衛(wèi)星終端分布式相控陣天線時延估計方案

馬春陽，李 健，羅 勇，程宇新，吳建軍

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

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衛(wèi)星終端分布式相控陣天線時延估計方案

馬春陽，李 健，羅 勇，程宇新，吳建軍

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

針對衛(wèi)星終端分布式相控陣天線系統(tǒng)的傳統(tǒng)時延估計方案存在的問題，研究了基于合成信號的多路時延估計方案，設(shè)計了簡化方案的動態(tài)調(diào)整策略，仿真結(jié)果表明該方案能夠有效地提升時延估計的性能，算法復(fù)雜度較低，同時添加動態(tài)策略的時延估計簡化方案能較好地減小系統(tǒng)誤差。

分布式相控陣天線；時延估計；合成信號；動態(tài)調(diào)整

0 引言

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星終端分布式相控陣天線系統(tǒng)需要在上行鏈路和下行鏈路的接收端將接收到的多路天線信號進(jìn)行加權(quán)疊加，以提高信號的質(zhì)量。但由于多個天線在終端載體分布的空間位置不同，信號在到達(dá)接收端時經(jīng)歷的時延也不相同，因此需要將多路信號在時間上進(jìn)行對齊。

依照待估時延的信號路數(shù)進(jìn)行分類，時延估計算法可以分為兩路時延差估計方案和多路時延差估計方案[1]。對于兩路信號的時延差估計方案，最經(jīng)典的方法為基于互相關(guān)的時延差估計方法。該方法將兩路信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，在相關(guān)運(yùn)算的過程中信號將進(jìn)行相對移位，互相關(guān)結(jié)果的最大值對應(yīng)著兩路信號最大的相似程度，信號間對應(yīng)的相對移位即對應(yīng)信號的時延差估計值[2]。與之不同，基于 LMS 的自適應(yīng)時延差估計方案將待估的兩路信號分別作為自適應(yīng)系統(tǒng)的參考信號和基本輸入，通過迭代算法使得兩路信號之間的差異達(dá)到最小[3]。

在多天線信號模型下，現(xiàn)有的完全聯(lián)合多路時延估計算法有：特征值分解法、多通道互相關(guān)法、冗余融合算法以及盲信道辨識法[4]。

特征值分解法是以矩陣特征分解理論為基礎(chǔ)的空間譜估計，它的優(yōu)點(diǎn)在于時延估計的分辨率精度比較好，缺點(diǎn)在于矩陣的運(yùn)算帶來較大的運(yùn)算量，對于頻譜不平坦的信號性能下降明顯，并且只適用于天線位置已知的場景[5-6]。

多通道互相關(guān)法利用多天線信號間的時域和空域冗余信息來進(jìn)行時延差的估計，提取出有用的部分降低算法在多路情況下對噪聲的敏感度，使得在信噪比較低的情況下仍保持較好的性能[7-9]。與特征值分解法一樣，這類算法需要事先知道天線的位置信息，把多路信號時延估計轉(zhuǎn)化為單路信號時延估計。

在 LMS 自適應(yīng)時延估計算法的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高復(fù)雜信道環(huán)境下時延估計的性能，文獻(xiàn)[10-11]提出了自適應(yīng)特征值分解算法，該算法將信道的影響等效成沖激響應(yīng)濾波器對信號的濾波過程，并利用沖激響應(yīng)的峰值估計出時差，本質(zhì)上是盲信道辨識算法。此外，該算法存在對噪聲敏感、計算量大以及穩(wěn)健性差等缺點(diǎn)，在實(shí)際系統(tǒng)中難以應(yīng)用。

1 信號模型

分布式天線技術(shù)是指利用分布在終端的多個天線組成的陣列對信號進(jìn)行聯(lián)合的發(fā)送和接收，并對接收到的信號進(jìn)行有效合成以提高信號的質(zhì)量。由于天線分布在終端的不同空間位置，它們發(fā)送和接收的信號經(jīng)過不同的信道，造成各路信號在下行鏈路到達(dá)衛(wèi)星地球終端或是上行鏈路到達(dá)星上時，由于電磁波傳播距離不同而存在一定的時延差異。對于頻率較高的信號來說，它們的信號波長較短甚至在毫米級別，很小的時間差即可對信號的合成造成較大的影響。為了研究信號的時延對齊方案，首先建立分布式相控陣天線的信號處理模型。

衛(wèi)星終端分布式相控陣天線的信號傳輸示意圖如圖1所示，天線分布在衛(wèi)星終端載體的不同空間位置、不同天線之間的空間距離為Di。以天線2為例，假設(shè)已知其對準(zhǔn)衛(wèi)星時波束的入射角θ，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可以大概估算出信號到達(dá)不同天線時的傳輸時延差。

τi≈(Dicosθ)/v。

(1)

圖1 信號時延差異示意圖

另外，由于分布式天線的發(fā)送和接收設(shè)備之間存在不一致性以及多路信號信道之間的差異，各路信號之間還存在一定的相位差，信號的信噪比也不盡相同。因此建立衛(wèi)星終端分布式相控陣天線的信號模型如下，設(shè)第i(i=1,2,···N)路的信號模型為：

xi(t)=ais(t-τi)ej2πf(t-τi)+jθi+ni(t) ，

(2)

式中，ai為該路信號的幅值大小，由于每個相控陣天線陣列的波束相對衛(wèi)星的指向不同，不同天線接收到的信號幅度可能存在較大差異。τi為該路信號的時延延遲，θi為該路信號的附加相位，f為信號的載波頻率，這里假設(shè)不同天線的信號之間不存在頻率偏差，ni(t)為噪聲，分布式天線信號間的噪聲均為零均值的高斯白噪聲，且噪聲之間不存在相關(guān)性。

2 分布式天線時延估計方案

2.1 2種傳統(tǒng)時延差估計方案

由信號的合成原理可知，信號的加權(quán)合成可以有效提高信號的質(zhì)量，合成信號的信噪比將大于其中任何一路信號。因此，對于分布式相控陣天線系統(tǒng)，可以考慮將多路信號的加權(quán)合成作為參考信號，分別與所有路信號進(jìn)行2路時延估計，以提高多天線信號時延估計的精度。將文獻(xiàn)[12]提出的基于多個參考信號的時延差估計記為方案一，基于合成信號的改進(jìn)多天線自適應(yīng)時差估計方案記為方案二，其原理分別如圖2和圖3所示。

圖2 分布式天線時延對齊方案一原理圖

圖3 分布式天線時延對齊方案二原理圖

(3)

2.2 動態(tài)調(diào)整的簡化時延差估計方案

上述時延估計方案利用下行鏈路收到的多路信號進(jìn)行信號處理，得到分布式天線之間信號的時延差異并對時延進(jìn)行補(bǔ)償。這種方案需要將接收到的多路信號連續(xù)地送入時延估計模塊以進(jìn)行準(zhǔn)確的時延對齊，對于系統(tǒng)來說會帶來較大的開銷。因此，可以考慮在分布式天線系統(tǒng)中對信號時延對齊的過程進(jìn)行簡化。

一種可行的思路是系統(tǒng)減少對時延估計的次數(shù)，即在一定時間周期內(nèi)分布式天線系統(tǒng)利用估計出的歷史時延差值作為信號時延調(diào)整的依據(jù)，直接對本次信號進(jìn)行相應(yīng)的時間調(diào)整。對于此種簡化方案，當(dāng)終端移動速度較快時，衛(wèi)星終端分布式天線之間信號的傳輸路徑會發(fā)生較大的變化，信號間的時延差值也會發(fā)生較大的變化，單純通過減少時間估計次數(shù)將歷史時延差值作為本次時間調(diào)整的依據(jù)，會帶來較大的誤差從而造成系統(tǒng)性能的下降。因此，需要采取一定的時延差動態(tài)調(diào)整策略以進(jìn)行時延誤差的補(bǔ)償。

衛(wèi)星終端移動過程中分布式天線間路程差變化的幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星終端移動過程幾何關(guān)系示意圖

不同地球站和衛(wèi)星在不同位置距離差的變化值，整理后可以表示為：

Δdn(t,Δt)=[dn(t+Δt)-dn(t)]-

[d0(t+Δt)-d0(t)]=[dn(t+Δt)-d0(t+Δt)]-

(4)

如果在某一時刻已知分布式天線之間的距離，衛(wèi)星相對于終端的方位角和俯仰角，以及衛(wèi)星終端的運(yùn)動方向，通過空間幾何關(guān)系進(jìn)行建模計算，可以得到θTn、θT、θn等角度，假設(shè)終端移動的速度為v，時延估計周期為Δt，即可得到ΔrT，由此可求得此周期內(nèi)衛(wèi)星相對于不同天線之間距離差的改變，根據(jù)Δτ=Δd/c可以得到本次發(fā)送時刻與時延估計時刻相比需要調(diào)整的時延差，其中c為電磁波傳播的速度。

3 仿真分析

假設(shè)衛(wèi)星終端分布式相控陣天線的個數(shù)為10，信號采用QPSK調(diào)制，各路信號的噪聲為零均值額高斯白噪聲，且噪聲之間相互獨(dú)立，迭代步長μ設(shè)為0.05，信號的延遲為[-5Ts，5Ts]。

3.1 2種傳統(tǒng)時延差估計方案的時延估計性能對比

對第2路信號的時延差估計結(jié)果τ12進(jìn)行統(tǒng)計，方案一和方案二的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5中可以看出基于合成信號的多路自適應(yīng)時延估計算法在迭代一定次數(shù)以后可以達(dá)到收斂的狀態(tài)，證明了其收斂性和可行性。圖6的時延估計誤差結(jié)果表明，方案二的時延估計誤差性能優(yōu)于方案一，與理論分析相吻合。說明在分布式天線系統(tǒng)中采用合成信號作為時延差估計的參考信號，可以帶來時延估計性能的提升。

圖5 收斂性仿真

圖6 時延估計誤差

設(shè)共有10路天線，它們的信噪比依次是Eb/N0+[10 dB,9 dB,8 dB,…,1 dB]，對時延估計方案中的τ14進(jìn)行統(tǒng)計，其仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出，由于方案一采用的迭代算法是基于2路確定信號的自適應(yīng)時延差估計，方案二采用的迭代算法基于不固定的合成信號，故方案一的收斂速度略快于方案二；但從時延估計的精度來看，方案二的歸一化均方誤差小于采用2路自適應(yīng)時延估計的誤差，能夠帶來一定程度的性能提升，同時不會對算法的復(fù)雜度帶來過多的影響。

圖7 收斂性對比

圖8 時延估計性能對比

3.2 動態(tài)調(diào)整的簡化時延差估計方案性能比較

假設(shè)終端移動速度為1 000 km/h，2個天線之間的間隔為50 m，將2次時延估計間的周期設(shè)為100 s，采用時延調(diào)整策略與未采用時延調(diào)整策略時2路信號間的時延誤差如圖9所示。

圖9 時延誤差變化曲線

從仿真結(jié)果中可以看出，對于衛(wèi)星移動終端分布式天線系統(tǒng)，未經(jīng)過時延調(diào)整補(bǔ)償?shù)臅r延對齊簡化方案信號間的時延差呈現(xiàn)鋸齒形變化，這是因?yàn)槊總€估計周期內(nèi)信號僅進(jìn)行一次時延估計，在此周期內(nèi)隨著終端的移動信號間的時延差會發(fā)生變化，從而帶來信號間的時延誤差，此誤差直到下個估計周期才得以糾正。如果按照本文提出的調(diào)整策略，根據(jù)衛(wèi)星終端的移動速度、方向、角度變化等情況，在一個時延估計周期內(nèi)對信號間的時延差進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，則可以使信號間的時延差保持在一個平穩(wěn)的水平，從而可以直接利用估計出的時延差值作為信號對齊的依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文主要針對分布式相控陣天線信號間的時延估計方案進(jìn)行研究，建立了分布式天線的信號模型，研究了一種可用于本系統(tǒng)的分布式天線時延對齊方案，即基于合成信號的分布式天線時延對齊方案，詳細(xì)介紹方案的原理并對終端移動過程中的時延估計方案進(jìn)行了簡化，引入動態(tài)調(diào)整策略對簡化方案中的時延差誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。仿真表明，本文提出的多路時延估計方案能夠在時延估計性能上得到一定的提升，同時簡化方案中的動態(tài)調(diào)整策略也能夠?qū)⒄`差控制在較小的范圍之內(nèi)。

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Delay Estimation Scheme of Distributed Phased Array Antenna for Satellite Terminal

MA Chun-yang,LI Jian,LUO Yong,CHENG Yu-xin,WU Jian-jun

(Modern Communications Research Institute,School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University,Beijing 100871,China)

Aiming at the problems of the traditional estimation scheme of time delay in distributed phased array antenna system of satellite terminal,this paper studies the multi-channel delay estimation scheme based on the synthesized signal,and designs the dynamic adjustment strategy of the simplified scheme. The results of simulation show that this scheme can effectively improve the performance of delay estimation,reduce the complexity of algorithm. The simplified scheme of delay estimation of adding dynamic strategy can reduce the error of system.

distributed phased array antenna; delay estimation; composite signal; dynamic adjustment

2017-06-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371073)

馬春陽(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信。吳建軍(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和技術(shù)、同軸寬帶有線接入技術(shù)、3G/4G移動通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超寬帶通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)。

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.05.15

馬春陽,李健,羅勇,等. 衛(wèi)星終端分布式相控陣天線時延估計方案[J].無線電通信技術(shù),2017,43(5): 67-70，83.

[MA Chunyang,LI Jian,LUO Yong,et al. Delay Estimation Scheme of Distributed Phased Array Antenna for Satellite Terminal [J]. Radio Communications Technology,2017,43(5):67-70，83.]

TN821+.8

A

1003-3114(2017)05-67-4