低轨卫星通信系统的时频联合同步算法

doi:10.7523/j.ucas.2024.053

摘要/Abstract

摘要：

低轨卫星融合5G的移动通信系统具有广阔的应用前景，为保障用户与基站之间通信链路的有效建立和数据的可靠传输，时频同步技术至关重要。传统的时频同步算法对毫米波频段、大带宽、高多普勒频移及变化率、低信噪比的低轨卫星信道的适用程度有限，导致估计精度下降。针对采用5G体制的低轨卫星通信系统上行业务数据信道，提出一种基于加权内置同步序列的时频联合同步算法，提高了时频偏估计精度。通过仿真实验对比可知，相比于传统算法，所提时频联合同步算法在不增加算法复杂度的同时，具有更优良的综合同步性能。

关键词: 低轨卫星通信, OFDM, 时间同步, 频率同步

Abstract:

The integration of low earth orbit （LEO） satellite with 5G in the mobile communication system presents extensive application prospects. To ensure effective establishment of communication links between users and base stations， as well as reliable data transmission， time-frequency synchronization technology plays a crucial role. However， traditional timing and frequency synchronization algorithms face limitations when dealing with millimeter wave frequency bands， large bandwidths， high Doppler frequency shifts and change rates， and low signal-to-noise ratios in low-orbit satellite channels. These limitations result in decreased estimation accuracy. For the uplink service data channel of a 5G-based low orbit satellite communication system， a joint timing and frequency synchronization algorithm based on weighted embedded synchronization sequences is proposed to improve the accuracy of timing and frequency offset estimation. Simulation results demonstrate that the proposed timing and frequency synchronization algorithm outperforms traditional algorithms with comparable complexity in terms of synchronization performance.

Key words: LEO satellite communication, OFDM, time synchronization, frequency synchronization

中图分类号:

TN927+.23

李燕萍, 尚琳, 李国通. 低轨卫星通信系统的时频联合同步算法[J]. 中国科学院大学学报, 2026, 43(2): 218-229.

Yanping LI, Lin SHANG, Guotong LI. Joint timing and frequency synchronization algorithm of LEO satellite communication system[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2026, 43(2): 218-229.

图/表 8

图1 上行数据信道处理框图

Fig.1 Block diagram of uplink data channel

图2 上行用户数据传输时隙结构

Fig.2 Slot structure of uplink user data transmission

图3 接收序列差分矩阵形成过程

Fig.3 Block diagram of received sequence difference matrix

图4 卫星波束小区

Fig.4 Satellite beam cell

表1 仿真参数

Table 1 Simulation parameters

仿真参数	参数配置
系统有效带宽/MHz	46.08
载波频率 $f c$ /GHz	30
子载波间隔/kHz	120
调制方式	QPSK
IFFT点数（ $N$ ）	512
CP长度（ $N C P$ ）	36
归一化CFO（ $ε$ ）	0.05
STO（ $θ$ ）	12
PN序列	Gold序列
仿真次数	12 000

表1 仿真参数

Table 1 Simulation parameters

仿真参数	参数配置
系统有效带宽/MHz	46.08
载波频率 $f c$ /GHz	30
子载波间隔/kHz	120
调制方式	QPSK
IFFT点数（ $N$ ）	512
CP长度（ $N C P$ ）	36
归一化CFO（ $ε$ ）	0.05
STO（ $θ$ ）	12
PN序列	Gold序列
仿真次数	12 000

图5 多差分间隔累计联合双相关算法的归一化定时度量函数曲线

Fig.5 Normalized timing measure function curve of joint double correlation algorithm for multiple difference interval accumulations

图6 时频偏估计性能对比（M1=N/2-2，M2=N/2+2）

Fig.6 Comparison of estimation performance of timing and frequency offset

图7 时频偏估计性能对比（M1=1，M2=4）

Fig.7 Comparison of estimation performance of timing and frequency offset （M1=1，M2=4）

参考文献 23

[1]	陈山枝. 关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议［J］. 电信科学， 2020， 36（6）： 1-13. DOI： 10.11959/j.issn.1000-0801.2020181 .
[2]	3GPP TS 38.300. NR； NR and NG-RAN overall description； stage 2 （Release 17）［S/OL］. （2022-09-29）［2024-02-19］. .
[3]	Evans B G. The role of satellites in 5G［C］//2014 7th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 13th Signal Processing for Space Communications Workshop （ASMS/SPSC）. September 8-10， 2014， Livorno， Italy. IEEE， 2014： 197-202. DOI： 10.1109/ASMS-SPSC.2014.6934544 .
[4]	Lin J N， Hou Z W， Zhou Y Q， et al. Map estimation based on Doppler characterization in broadband and mobile LEO satellite communications［C］//2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference （VTC Spring）. May 15-18， 2016， Nanjing， China. IEEE， 2016： 1-5. DOI： 10.1109/VTCSpring.2016.7504336 .
[5]	Liu Y Q， Su Y T， Zhou Y Q， et al. Frequency offset estimation for high dynamic LEO satellite communication systems［C］//2019 11th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing （WCSP）. October 23-25， 2019， Xi’an， China. IEEE， 2019： 1-6. DOI： 10.1109/WCSP.2019.8927983 .
[6]	Zhao Q， Hu Y Q， Pang Z Y， et al. Beam hopping for LEO satellite： challenges and opportunities［C］//2022 International Conference on Culture-Oriented Science and Technology （CoST）. August 18-21， 2022， Lanzhou， China. IEEE， 2022： 319-324. DOI： 10.1109/CoST57098.2022.00072 .
[7]	van de Beek J J， Sandell M， Borjesson P O. ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems［J］. IEEE Transactions on Signal Processing， 1997， 45（7）： 1800-1805. DOI： 10.1109/78.599949 .
[8]	Ramasubramanian K， Baum K. An OFDM timing recovery scheme with inherent delay-spread estimation［C］//GLOBECOM'01. IEEE Global Telecommunications Conference. November 25-29， 2001 ， San Antonio， TX， USA. IEEE， 2001： 3111-3115. DOI： 10.1109/GLOCOM.2001.965999 .
[9]	李颖. 基于循环前缀的OFDM同步算法仿真分析［J］. 信息化研究， 2017， 43（1）： 29-31， 41.
[10]	Schmidl T M， Cox D C. Robust frequency and timing synchronization for OFDM［J］. IEEE Transactions on Communications， 1997， 45（12）： 1613-1621. DOI： 10.1109/26.650240 .
[11]	Minn H， Zeng M， Bhargava V K. On timing offset estimation for OFDM systems［J］. IEEE Communications Letters， 2000， 4（7）： 242-244. DOI： 10.1109/4234.852929 .
[12]	Liu G H， Wang Y X. A joint estimation algorithm for symbol timing offset and carrier frequency offset of OFDM signals based on strongly related sequences［C］//2020 Asia-Pacific Conference on Image Processing， Electronics and Computers （IPEC）. April 14-16， 2020， Dalian， China. IEEE， 2020： 292-296. DOI： 10.1109/IPEC49694.2020.9115178 .
[13]	宫丰奎，文妮，李果，等. 基于CAZAC序列的低复杂度抗频偏同步算法［J］. 通信学报， 2021， 42（2）： 64-71. DOI： 10.11959/j.issn.1000-436x.2021038 .
[14]	杨阳. 卫星GFDM系统传输性能优化技术研究［D］. 成都：电子科技大学， 2020.
[15]	Zhen L， Wang Y， Yu K P， et al. Reliable uplink synchronization maintenance for satellite-ground integrated vehicular networks： a high-order statistics-based timing advance update approach［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2023， 24（2）： 2097-2110. DOI： 10.1109/TITS.2021.3131816 .
[16]	赵文超，刘祖深，许虎. 基于DMRS联合频偏估计方法及应用［J］. 电子测量与仪器学报， 2021， 35（11）：170-176. DOI： 10.13382/j.jemi.B2104019 .
[17]	Zhao Y H， Zhao X， Wang Y B， et al. A frequency offset estimation/tracking algorithm based on TRS for 5G NR［C］//2023 IEEE/ACIS 23rd International Conference on Computer and Information Science （ICIS）. Jun 23-25， 2023， Wuxi， China. IEEE， 2023： 120-123. DOI： 10.1109/ICIS57766.2023.10210236 .
[18]	Abdzadeh-Ziabari H， Zhu W P， Swamy M N S. Joint maximum likelihood timing， frequency offset， and doubly selective channel estimation for OFDM systems［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018， 67（3）： 2787-2791. DOI： 10.1109/TVT.2017.2728008 .
[19]	3GPP TR 38.811. Study on new radio （NR） to support non-terrestrial networks （Release 15）［S/OL］. （2022-10-08）［2024-02-19］. .
[20]	3GPP TS 38.211. NR： physical channels and modulation （Release 17）［S/OL］. （2022-09-21）［2024-02-19］. .
[21]	He L F， Yang F. Robust timing and frequency synchronization for TDS-OFDM over multipath fading channels［C］//2010 IEEE International Conference on Communication Systems. November 17-19， 2010， Singapore. IEEE， 2010： 451-455. DOI： 10.1109/ICCS.2010.5686609 .
[22]	Abdzadeh-Ziabari H， Shayesteh M G. Sufficient statistics， classification， and a novel approach for frame detection in OFDM systems［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2013， 62（6）： 2481-2495. DOI： 10.1109/TVT.2013.2240027 .
[23]	Kaur S， Singh H， Sappal A S. Carrier frequency offset estimation for OFDM systems using time/frequency-domain techniques［J］. International Journal of Advanced Research in Computer Science and Electronics Engineering， 2012， 1（2）： 154-160.