摘 要: 由于衛星信道估計受到網絡帶寬資源的限制，存在著估計誤差大、誤碼率高等問題，利用5G技術實現衛星通信上行信道自動估計方法的優化設計。搭建5G通信網絡，為其運行提供硬件支持。優化接收機、狀態機、信號處理器以及存儲器裝置。分析衛星通信上行信道特性，并結合分析結果構建信道模型。并利用5G技術提取衛星通信數據，自動選擇并插入導頻符號。最終通過對信道中多個參數的估計，得出衛星通信上行信道的自動估計結果。實驗結果表明：本文所設計系統輸出估計結果的信道沖擊響應參數更加接近實際信道，且測試指標BER和MSE均得到明顯降低。

　　關鍵詞:5G技術;衛星通信;上行信道;信道估計

　　1 引言

　　自衛星通信的概念被提出后，在軍事偵察、導航定位等領域得到廣泛應用，體現出其獨特的應用優勢，并在人類信息交互與傳輸工作中發揮著重要作用[1]。由于人造衛星發射數量的增加，各個衛星通信系統之間可能會存在影響，且衛星通信的傳輸距離較長，傳輸過程中產生的不可控因素較多[1]。

　　為了提高衛星通信的可靠性，采取多種措施來抵抗隨機信道對衛星通信傳輸的影響，然而相關措施的提出與應用很大程度上依賴于信道估計技術[2]。從國內的研究現狀可以看出，信道估計系統大體可以分為時域信道和頻域信道兩種估計類型，具體的研究成果包括：基于反饋迭代算法的航空通信系統信道估計算法[3]、基于PARAFAC分解的通信系統信道估計方法等[4]，然而在上述信道估計系統的實際應用過程中存在估計結果均方誤差大、信道信號不均衡、存在地板效應等問題。

　　針對上述存在的問題，本文提出基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統，5G技術也就是第五代通信技術，是寬帶移動通信技術，與傳統通信技術相比具有高速率、低時延等特點，因此逐漸取代了傳統通信技術。5G技術包括大規模 MIMO、全雙工等多個方面，將 5G 及其相關技術應用到衛星通信上行信道自動估計系統的設計工作中，旨在提高衛星通信信道的自動估計功能和系統運行性能。

　　2 衛星通信上行信道自動估計硬件系統設計

　　2.1 衛星5G通信網絡衛星移動網絡由終端、服務鏈路、人造衛星、網關以及地面通信網等元素組成。其中業務鏈接是指用戶設備和衛星之間的無線連接。

　　2.2 接收機的設計接收機的基本工作原理是把目標天線的發送信號作為干擾工具，對其他天線發送的信號進行干擾，在探測過程中消除其他天線的干擾，接收機設計的原理如圖2所示。

　　公式(1)輸出的結果 是發送信號x的估計值，y( f )表示實際的接收信號，A表示的是線性關系系數。在信道估計過程中，接收器需要使用已知的前導序列。為了滿足更高的系統時序和代碼穩定性要求，需要在前導產生器中嵌入D觸發器。

　　2.3 狀態機的設計狀態機用來產生狀態解碼和輸出信號，存儲狀態。

　　基于需求分析的結果，對衛星通信上行信道估計系統進行了研究，將系統的估計功能劃分為四種不同的狀態，即：首先是空閑態，然后是有數據進入且估計功能尚未完成，系統進入前導1狀態，再次是數據進入時，進入前導2狀態，計算得到估計信道值，估算完成后系統進入計算信道模狀態，完成信道模的計算后，系統狀態回歸到空閑態[5]。為了保證當狀態機能夠準確地跳轉到目標狀態，選擇格雷編碼作為系統的估計狀態編碼[6]。

　　2.4 信道信號處理器設計

　　設計處理器主要包括乘法器和調制映射器兩部分，需對乘法器和調制映射器進行設計。

　　2.4.1 乘法器

　　這種乘法計算方式會隨著k位置的連續變化而產生大量的計算結果。串行乘法器占用更少的資源，但該乘法器的計算速度慢且延時大[7]。為此，將乘法器改為并行結構。

　　2.4.2 調制映射器設計衛星通信協議

　　針對5G系統增加了兩種調制方式，分別為π/2-BPSK和256QAM調制，兩種調制機制的目的分別是提高系統容量和小區邊緣的覆蓋[8]。

　　2.5 存儲器設計

　　在前導1態估計函數的情況下，將每一個子載波的估計信道信息寫入存儲器;在前導2態的情況下，從存儲器讀取首次信道估計值，然后與當前的估計值求平均，然后將結果寫入存儲器的同一地址;在估計信道的模值計算時，需要連續地從存儲器讀取信道信息，并將運算結果寫入信道信息后的地址空間，由于存在并行讀寫的情況，本設計采用雙端口存儲器。

　　內存需要存儲信道信息和信道模值，因為對乘法器進行復用時，信道模值和信道信息都要在不同的時刻寫入內存，所以內存的地址空間大小為72，而相應的地址空間線則是 7 位。通道信息實部寬 10位，虛部位寬10位，兩路信息都存放在同一個地址，通道模值的位寬為20位，故存儲的數據位寬為20位。內存控制信號CENA，當CENB很低時，單獨讀寫。

　　3 衛星通信上行信道自動估計系統軟件功能設計

　　3.1 分析衛星通信上行信道特性

　　由于衛星移動通信的距離較大，通信信號在穿越大氣層時會受到不同因素的影響，因此衛星通信上行信道存在衰落特征，在信道的估計中需要將所有的相關影響因素考慮其中。衛星通信上行信道的通信衰落主要包括路徑損耗和陰影效應兩個部分，其中路徑損耗又可以細分為空間路徑損耗、降水衰落以及氣體吸收等。

　　3.2 構建衛星通信上行信道模型

　　在考慮上行信道通信衰落特征的情況下，采用5G技術與抽頭延時相結合的方式構建上行信道模型。模型中的每一個抽頭都表示一個特定的組合路徑信號，衛星通信系統中的衰落特征以平坦衰落來表示，通過整個通信系統中所有路徑信號的加入，得出最終建立的衛星通信上行信道模型。

　　3.3 利用5G技術

　　提取衛星通信數據利用系統中安裝的硬件設備以及5G通信技術，讀取衛星通信信道模型的使能信號以及端口數據的地址信號。持續兩個時鐘周期輸入讀取的信道數據，經乘法器運算后，產生讀取模型端口位置的數據地址。當收到輸入數據時，需要判斷是前導碼還是幀頭控制碼以及數據。從最小二乘法出發，信道估計子模塊僅在接收前導序列時起作用，完成前導序列的估計后，信道補償模塊開始工作，直到數據接收結束為止。

　　3.4 導頻的自動選擇與插入

　　將導頻信息插入到數據流中，根據導頻信息對整個信道的響應進行估計，從而使導頻信號的模式和插入間隔不同，從而影響整個系統的性能。實際的導頻自動選擇需要遵循奈奎斯特采樣定理。

　　4 系統測試

　　由于設計的信道估計系統使用了5G通信技術，在基站選擇時應選擇5G通信網絡覆蓋范圍內的通信基站，保證5G技術的正常使用。最終選擇的衛星通信基站的天線數量為 256N，天線之間的間隔距離固定為半波長，根據該衛星通信終端人造衛星的類型，確定與該衛星相連的所有通信信道的帶寬均為20MHz，導頻間隔設置為2，調制方式選擇16QAM/BPSK/64QAM/QPSK。在開始系統測試實驗之前，將軟件程序編寫成程序代碼，并導入到衛星通信基站中的系統測試計算機中。將設計的衛星通信上行信道自動估計系統與基于反饋迭代算法的信道估計系統和基于PARAFAC分解的通信系統信道估計方法按照相同的方式導入到基站測試計算機中進行對比測試，并保證各個系統之間的運行互不影響。

　　5 結束語

　　在衛星信道估計受到網絡帶寬資源的限制下，存在估計誤差大、誤碼率高等問題，本文提出基于5G技術的衛星通信上行信道自動估計系統，從系統測試結果中可以看出，該設計系統輸出的信道估計結果的均方誤差較小，且誤碼率較低。能夠更大程度地還原衛星通信信道，為解決衛星通信數據信號在傳輸中存在的各種問題提供技術支持。

　　參考文獻 :

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　　[3] 張建康,趙悠悠,尚應博,等.基于反饋迭代算法的航空通信系統信道估計算法研究[J].鄭州大學學報(工學版),2020,41(2):5-10.

　　[4] 韓曦,趙雨雨,劉芹,等.基于PARAFAC分解的通信系統信道估計方法[J].現代信息科技,2020,4(2):71-73.

　　[5] 信雪梅,南作用.基于大規模 MIMO 技術的 5G 無線信道建模及仿真[J].郵電設計技術,2020(7):46-51.

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　　[7] 肖駿,周淵平,肖宇彤.基于CSDM-MIMO系統的虛擬信道估計與權值優化[J].電子技術應用,2019,45(4):90-93,98

　　.[8] 郭語,鞠全勇.基于PWM信號的主從通信方法[J].機械制造與自動化,2020,49(6):166-168,181.

　　作者：周劍明1, 黃 杉2