一种电文速率可变的天基物联网信号处理解决方法与流程

本发明属于通信领域，尤其涉及一种电文速率可变的天基物联网信号处理解决方法。

背景技术：

近年来，物联网技术得到了快速发展，在智能家居、工业自动化等领域得到了广泛应用，被视为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。伴随着移动通信技术的发展，全球电信运营商已经构建了覆盖全球的移动蜂窝网络。但是，若将移动蜂窝通信技术直接应用于物联网，将存在着设备功耗大、成本高等问题。为了适应万物互联的发展趋势，低功耗、远距离、低成本、大容量的物联网连接技术——低功耗广域网(lowpowerwideareanetwork，lpwan)应运而生。

目前，代表性的lpwan技术主要包括以lora为代表的工作于未授权频谱的专网接入技术和以nb-iot为代表的工作于授权频谱的公网接入技术。lora和nbiot这2种技术均实现了低功耗(终端电池工作时间约为10年)、强覆盖(通信距离长，通信范围10～20km)和大连接(节点数目达万级，甚至百万级)。然而，无论是nb-iot技术还是lora技术，都需要在地面建设基站。

由于地理条件和建设成本的限制，在某些地区(如海洋、沙漠、高山)无法建设物联网基站。天基物联网系统覆盖范围广，不受地理因素的影响，能经济地实现广播、多址通信。尤其是低轨卫星物联网，还具有传输损耗小、传播时延短、多颗卫星组成的星座可以实现全球无缝覆盖、地面终端设计可以小型化的特点，因而成为辅助地面网络实现万物互连的最佳选择之一。

但是目前可大规模应用的天基物联网技术尚不成熟，在突发接入通信方式中，地面终端接入时间过长，导致单位时间内终端接入数量过低。

发明的内容

本发明的目的是解决天基物联网系统中终端接入卫星时间长与单位时间内接入数量少的问题，针对此提出一种基于码分多址+空分多址+频分多址+时分多址的天基物联网信号体制，且提出的信号体制具有电文速率可变的特点，并针对该信号体制提出一种信号处理解决方法。

该发明的技术方案是提供了一种电文速率可变的天基物联网信号处理解决方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、天线收到天基物联网系统卫星端发射的信号，地面终端把射频信号下变频到中频信号；

步骤2、对步骤1中的中频信号进行采样，得到信号s(n)；

步骤3、对采样后的信号s(n)进行捕获，得到m1引导段的码相位、码多普勒、载波多普勒；

步骤4、跟踪m1引导段，解帧并找到m1引导段的结束标志电文，当m1引导段结束后立刻把本地伪码切换为m2引导段相对应的伪码；

步骤5、继续跟踪解析m2引导段，找到m2引导段的结束标志电文，当m2引导段结束后立刻把本地伪码切换为gold序列段；

步骤6、继续跟踪解析gold序列段，解出需要的数据包电文；

步骤7、在每一段未尾处设置结束标志电文，找到结束标志电文后，再找到比特边沿，即可切换为下一段相对应的伪码速率与相位；

当找到gold序列段结束标志电文，则退出当前帧的跟踪，即判决为失锁，重新回到步骤3；

如果超过一定时间始终没有找到结束标志电文，则判决为失锁，重新回到步骤3。

进一步地，步骤3中包括：

步骤3.1、获取一段中频数据，用伪码速率的2倍再次降采样；每段中频数据长度相等，且至少有一个电文比特时长；

步骤3.2、进入第一级搜索，第一级搜索搜索中载波频率与伪码频率步进较大，从而快速搜索得到一个的载波多普勒与伪码多普勒值及伪码相位；

步骤3.3、为减少每级搜索的时间，从第二段中频数据开始，缓存该段中频数据的同时，对前一段中频数据进行处理；且对m个载波步进值同时并行搜索，当经过n段中频数据后，共可搜索n*m个步进值，从而快速搜索完毕所有步进值；

步骤3.4、根据第一级搜索得到的载波多普勒、伪码多普勒、伪码相位，进一步减小搜索步进，进入第二级搜索。

步骤3.5、可视需要，开启第三级及更多的搜索；

步骤3.6、捕获输出最终得到的载波多普勒值、伪码多普勒值、伪码相位，用于跟踪通道的初始化。

进一步地，步骤6通过以下方式实现：

接收到的实际信号模型化为如下公式：

s(t)＝acos(wit+φi)c(t)d(t)(1)

上式中，a为信号幅值，cos(.)为载波，c(t)为伪码，d(t)为电文；

根据捕获得到的载波多普勒值、伪码多普勒值、伪码相位，初始化跟踪相关参数；

对接收到的信号进行解调及解扩后得到相干积分值ip(n)、qp(n)；

ip(n)＝ad(n)r(τp)sinc(fetcoh)cosφe(2)

qp(n)＝ad(n)r(τp)sinc(fetcoh)sinφe(3)

上式中，r(τp)为自相关函数值，τp为伪码相位误差，fe为载波频率差，φe为载波相位差，tcoh为相干积分时长；

其中，ip(n)的符号由电文比特d(n)决定，因此可根据ip(n)的正负来得到电文。

该发明的有益效果在于：

(1)分级并行搜索的捕获方法可以大大减少捕获时间，进而可大大缩减m1引导段的时长，从而增加终端接入数量。

(2)提高m2引导段的符号速率，在保证携带必要信息的前提下，可进一步减少引导段的时长。

(3)通过合理设计信号体制，解决天基物联网系统中终端接入卫星时间长与单位时间内接入数量少的问题，并提出相对应的信号处理解决方法。

附图说明

图1是天基物联网系统框图；

图2是终端单机与卫星单机间的信号体制；

图3是信号处理流程框图。

具体实施方式

以下将结合附图1-3对该发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，天基物联网由卫星端与地面终端组成，卫星与终端的通信体制为码分多址+频分多址+空分多址+时分多址。终端单机与卫星单机间的信号体制为直接扩频的信号。

为尽可能增加单位时间内终端接入数量，终端单机与卫星单机间的信号如下图2所示。

终端与卫星间的信号由m1引导段、m2引导段、gold序列段组成。

m1引导段、m2引导段与gold序列段均为bpsk+扩频调制。

其中m1引导段上电文全为0，电文速率为200bps，扩频码速率设为51kcps，m1引导段时间越短越好，目的是为了使卫星端能尽快捕获到终端信号；

m2引导段携带必要的用于初始化gold序列的电文信息，电文速率设为800bps，扩频码速率设为50.4kcps，相比m1引导段，m2引导段具有更高的符号速率，从而进一步减少终端接入卫星的同步时间，此时由m1引导段到m2引导段时存在扩频码的切换、扩频码速率切换、电文速率切换；

gold序列段上携带数据包，电文速率设为200bps、800bps、3200bps三档，扩频码速率设为51kcps、50.4kcps、48kcps，同样的，由m2引导段到gold序列段时存在扩频码的切换、扩频码速率切换、电文速率切换。

本发明针对上述信号体制，如图3所示，该实施例提供了一种电文速率可变的天基物联网信号处理解决方法，其主要步骤如下：

步骤1、天线收到天基物联网系统卫星端发射的信号，地面终端把射频信号下变频到中频信号；

步骤2、对步骤1中的中频信号进行采样，得到信号s(n)；

步骤3、对采样后的信号s(n)进行捕获，得到m1引导段的码相位、码多普勒、载波多普勒；

步骤3.1、获取一段中频数据，用伪码速率的2倍再次降采样；每段中频数

据长度相等，且至少有一个电文比特时长；

步骤3.2、进入第一级搜索，此级搜索中载波频率与伪码频率步进较大，从而快速搜索得到一个粗略的载波多普勒与伪码多普勒值及伪码相位。

步骤3.3、为减少每级搜索的时间，从第二段中频数据开始，缓存该段中频数据的同时，对前一段中频数据进行处理；且可m个载波步进值同时并行搜索，当经过n段中频数据后，共可搜索n*m个步进值，从而快速搜索完毕所有步进值；

步骤3.4、根据第一级搜索得到的载波多普勒、伪码多普勒、伪码相位，进一步减小搜索步进，进入第二级搜索。

步骤3.5、可视需要，开启第三级及更多的搜索；

分级并行搜索的捕获方法可以大大减少捕获时间，进而可大大缩减m1引导段的时长，从而增加终端接入数量。

步骤3.6、捕获输出最终得到的载波多普勒值、伪码多普勒值、伪码相位，用于跟踪通道的初始化。

步骤4、跟踪m1引导段，解帧并找到m1引导段的结束标志电文，当m1引导段结束后立刻把本地伪码切换为m2引导段相对应的伪码；

步骤5、继续跟踪解析m2引导段，找到m2引导段的结束标志电文，当m2引导段结束后立刻把本地伪码切换为gold序列段；

步骤6、继续跟踪解析gold序列段，解出所需要的数据包电文；

下面对信号处理流程中的步骤6进一步阐述：

接收到的实际信号模型化为如下公式：

s(t)＝acos(wit+φi)c(t)d(t)(1)

上式中，a为信号幅值，cos(.)为载波，c(t)为伪码，d(t)为电文。

根据捕获得到的载波多普勒值、伪码多普勒值、伪码相位，初始化跟踪相关参数。对接收到的信号进行解调及解扩后得到相干积分值ip(n)、qp(n)；

ip(n)＝ad(n)r(τp)sinc(fetcoh)cosφe(2)

qp(n)＝ad(n)r(τp)sinc(fetcoh)sinφe(3)

上式中，r(τp)为自相关函数值，τp为伪码相位误差，fe为载波频率差，φe为载波相位差，tcoh为相干积分时长。

观察式(2)可知，ip(n)的符号由电文比特d(n)决定。因此可根据ip(n)的正负来得到电文，此法即相干解调法。

步骤7、在每一段未尾处设置结束标志电文，找到结束标志电文后，再找到比特边沿，即可切换为下一段相对应的伪码速率与相位；

当找到gold序列段结束标志电文，则退出当前帧的跟踪，即判决为失锁，重新回到步骤3；

如果超过一定时间始终没有找到结束标志电文，则判决为失锁，重新回到步骤3。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护。