peerlessdoi:10.3969/j.issn.1001-893x.2021.04.004
引用格式：熊韬，廖世文.一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术[J].电讯技术,2021,61(4):409-413.[XIONG Tao,LIAO Shiwen.A broadband transmission technology for LEO satellite communications[J].Telecommunication Engineering,2021,61(4):409-413.]
一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术∗
熊㊀韬∗∗，廖世文
(广州海格通信集团股份有限公司，广州510663)
摘㊀要：针对低轨卫星通信过程中功率受限的约束以及宽带业务需求的不断增长，研究了一种宽带传输技术㊂首先，分析了离散傅里叶变换扩频正交频分复用技术的宽带传输能力以及低峰均比特性；其次，进行了低轨卫星运动场景下的多普勒频移及采样偏差的分析，并在此基础上提出了一种低轨宽带通信的帧结构㊂仿真结果表明，该技术可有效抗低轨场景下的多普勒残留频偏且能完成高速率的传输任务㊂
关键词：低轨卫星通信；宽带传输；离散傅里叶变换扩频正交频分复用
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中图分类号:TN927㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-893X(2021)04-0409-05
A Broadband Transmission Technology for
LEO Satellite Communications
XIONG Tao,LIAO Shiwen
(Guangzhou Haige Communication Industry Group Co.,Ltd.,Guangzhou510663,China) Abstract:To deal with power constraint and increasing broadband rvice requirement,this paper propos a broadband transmission technology for low Earth orbit(LEO)satellite communications.Firstly,the ability for broadband transmission and low peak-to-average power ratio(PAPR)of discrete Fourier transform spread spectrum orthogonal frequency division multiplexing technology(DFT-s-OFDM)are analyzed.Sec-ondly,Doppler shift and sampling bias are deduced in the LEO scenario,then a physical frame is designed. Simulation results show that the technology can complete high speed transmission task when most Doppler frequency shift has been removed.
Key words:LEO satellite communication;broadband transmission;DFT-s-OFDM
0㊀引㊀言
低轨卫星通信系统凭借其运行轨道低㊁传输时延短㊁覆盖范围广及组网灵活等优势，可以在任意时间㊁任意地点和用户对接，让全球的用户享受全方位的通信服务[1]㊂正是由于上述优点,20世纪90年代末，以铱星系统为代表的低轨卫星通信迎来了发展热潮㊂但是限于当时卫星的制造㊁发射和运营成本高昂，同时地面基站的快速㊁低成本建设使得绝大多数场景对低轨通信的需求并不是十分迫切，因此
在21世纪初低轨卫星通信遇到了发展瓶颈㊂近年来，随着低轨卫星通信成本的显著下降，以及地面高带宽㊁低时延的第五代移动通信(5G)技术的逐步商
㊃904㊃
第61卷第4期
2021年4月电讯技术
Telecommunication Engineering Vol.61,No.4 April,2021
∗
∗∗收稿日期:2020-05-20；修回日期:2020-09-01通信作者:
业化，一个以地面5G 为基础㊁低轨宽带通信为重要支撑的空地一体化通信的研究正在成为行业热点㊂正交频分复用(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing,OFDM)技术由于其宽带传输性能卓越而被5G 所采纳，但是由于卫星通信场景中发射功
率受限的问题很突出，直接使用OFDM 体制会造成发射信号的峰均比过高，使得功率受限的低轨宽带
通信系统很容易进入功放非线性区域，从而导致严重的带内非线性失真㊂而与OFDM 体制具有良好兼容的离散傅里叶变换扩频正交频分复用(Discrete Fourier Transform Spread Spectrum Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,DFT -s -OFDM)体制在能传输高速率数据的同时具有低峰均比特性，因此可作为较为理想的低轨宽带的传输体制㊂
1㊀DFT -s -OFDM 体制
OFDM 的调制过程可以使用快速傅里叶逆变换(Inver Fast Fourier Transform,IFFT)方法来实现:
x (k )=
1
N
ðN -1i =0
X i e j2πik /N =N IFFT(X i )㊂
(1)
式中:X i 为OFDM 调制之前的符号,N 为IFFT 的个数㊂DFT -s -OFDM 技术是在OFDM 的IFFT 调制之前对信号使用DFT 获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT 转换为时域信息，因此DFT -s -OFDM 本质上也是一种宽带技术㊂图
1所示为DFT -s
-OFDM 发送流程㊂
图1㊀DFT -s -OFDM 发送流程
由于DFT -s -OFDM 通过一个傅里叶和反傅里叶变换对,IFFT 变换后的输出为输入符号的加权叠加，使得DFT -s -OFDM 传输体制具有单载波独有的低峰均比(Peak -to -Average Power Ratio,PAPR)特
性，此特性正好可以应对卫星通信过程中发射功率受限的场景约束㊂DFT -s -OFDM 体制的低PAPR 性决定了其在卫星通信的宽带业务上有着很好的应用前景㊂
图2是16正交幅度调制方式(16Quadrature
Amplitude Modulation,16QAM)下DFT -s -OFDM 与
OFDM 的信号能量概率密度函数(Probability Density Function,PDF)分布图及累积分布函数(Cumulative
Distribution Function,CDF)分布图的仿真结果，可以看出DFT -s -OFDM 的峰均比值明显小于OFDM 的峰均比值㊂在CDF 图中，若以信号能量分布小于10-6为标准比较DFT -s -OFDM 和OFDM 的峰均比，可以看出信号能量分布为10-6时,DFT -s -OFDM 对应的峰均比值为2.73dB，而OFDMA 对应的峰均比
值为3.73dB㊂因此,OFDM 的PAPR 比DFT -s -OFDM 的PAPR 高2.7dB，这说明DFT -s -OFDM 相比
OFDM 具有更低的
PAPR㊂
(a)PDF 分布图
(b)CDF 分布图
图2㊀16QAM 信号能量PDF 及CDF 分布图仿真
2㊀低轨卫星与接收机相对运动对宽带波形
产生的影响
㊀㊀宽带信号的波形结构会随着低轨卫星和接收机之间距离的变化出现两个维度的影响：一个是相对
㊃
014㊃leonline 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年
0 0是什么意思运动产生的多普勒频移，另一个是DFT 块的采样偏差㊂
如图3所示，假设卫星所在轨道与地球质心的距离为R e ，接收机与通信卫星之间的距离为R p ，地球的半径为R 0，卫星速度是v s ，载波频率为f s ，信号带宽为f d
㊂
图3㊀多普勒偏移示意图
接收机位于P 点，通信卫星位于S 点，两点相对于地心的夹角为α,
α=v s t R e
㊂
(2)因此，接收机与通信卫星之间的距离为
R p =R 20+R 2e -2R 0R e cos α㊂
(3)由
niceday是什么意思
R p
sin α=
R 0
sin β
(4)
得到
β=arcsin(sin αR 0/R p )㊂
(5)
conventional因而，电磁波到达方向与卫星移动速度方向之间的夹角为
θ=
π
2-β㊂(6)
可知，多普勒频偏为
Δf =
v s c
f s cos θ㊂
(7)ruler
式中:f s 为载波频率，卫星速度是v s ,c 为光速㊂所以多普勒频移的变化率为
αd =
Δf t +Δt -Δf t
Δt
㊂
(8)接收机与卫星之间的距离为
ρt =(R e cos α-R 0)2+(R e sin α)2㊂
(9)
接收机和通信卫星之间的距离变化率为
Δρt =
ρt +Δt -ρt
Δt
㊂(10)
同时，在接收机收到DFT -s -OFDM 信号时，接收机与发射机之间的距离变化会产生一定的采样偏差，所以每个DFT 块的最大采样偏差为
τ=Δρt
c ϕγ㊂(11)
式中:ϕ=1/f d 为每个码片所占用的时间,γ=f d /n 0为一个DFT 信号所占用的码片长度㊂
对上述推导进行数值仿真㊂仿真过程中，假定低轨卫星的运行速度为7.28km /s，仿真中用时间代替卫星的实际位置，讨论频偏㊁频偏变化率㊁每个DFT 块的最大采样偏差与卫星位置之间的相关变化曲线㊂
如图4所示，低轨卫星在运行过程中产生的频偏最高接近400kHz，这么大的多普勒频偏通过频
偏估计算法来补偿是不现实的，即信号在接收前需要进行预补偿㊂目前成熟的预补偿方式是通过卫星星历推算卫星的位置及接收机的位置信息推算大致的多普勒偏㊂这其中运算最复杂的是星历解算，一般的做法是通过卫星广播或者是网络定时(
通常一天更新一次)传递参数给低轨终端或者低轨信关站并由其自行解算㊂目前国内 北斗 导航终端模块普遍采用这种方式且实时性都很好，并不十分耗资源㊂这种方式可以把多普勒频偏残差降至10kHz
以下㊂
图4㊀多普勒频偏随卫星位置变化的曲线
图5的仿真结果表明，在设定足够长的时间
afro(如图中7.5min)下一个OFDM 块会偏差0.02个
少儿学英语培训班码片，因此在循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的长度设计上必须大于该值㊂
㊃
114㊃第61卷熊韬，廖世文：一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术第4期
图5㊀每个DFT 块最大采样偏差变化曲线
3㊀低轨宽带传输波形设计
根据卫星信道的快速时变特性，低轨宽带信号可由同步信道和数据信道组成㊂同步信道用于卫星信号的快速捕获和失步后的快速同步；数据信道不仅用于数传，同时维护信道的同步和快速跟踪㊂这里数据信道代表一个数据时隙，每个时隙由4个DFT -s -OFDM 块组成㊂每个同步信道后跟随3个数据时隙，如图6所示
危险运动
㊂
图6㊀低轨物理帧结构图
由于接收到的信号存在多普勒频偏残差，数据信道的数据子载波映射的过程中需要插入导频㊂图
7给出了在发送端插入导频的示意图
㊂
图7㊀导频插入示意图
为应对不同传输速率的需求，本文设计了多档速率波形，具体参数见表1㊂
表1㊀各档速率参数
波形子载波带宽/kHz 总带宽/
MHz 调制方式
编码方式
CP 长度/μs
符号
长度/
μs 用户速率/(Mb㊃s -1)波形1200234QPSK Turbo 码0.15625
5.0265波形220023416APSK Turbo 码0.15625
5.0397波形3
200
234
16APSK Turbo 码0.15625
5.0
596
㊀㊀各档波形的仿真性能如图8所示，表明各档波形在多普勒频偏小于等于10kHz 的情况下均有较
好的表现性能，低速率档下波形的抗频偏能力更强㊂由上一节的分析可知，低轨卫星在实际的运行过程中可以产生近400kHz 的频偏，但是通过星历补偿
大部分频偏后，残留频偏值是小于10kHz 的，而上
later的用法述仿真表明本文所设计的各档波形在频偏10kHz 时的解调性能下降1dB 左右，对实际使用影响
不大
㊂
(a )波形
1
(b)波形
2
(c)波形3
图8㊀各档波形的误比特率图
4㊀结㊀论
本文研究了低轨场景下的宽带传输方法㊂该方法利用DFT -s -OFDM 体制所设计的传输波形可以使得传输带宽优于200MHz，并且通过不同的调制
编码组合实现265Mb /s㊁400Mb /s 和600Mb /s 的
㊃
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多档传输速率，仿真结果表明在利用星历及接收机位置信息去除大部分多普勒频偏后，本文所提方法具有良好的实用性能㊂
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作者简介
:
熊㊀韬㊀男,1984年生于江西九江,2011年于湖南大学获硕士学位，现为工程师，主要
研究方向为卫星通信㊂
廖世文㊀男,1985年生于广西柳州,2010年于中山大学获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为卫星通信㊂
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