星通信终端的速度和位置距离变化超过阈值导致通信中断时，即当或者 时，重新向卫星网络管理中心发起通信请求，返回步骤S102；其中 和 分别为当前时刻卫星通信终端的速度和时延，vA和τ分别为上次发起通信请求卫星通信终端的速度和时延，vS为通信卫星的速度，Δ为阈值。

[0012] 进一步的，步骤S102中时延τ的计算方法为：

[0013] S201.将卫星通信终端的位置坐标 和通信卫星的位置坐标分别依据经纬度坐标系与地心直角坐标系转换关系变为(xA,yA,zA),(xS,yS,zS)；

[0014] S202.计算(xA,yA,zA),(xS,yS,zS)的欧式距离，得到时延τ＝d/c，其中c为光速。

[0015] 进一步的，步骤S102中的多普勒频偏Δf的计算方法为：

[0016]

[0017] 其中，fc为卫星网络管理中心分配的载波频率，||vA‑vs||为卫星通信终端与通信卫星的相对速度大小，vA为卫星通信终端的速度，vS为通信卫星的速度，θ为卫星通信终端发送信号与通信卫星相对运动方向的夹角，c为光速。

[0018] 本发明相比现有技术具有如下优点：

[0019] 本发明通过在发射端引入导航信号进行OTFS卫星通信系统预编码，实现对OTFS系统的通信时延、多普勒频偏的准确配置，会有效降低卫星通信接收端进行信道估计的难度，达到利用卫星导航系统增强OTFS卫星通信系统性能的目的。

附图说明

[0020] 图1是本发明所提供的一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法的整体流程图。

具体实施方式

[0021] 下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

[0022] 参照图1，一种基于导航信号辅助的OTFS卫星通信系统预编码方法，包括：

[0023] S101.卫星通信终端A启动，通过网管信道在卫星网络管理中心(网管中心)完成鉴权、入网等初始化过程，同时根据导航卫星信号获得自身的速度vA和位置坐标例如， 表示速度大小为0、东经103度、北纬30度、海拔为0km的终端。

[0024] 初始化完成后，卫星通信终端A向卫星网络管理中心发起通信请求；通信请求含目的终端、所需带宽、速度vA和位置坐标

[0025] S102.卫星网络管理中心收到的卫星通信终端A通信请求，根据通信卫星的速度vS和位置坐标 计算通信卫星与卫星通信终端的多普勒频偏Δf和时延τ。例如，卫星为1200km,东经100度，北纬35度的某颗在圆轨道运行的低轨卫星，位置坐标为(100°,35°,1200)，由开普勒定律可知，其速度大小约为7.18km/s。具体包括以下过程：

[0026] 假设地球半径为R，空间直角坐标以地球球心为原点，原点到北极为正z轴，原点到经纬度(0,0)为正x轴，那么纬度a(北正南负)，经度b(东正西负)的空间直角坐标为：

[0027]

[0028] 卫星通信终端A和通信卫星的直角系坐标分别为(‑1272.3,5511.0,3265.5)，之后计算(xA,yA,zA),(xS,yS,zS)的欧式距离，得到时延τ＝d/c，c为光速，得到τ＝4.6ms。

[0029] 假设载波频率为20GHz，可得到多普勒频偏Δf：

[0030]

[0031] 其中cosθ由几何关系可知值为

[0032]

[0033] 则Δf＝4.7628×105Hz。之后完成频点、带宽、时隙等通信资源的配置；

[0034] S103.卫星网络管理中心将多普勒频偏、延迟、通信卫星的速度vS、位置坐标以及其它通信资源的数值通过网管信道下发至卫星通信终端A，卫星通信终端A按照预分配好的频偏Δf和延迟τ完成OTFS调制，并按照其它分配好的资源完成数据传输；

[0035] S104.当卫星通信终端A的速度和位置距离变化超过阈值导致通信中断时，例如阈值Δ设置为0.2，即当 或者时，需重新向卫星网络管理中心发起通信请求，返回步骤S102；其中
分别为当前时刻卫星通信终端的的速度和延迟，vAτ为上次发起通信请求所配置的卫星通信终端的速度和时延。