基于5G NTN的技術方案將是未來衛星互聯網的重要發展方向之一,隨著3GPP R-18的凍結,5G-A將在近兩年全面落地。我們注意到自R-16開始,人們將目光從地面的5G網絡開始轉向衛星網絡領域,并計劃利用5G的高速傳輸優勢進行中低軌衛星互聯網的部署設想。當前國外的Starlink無疑是最成功的商用衛星星座,這也促使相關國家先后提出自己的星座計劃。
5G NTN架構主要存在四種模式,如下圖所示。
當然目前最熱門的技術討論是手機直連衛星方案,最主要的兩種部署場景如下圖所示。
衛星載荷一種是透明轉發,另一種是星上處理。無論那種部署方案,從技術層面需要關注的挑戰是:
傳輸時延
多普勒效應
功控
波束切換
上/下行同步
本文簡要描述如何針對3GPP NR標準定義的NTN信道中5G NR鏈路的物理下行共享信道PDSCH進行多普勒頻偏估計與補償。重點關注以下幾點:
信道模型可采用NTN窄帶信道和NTN TDL信道
基SVD分解SVD的PDSCH預編碼
定時同步和信道估計
靜態和時變傳播延遲建模
下圖顯示了NTN PDSCH的處理過程。
關于本文設計實現步驟的更詳細說明,請參見5G NR通信鏈路和DL-SCH和PDSCH收發處理鏈路過程。
兩種多普勒補償配置:一種在發射機,另一種在接收機。
對于發射機的補償,通過對發射波形應用多普勒預補償來考慮由于衛星運動引起的多普勒。對于接收端的補償,主要使用循環前綴和DM-RS參考信號,補償接收波形的多普勒頻移。
用于估計和補償接收機多普勒的技術,主要有兩種:
獨立時頻同步,接收機首先補償多普勒頻移,然后補償定時偏移。
聯合時頻同步,接收機同時補償頻偏和時偏。
我們假設用戶設備(UE)位于衛星波束中心。要對波束中心以外的衛星波束中的UE進行建模(如下圖所示),并對波束中的所有UE應用共同的多普勒頻移,可以使用預補償技術。在MATLAB中,可以啟用DopplerPreCompensator進行補償,而啟用RxDopplerCompensator則補償由于UE運動引起的殘留衛星多普勒頻移(-)。
由于衛星與地面UE的相對運動而產生多普勒頻移,理論上我們可以根據衛星的軌道和載波頻率計算出多普勒頻移。以slot調度為單位,在基帶OFDM符號經過發射功率調整后,利用采樣率和多普勒頻移的預補償值,即可對發射的波形進行多普勒預補償。在接收端,由于多普勒頻移較大,利用DM-RS進行相關估計的時偏(TO)結果將不準確。因此,對接收的信號進行時域和多普勒偏移進行聯合估計。估計時偏(定時同步)主要有3種方法:
自相關
差分相關
聯合時頻
其中,自相關和差分相關只需要從接收信號中提取DM-RS符號,與本地參考DM-RS符號進行相關運算,即可得到初始的時偏。而聯合時頻的計算,則需要知道初始的頻偏范圍,按一定分辨率進行搜索。
根據定時估計的時偏,我們可以從接收信號中找到有效信號的起始位置,從而獲得每個slot的信號數據。然后利用獨立時頻偏估計或者聯合時頻偏估計方法,計算出時偏和頻偏。如果采用聯合時頻估計的方法,則:
利用接收符號和DM-RS參考符號和一定范圍的初始多普勒頻偏,估計出時偏和頻偏。
與發射端的多普勒預補償相似,在接收端利用估計出的多普勒頻偏(FO),對接收符號進行多普勒頻偏補償。
然后根據不同的OFDM符號及CP長度,進行殘留多普勒頻偏估計,并再次進行頻偏補償。
如果采用獨立的時頻偏估計方法,則:
利用接收的OFDM符號及相應的CP,估計小數多普勒頻偏并進行補償;
利用DM-RS參考符號、接收信號、采樣偏移、延時等信息估計出整數倍多普勒偏移和時偏,并進行多普勒偏移補償;
進行定時同步,利用DM-RS參考符號與接收信號做相關運算,進而得到時偏。
最終殊途同歸,通過兩種方法,完成頻偏補償后,利用估計出的時偏,即可得到有效的接收信號。隨后進行OFDM解調、信道估計、均衡、相偏補償、解映射、譯碼等完成整個接收基帶的處理過程。
需要注意的是,在實際系統設計過程中要考慮具體因素,比如TA的計算,調度時刻的計算,高速動態信道環境下的信道估計準確性。
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