5G低轨卫星通信系统方案研究

在低轨卫星通信系统中，初始同步技术是其至关重要的一步，而由于低轨卫星信道的大多普勒频偏等原因影响了信号的同步性能，为了减少影响，借鉴地面 5G初始同步算法，在 PSS检测中进行本地 PSS整数频偏处理，扩大了频率估计范围，减少了初始同步时间，其正确检测率比传统算法提高了1.5 dB;在小数倍频偏估计中，采用分段处理的 PSS差分互相关算法，其精确度相较于传统算法，提高了1～2dB;最终通过仿真可知，该算法可以在高动态、低信噪比环境下完成初始接入过程的同步信号检测，可以满足低轨卫星通信系统的下行同步要求。

随着卫星移动通信系统的不断发展，用户对高传输、广范围、较低时延以及灵活性高的低轨卫星移动通信系统的需求逐渐增长;相比地面移动通信系统，低轨卫星移动通信系统覆盖范围更加广泛，多颗低轨卫星能实现全球无缝覆盖。但低轨卫星移动通信系统因为卫星的高速运动带来覆盖区的快速变化导致地面移动终端和卫星之间产生非常大的多普勒频移从而严重影响其同步性能。

3GPP组织从R14开始星地融合的研究工作，并且在 TS22.261 中对卫星相关的接入网协议及架构进行评估，并进一步开展基于 5G 标准的低轨卫星接入研究。现在 5G NR 标准规定了下行OFDM信号的子载波间隔不只是固定的 15 kHz，还有 30、60、120和 240 kHz共4 种子载波间隔可以选择。5G的无线帧和子帧的长度与 4G LTE一样分别为 10 ms和 1 ms。

除此 5G 中 PSS和 SSS、PBCH 一起组成 SSB 块（SS Block），在频域上占用连续的 240个子载波带宽，在时域上占用4个连续的OFDM符号。在 5G中 SSB的时域和频域位置不固定，并且在5 ms 半帧周期内不同的子载波间隔帧结构可能有多个 SSB，用来满足终端的快速捕捉。

国内外 5G低轨卫星的研发仍处于起始阶段，我国的国家卫星互联网系统的空口基本技术标准是基于地面 5G的技术标准，其中的产品终端所应用的初始同步技术需要满足高动态大多普勒的低轨卫星信道特点，所以研究基于5G的低轨卫星的初始同步技术是当前技术体制中一个关键技术点。

1、下行初始同步过程

当设备刚启动，信号的起始位置还无法确定，物理层会自动进行时间/频率同步过程，然后通过建立的物理信道，使得信号得到OFDM符号同步和帧同步，并得到设备接入的小区 ID，这就是初始同步的过程，即小区搜索。下行初始定时/频率同步的处理基本分 4步∶PSS（主同步信号）检测、整数倍频偏估计、小数倍频偏估计和 SSS（从同步信号）检测。下行初始定时/频率同步方案如图 1 所示（本文对初始同步中的 PSS 检测和小数倍频偏估计这两部分进行研究）。

1）终端将接收信号通过低通滤波器进行处理;

2）在时域上对本地 PSS 和接收端 PSS做互相关检测取得定时同步，同时获得小区组内 ID和信号的整数倍频偏;

3）得到 PSS信号定时同步位置后，利用接收端接收的PSS与本地 PSS信号进行差分互相关运算，获得信号的小数倍频偏。（因为本文采用了OFDM的基带调制，所以通信系统会对频率偏移比较敏感，从而降低了系统的同步性能，因此需要通过频偏估计对信号进行补偿。）;

4）根据 5G-NR标准规定里，PSS在信号时域上的位置与SSS的位置之间的关系，可以对SSS进行定位，然后对本地 SSS 与接收端接收的 SSS在频域上做互相关检测，可以获得频域同步与小区组 ID，进而得到完整的小区ID。

2、PSS检测

通过 PSS 检测可 以得到符号起始位置，位置处在循环前缀的范围（CP，Cyclic Prefix）内，即符合5G-NR标准规定的下行同步要求。在文献中描述了一种本地 PSS与接收端接收的 PSS进行时域上滑动互相关的定时同步算法，通过互相关得到的相关峰值来确定小区组内 ID及其所对应的点来明确定时位置。此算法的计算复杂度较小，然而算法会叠加积累频偏使算法的相关峰值受到影响，导致算法的抗频偏性较差。

文献对上述算法进行改进∶通过将本地 PSS序列和接收端接收的 PSS序列进行平均分段处理，再对各段依次求互相关值的平方来确定定时度量函数。而文献中提出了将本地 PSS序列和接收端接收的 PSS序列均进行时域上差分处理后，再对两个 PSS序列进行互相关运算，得到相关峰值所对应的点就是定时同步位置。改进后算法能够降低因积累了多个频偏而受到的影响，即算法可以适应较大的频偏范围。

上述算法是利用了本地 PSS 进行互相关来得到符号定时位置，而在文献中提出了利用接收端接收的 PSS 自相关的算法，5G 低轨卫星同步可以借鉴 S&.C算法思想，利用搜索周期内多个 SSB块内的 PSS 自相关运算，通过相关峰值对应点推算出定时同步位置。该算法虽然构造简单，但是 CP 与其对应的接收端接收的信号之间联系会引发平台效应，从而影响算法对 PSS 检测的准确性。为了减少平台效应，

从 PSS检测的精确度与复杂度这两个方面考虑，定时同步算法选用在时域上进行本地 PSS与接收端 PSS 互相关检测，如果 PSS检测在频域进行，增加了不必要的 FFT/IFFT运算。

审核编辑：黄飞