一种激光卫星中继通信方法与装置与流程

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于激光卫星中继通信方法与装置。

背景技术：

近年来，卫星通信因其不受地形影响、通信距离远、通信容量大、经济效益高、便于抗震救灾等优点受到人们的广泛关注。然而留给卫星通信的频谱资源并不充裕，如何有效的提高频带利用率成为一个亟待解决的问题。

传统的卫星通信多址接入方式包括时分多址、码分多址以及空分多址等，但频带利用率及系统容量仍然较低。正交多址接入方式在同一时间同一频段下只能发送一个用户信息，而非正交多址接入方式则可以实现多用户的叠加，同时若能将上下行信号的载波进行复用，则可以大大提高卫星通信的频带利用率。

光子计数，是一种基于直接探测量子限理论的极微弱光脉冲检测技术。现代光子计数技术具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好、便于计算机进行分析处理等优点。图1为光子计数器内部结构，它利用光电倍增管的单光子检测技术，通过对电子计数器鉴别并测量单位时间内的光子数，从而检测离散微弱光脉冲信号功率。

交织分多址(interleavedivisionmultipleaccess，idma)，是一种被广泛使用的非正交多址技术。在idma系统中所有用户都在同一信道中，不同的用户仅用对应的交织器区分，其系统性能、迭代解调次数均与用户数无关，具有良好的多用户性能。成对载波多址(pairedcarriermultipleaccess，pcma)技术，通信双方采用同一载波，接收信号为对方发送信号与己方发送信号经信道发生参数变化的叠加。而己方发送信号为已知，只需对接收信号中己方发送分量进行参数估计与重构抵消，就能得到对方发送信号，其关键在于自干扰分量的参数估计，图2为对称pcma系统。

一般的卫星移动通信系统都会采用地面信关站作为通信基站，进行“用户—卫星—信关站—卫星—用户”的双跳传输，如图3。这种系统中卫星只需提供中继功能，无需搭载调制器、解调器、存储器等信号处理单元，减轻了卫星的重量，节省了发射成本，同时也大大降低了基站在地面的维护难度。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种激光卫星中继通信方法与装置。本系统有着优良的系统性能，在提高频谱利用率的同时，对系统的误码性能影响较小，且具有良好的多用户性能。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种激光卫星中继通信装置，包括：卫星—用户链路和卫星—信关站链路；所述的卫星—用户链路采用idma系统，所述的卫星—信关站链路采用pcma系统；

所述的卫星—用户链路包括用户上下行链路，用户上行链路包括n个子链路，每个子链路的用户端编码后的信息码元经扩频降低码率后通过交织器形成预发送的信息序列，预发送的信息序列插入导频d独特字，通过激光器后发送激光卫星；

用户下行链路包括光子计数器，传输信号经卫星与信关站的双跳传输后发送用户端信号至光子计数器，再经过剥离导频u后，进行ese-dec迭代接收模块迭代检测完成译码；然后发送处理后译码至每个子链路的用户端；

所述的卫星—信关站链路包括信关站上下行链路，信关站下行链路包括光子计数器，激光卫星发送用户端信号至光子计数器，然后经过剥离导频d后发送至信关站；信关站上行链路包括激光器，信关站处理完成信关业务后，插入导频u后经过激光器发送激光卫星。

作为本发明的进一步改进，所述的ese-dec迭代接收模块包括一个基本信号检测器和n个并行的译码器；所述的基本信号检测器根据译码器反馈的先验信息进行先验概率检测，译码器根据基本信号检测器输出的信息解交织后作为第k个译码器输入端的外信息，进行后验概率译码，交织后反馈给基本信号检测器进行迭代检测。

作为本发明的进一步改进，所述的导频u与导频d相互正交；信关站收到的信号sr为各用户端发给信关站的信号std和经过链路延迟、参数变化的信关站发送信号stu'的叠加。

作为本发明的进一步改进，信关站收到的信号是先经过剥离导频d后进行本地分量抵消后发送至信关站；其中本地分量抵消是利用所得参数和本地存储器中的发送数据重构出接收信号中的本地信号分量，进而将其抵消后得到各用户发给信关站的各项数据。

作为本发明的进一步改进，n个子链路的每个用户端插入的导频独特字相同；每个用户端通过不相同的交织器形成预发送的信息序列。

一种激光卫星中继通信方法，包括以下步骤：

每个子链路的用户端编码后的信息码元经扩频降低码率后通过交织形成预发送的信息序列，预发送的信息序列插入导频d独特字，通过激光器后发送激光卫星；

激光卫星发送用户端信号至光子计数器，然后经过剥离导频d后发送至信关站；

信关站上行链路包括激光器，信关站处理完成信关业务后，插入导频u后经过激光器发送激光卫星；

传输信号经卫星与信关站的双跳传输后发送用户端信号至光子计数器，再经过剥离导频u后，进行ese-dec迭代检测完成译码；然后发送处理后译码至每个子链路的用户端。

作为本发明的进一步改进，所述的ese-dec迭代检测是基本信号检测器根据译码器反馈的先验信息进行先验概率检测，译码器根据基本信号检测器输出的信息解交织后作为第k个译码器输入端的外信息，进行后验概率译码，交织后反馈给基本信号检测器进行迭代检测。

作为本发明的进一步改进，所述的导频u与导频d相互正交；信关站收到的信号sr为各用户端发给信关站的信号std和经过链路延迟、参数变化的信关站发送信号stu'的叠加。

作为本发明的进一步改进，ese-dec迭代接收算法如下：

ese在第t次迭代输出外信息如下式，初次迭代时默认edec[xk(j)|0]＝0；

dec根据ese的输出外信息，进行后验概率译码，同时产生对应的后验概率对数似然比：

将此对数似然比作为dec的输出外信息反馈给ese进行迭代接收；

在进行迭代后，译码器进行硬判决，得到接收信息序列d^。

作为本发明的进一步改进，各用户端插入的导频独特字d与信关站插入的导频独特字u相互正交，所以std和stu'的导频相互正交；对叠加信号sr的导频以独特字长为单位与导频独特字u进行相关运算；其相关度函数：

其中l为独特字长，sr(t)为t时刻的叠加信号sr向前截取l长度的信息序列；sr,i(t)和ui分别sr(t)和u中的第i个信息位；当sr(t)中包含u分量时，r(t)可取得极大值，即出现相关峰；

在系统运行初期，利用相关峰位置校准std和stu'，使其导频部分对齐；在系统运行过程中，利用相关峰保持std和stu'对齐。此时叠加信号的导频独特字部分应为w＝αu+βd(6)

其中α为导频终点时刻信关站发送信号的变化系数，β为导频终点时刻用户发送信号的变化系数；导频终点时刻为：

用w和u进行相关计算，其相关值为：

ρ(w,u)＝ρ(αu,u)+ρ(βd,u)＝α+β·ρ(d,u)(8)

又因为d和u相互正交，即：

ρ(d,u)＝0(9)

所以

ρ(w,u)＝α(10)

又因为在导频终点时刻，叠加信号sr以独特字长为单位向前截断序列sr(t)＝w，此时sr(t)与导频独特字u的相关值sr(w)即为该时刻sr中本地分量的变化系数。取连续帧的多个导频终点时刻相关值，就能得到多个时刻信关站发送信号经链路发生的变化系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于光子计数，采用idma技术实现卫星—用户链路的载波复用，同时采用pcma技术实现卫星—信关站链路的载波复用，并利用正交导频消除叠加信号中自干扰分量。从仿真结果可以看出，本系统有着优良的系统性能，在提高频谱利用率的同时，对系统的误码性能影响较小，且具有良好的多用户性能。基于光子计数的非正交多址卫星通信系统的能够得到较好的通信性能；所述系统能实现对卫星通信中极微弱光的检测；所述的系统能有效提高系统频带利用率，且对系统误码性能影响较小；所述的方法和idma系统一样具有良好的多用户性能；所述的方法探究了不同导频长度下对系统误码性能的影响，为选取合适的导频长度提供了参考。本发明可以探测极微弱光信号并有效提高频带利用率，可应用于卫星中继通信系统中。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为现有技术中的光子计数器结构。

图2为现有技术中的对称pcma系统。

图3为现有技术中的卫星移动通信的双跳传输。

图4为基于光子计数的非正交多址卫星中继通信的系统装置。

图5为基于光子计数的信关站信号收发系统。

图6为idma的ese-dec迭代接收因子图。

图7为不同导频长度下系统误码性能。

图8为不同用户数量下系统误码率性能。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于光子计数的非正交多址卫星中继通信方法与装置，采用交织分多址(interleavedivisionmultipleaccess，idma)技术解决卫星—用户链路的载波复用，成对载波多址(pairedcarriermultipleaccess，pcma)技术解决卫星—信关站链路的载波复用。利用光子计数对光信号进行探测，再通过pcma的参数估计和基本信号检测器(ese)—译码器(dec)模块的迭代检测获得信息序列。本发明可以探测极微弱光信号并有效提高频带利用率，可应用于卫星中继通信系统中。如图4及图5所示。在这一系统中，卫星—用户链路采用idma技术，卫星—信关站链路采用pcma技术。在这种系统方案中，利用光子计数技术探测信号并采用pcma的参数估计和ese—dec方法迭代检测完成译码。

1、基于光子计数的非正交多址卫星中继通信的装置

基于光子计数的非正交多址卫星中继通信的系统装置如图4所示。包括：卫星—用户链路和卫星—信关站链路；所述的卫星—用户链路采用idma系统，所述的卫星—信关站链路采用pcma系统；

所述的卫星—用户链路包括用户上下行链路，用户上行链路包括n个子链路，每个子链路的用户端编码后的信息码元经扩频降低码率后通过交织器形成预发送的信息序列，预发送的信息序列插入导频d独特字，通过激光器后发送激光卫星；

用户下行链路包括光子计数器，传输信号经卫星与信关站的双跳传输后发送用户端信号至光子计数器，再经过剥离导频u后，进行ese-dec迭代接收模块迭代检测完成译码；然后发送处理后译码至每个子链路的用户端；

所述的卫星—信关站链路包括信关站上下行链路，信关站下行链路包括光子计数器，激光卫星发送用户端信号至光子计数器，然后经过剥离导频d后发送至信关站；信关站上行链路包括激光器，信关站处理完成信关业务后，插入导频u后经过激光器发送激光卫星。

系统中包含n个用户，每个用户编码后的信息码元首先经扩频降低码率。由于各用户并不需要由扩频码区分，因此这里的扩频码可以完全相同。而后通过各不相同的交织器，交织后形成预发送的信息序列。之后插入导频独特字，用于idma的码片识别和pcma的参数估计。各用户插入的导频独特字完全相同，为导频d。

信关站信号收发系统如图5所示。导频u与导频d相互正交，信关站在处理完成信关业务后，插入导频u后发送上星。由于信关站上下行链路采用同一载波传输，收到的信号sr为各用户发给信关站的信号std和经过链路延迟、参数变化的信关站发送信号stu'的叠加。链路延迟可以利用信关站经纬度和卫星星历精确算出，而发生变化的参数可以利用导频u进行参数估计。而后利用所得参数和本地存储器中的发送数据重构出接收信号中的本地信号分量，进而将其抵消后得到各用户发给信关站的各项数据，各用户可以由不同的交织器相互区分。

2、基于光子计数的非正交多址卫星中继通信的方法

本发明一种激光卫星中继通信方法，包括以下步骤：

每个子链路的用户端编码后的信息码元经扩频降低码率后通过交织形成预发送的信息序列，预发送的信息序列插入导频d独特字，通过激光器后发送激光卫星；

激光卫星发送用户端信号至光子计数器，然后经过剥离导频d后发送至信关站；

信关站上行链路包括激光器，信关站处理完成信关业务后，插入导频u后经过激光器发送激光卫星；

传输信号经卫星与信关站的双跳传输后发送用户端信号至光子计数器，再经过剥离导频u后，进行ese-dec迭代检测完成译码；然后发送处理后译码至每个子链路的用户端；

在典型的光子计数通信系统中，调制后的信号加载到激光器的窄带脉冲上发射，发送端发射的激光脉冲经自由空间到达接收端。接收机的光子计数模型多采用泊松(poisson)分布模型。在一定时间间隔内，光电探测器接收的光子数r(j)的概率密度pr[r(j)]满足以下关系，即：

其中，表示通过信道传输的总噪声光子数，由下式可得：

在时间t内，由背景光产生的平均噪声光子数为：

在时间t内，由信号光产生的平均噪声光子数为：

其中，η表示光电检测器转换效率，h表示普朗克常数，v表示信号光频率，pb表示光电检测器的背景光噪声功率，ps表示光电检测器的信号光发射功率。

暗电流是由光电检测器中的阴极热电子辐射引起的，无论有无光照的情况下都会存在。在时间t内，由暗电流产生的平噪声均光子数为：

其中，a为表征光电检测器阴极材料特性的比例系数，a表示光电探测器阴极面积，t表示绝对温度，φ表示材料逸出功，e表示电子电量。

传输信号经卫星与信关站的双跳传输、接收端剥离导频u后，进行idma的ese-dec迭代接收。ese-dec迭代接收是idma系统接收方法。其主要由一个基本信号检测器(ese)和n个并行的译码器(dec)构成。xk(j)表示第k个用户(k＝1，2，…，n)的第j个码片。ese根据dec反馈的先验信息进行先验概率检测(在第一次迭代时没有先验信息，可默认先验信息是等概的)。dec根据ese输出的信息解交织后作为第k个译码器输入端的外信息，进行后验概率译码，交织后反馈给ese进行迭代检测。图6为idma的ese-dec迭代接收因子图。

图中由●表示第k个用户的信息序列变量节点dk，○表示第k个用户第j个信道的变量节点xk,j。变量节点本身不进行运算，信息更新主要发生在因子节点。根据因子图的和积算法，同时idma满足各用户的消息之间完全独立且残留信号仍服从高斯分布，扩频约束因子节点□和多址接入因子节点■在第t次迭代传递的信息可近似表示为λk,j(t)和γk,j(t)：

其中count(a＝b)表示满足条件a＝b的个数，πk(dk)表示信息序列交织后的序列，rj表示第j个信道的接收信号，σ²为高斯白噪声的方差，hk表示第k个用户的信道衰落系数。

可以得到图4中ese-dec迭代接收算法如下：

ese在第t次迭代输出外信息：(初次迭代时默认edec[xk(j)|0]＝0)

dec根据ese的输出外信息，进行后验概率译码，同时产生对应的后验概率对数似然比：

将此对数似然比作为dec的输出外信息反馈给ese进行迭代接收。

在进行一定次数迭代后，译码器进行硬判决，得到接收信息序列

在卫星—用户链路，用户收到的是自己发射信号经过链路延迟、参数变化后与idma信号的叠加。由于自己发射信号的交织器与要接收信号的交织器不同，链路中的自干扰信号可以被idma接收方法滤除。因此用户端不必进行额外的pcma信号接收，只需进行idma信号接收。而在卫星—信关站链路，信关站收到的信号sr为各用户发给信关站的idma信号std和经过链路延迟、参数变化的信关站发送的idma信号stu'的叠加。由于idma中交织器仅用来区分用户，std和stu'中各用户分量的交织器相同。因此无法直接利用idma接收，需先进行pcma接收。

pcma接收的一大关键点在于参数估计。利用导频进行码片识别是从cdma沿用到idma的成熟技术，因而可以在idma导频的基础上，于用户终端和信关站端分别用一对相互正交的导频，进行基于正交导频的pcma参数估计。

因为各用户插入的导频独特字d与信关站插入的导频独特字u相互正交，所以std和stu'的导频相互正交。对叠加信号sr的导频以独特字长为单位与导频独特字u进行相关运算。其相关度函数：

其中l为独特字长，sr(t)为t时刻的叠加信号sr向前截取l长度的信息序列。sr,i(t)和ui分别sr(t)和u中的第i个信息位。当sr(t)中包含u分量时，r(t)可取得极大值，即出现相关峰。

在系统运行初期，可利用相关峰位置校准std和stu'，使其导频部分对齐。而在系统运行过程中，也可利用相关峰保持std和stu'对齐。此时叠加信号的导频独特字部分应为w＝αu+βd(11)

其中α为导频终点时刻信关站发送信号的变化系数，β为导频终点时刻用户发送信号的变化系数。导频终点时刻为：

用w和u进行相关计算，其相关值为：

ρ(w,u)＝ρ(αu,u)+ρ(βd,u)＝α+β·ρ(d,u)(13)

又因为d和u相互正交，即：

ρ(d,u)＝0(14)

所以

ρ(w,u)＝α(15)

又因为在导频终点时刻，叠加信号sr以独特字长为单位向前截断序列sr(t)＝w，此时sr(t)与导频独特字u的相关值sr(w)即为该时刻sr中本地分量的变化系数。取连续帧的多个导频终点时刻相关值，就能得到多个时刻信关站发送信号经链路发生的变化系数。

假设卫星—信关链路为恒参信道，则可以根据多个变化系数列出方程组，求解出全部时刻的本地分量的幅度、相位、频率等变化参数。

实施例

对本发明提出的一种基于光子计数的迭代通信的方法，具体步骤和结果如下：

基于awgn信道下，对idma10次迭代接收进行matlab仿真。每帧数据长256，数据码率为1kbps。扩频序列c＝{1,-1,1,-1,...}，长度为16。导频独特字为128位、256位、512位、1024位正交的一对pn序列，码率为16kbps。各导频独特字长对应的导频长度与有效信息长度之比分别为1/32、1/16、1/8、1/4。信号调制方式为bpsk，载波频率为32khz。假设每个用户都是等功率发射，信号幅度为1。信道模拟地球同步轨道卫星恒参信道，频率变化不计，信号的幅度、相位变化由随机数产生。幅度变化范围为[0.5,2]，相位变化范围[0,π]，并且在一次仿真中保持不变。假设系统有8个用户，导频独特字选用一对相互正交的256位pn序列，即导频长度与有效信息长度之比为1/16。

表1为卫星—用户链路性能仿真结果

表1为卫星—用户链路性能仿真结果。载波复用、用户端只用idma接收和无载波复用、用idma进行信号接收相比，性能未有明显劣化，证明卫星—用户链路中自干扰分量可以被idma接收方法直接滤除。仿真结果表明，该系统在卫星—用户链路可以进行上下行对称载波复用，在几乎不影响性能的条件下，频带利用率提高一倍。

表2为卫星—信关站链路性能仿真结果

表2为卫星—信关站链路性能仿真结果。若直接采用idma接收，误码率为46％左右，且不随eb/n0变化而变化，表明卫星—信关站链路中自干扰分量无法被idma接收方法滤除，无法分辨有效信息，验证了需要在该链路上先进行pcma接收。利用pcma技术消除自干扰信号后，可以分辨有效信息。和不载波复用的idma系统相比，误码率性能略有下降。这是因为参数估计不可能完全准确，叠加信号中本地信号分量不能完全抵消，从而引入了残留噪声，误码率升高。

图7为不同导频长度下系统误码性能。改变导频独特字长，即改变导频长度与有效信息长度比时，系统的误码性能随着导频长度的增加而提升，并逐渐逼近于不载波复用的idma误码性能曲线。这是因为导频越长，参数估计就越准确，本地信号分量抵消越好，接收信号越接近于载波分开时接收信号。随着导频长度的增加，系统的误码性能逐渐逼近不载波复用的idma误码性能曲线，但导频长度过长，对传输效率影响较大。若导频长度选取过短，系统的误码性能会有明显下降。当导频长度与有效信息长度之比为1：16时，对传输效率和系统的误码性能影响都较小。仿真结果表明，选择合适的导频长度，该系统可以在卫星—信关站链路进行上下行对称载波复用，在略微降低误码率性能的条件下，频带利用率提高一倍。

图8为不同用户数量下系统误码率性能。当用户数量较少时，系统的误码率会随着用户数量的增加而增大；当用户数量较多时，系统的误码率趋于一个稳定值。当信噪比越大时，系统的误码率会更快趋于稳定。仿真结果表明，利用本发明所述的方法，在上下行对称载波复用时，具有较好的多用户性能。

由以上的仿真可知，使用基于光子计数的非正交多址卫星中继通信的方法，可以实现卫星—信关站链路及卫星—用户链路的上下行载波复用，从而使系统频带利用率提升一倍，有利于节省空间无线频带资源及卫星移动通信的带宽提升。通过仿真，证实了该方法对系统误码性能影响较小，且和idma系统一样具有良好的多用户性能，并探究了不同导频长度下对系统误码性能的影响，为选取合适的导频长度提供了参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。