5G NTN多普勒频偏补偿方法

基于5G NTN的技术方案将是未来卫星互联网的重要发展方向之一，随着3GPP R-18的冻结，5G-A将在近两年全面落地。我们注意到自R-16开始，人们将目光从地面的5G网络开始转向卫星网络领域，并计划利用5G的高速传输优势进行中低轨卫星互联网的部署设想。当前国外的Starlink无疑是最成功的商用卫星星座，这也促使相关国家先后提出自己的星座计划。

5G NTN架构主要存在四种模式，如下图所示。

5G NTN架构

当然目前最热门的技术讨论是手机直连卫星方案，最主要的两种部署场景如下图所示。

NTN两种部署场景

卫星载荷一种是透明转发，另一种是星上处理。无论那种部署方案，从技术层面需要关注的挑战是：

• 传输时延

• 多普勒效应

• 功控

• 波束切换

• 上/下行同步

本文简要描述如何针对3GPP NR标准定义的NTN信道中5G NR链路的物理下行共享信道PDSCH进行多普勒频偏估计与补偿。重点关注以下几点：

• 信道模型可采用NTN窄带信道和NTN TDL信道

• 基SVD分解SVD的PDSCH预编码

• 定时同步和信道估计

• 静态和时变传播延迟建模

下图显示了NTN PDSCH的处理过程。

NTN PDSCH

关于本文设计实现步骤的更详细说明，请参见5G NR通信链路和DL-SCH和PDSCH收发处理链路过程。

两种多普勒补偿配置:一种在发射机，另一种在接收机。

对于发射机的补偿，通过对发射波形应用多普勒预补偿来考虑由于卫星运动引起的多普勒。对于接收端的补偿，主要使用循环前缀和DM-RS参考信号,补偿接收波形的多普勒频移。

用于估计和补偿接收机多普勒的技术，主要有两种:

• 独立时频同步，接收机首先补偿多普勒频移，然后补偿定时偏移。

• 联合时频同步，接收机同时补偿频偏和时偏。

我们假设用户设备（UE）位于卫星波束中心。要对波束中心以外的卫星波束中的UE进行建模(如下图所示)，并对波束中的所有UE应用共同的多普勒频移，可以使用预补偿技术。在MATLAB中，可以启用DopplerPreCompensator进行补偿，而启用RxDopplerCompensator则补偿由于UE运动引起的残留卫星多普勒频移(-)。

发射端多普勒预补偿

由于卫星与地面UE的相对运动而产生多普勒频移，理论上我们可以根据卫星的轨道和载波频率计算出多普勒频移。以slot调度为单位，在基带OFDM符号经过发射功率调整后，利用采样率和多普勒频移的预补偿值，即可对发射的波形进行多普勒预补偿。在接收端，由于多普勒频移较大，利用DM-RS进行相关估计的时偏（TO）结果将不准确。因此，对接收的信号进行时域和多普勒偏移进行联合估计。估计时偏（定时同步）主要有3种方法：

• 自相关

• 差分相关

• 联合时频

其中，自相关和差分相关只需要从接收信号中提取DM-RS符号，与本地参考DM-RS符号进行相关运算，即可得到初始的时偏。而联合时频的计算，则需要知道初始的频偏范围，按一定分辨率进行搜索。

接收端多普勒补偿

根据定时估计的时偏，我们可以从接收信号中找到有效信号的起始位置，从而获得每个slot的信号数据。然后利用独立时频偏估计或者联合时频偏估计方法，计算出时偏和频偏。如果采用联合时频估计的方法，则：

• 利用接收符号和DM-RS参考符号和一定范围的初始多普勒频偏，估计出时偏和频偏。

• 与发射端的多普勒预补偿相似，在接收端利用估计出的多普勒频偏（FO），对接收符号进行多普勒频偏补偿。

• 然后根据不同的OFDM符号及CP长度，进行残留多普勒频偏估计，并再次进行频偏补偿。

如果采用独立的时频偏估计方法，则：

• 利用接收的OFDM符号及相应的CP，估计小数多普勒频偏并进行补偿；

• 利用DM-RS参考符号、接收信号、采样偏移、延时等信息估计出整数倍多普勒偏移和时偏，并进行多普勒偏移补偿；

• 进行定时同步，利用DM-RS参考符号与接收信号做相关运算，进而得到时偏。

最终殊途同归，通过两种方法，完成频偏补偿后，利用估计出的时偏，即可得到有效的接收信号。随后进行OFDM解调、信道估计、均衡、相偏补偿、解映射、译码等完成整个接收基带的处理过程。

需要注意的是，在实际系统设计过程中要考虑具体因素，比如TA的计算，调度时刻的计算，高速动态信道环境下的信道估计准确性。

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