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摘 要：相比于地面移动通信网络，低轨道卫星移动通信系统具有覆盖范围广、带宽大及不受自然灾害影响等优点，被广泛应用在海上、沙漠及天空等地面网络无法覆盖的区域。此外，卫星移动网络还可以为物联网设备提供连续不间断的网络连接，实现真正意义上的全球覆盖。3GPP已经将卫星通信纳入5G非地面（NTN）通信方式中。因此，将卫星通信系统与地面通信系统融合，共同构成全球无缝覆盖的海陆空一体化网络，满足用户无处不在的多种业务服务，是未来通信的重要发展方向。本文研究低轨道卫星移动通信系统无线链路的传输技术。
关键词：低轨道卫星;通信系统;传输技术
引言
对于低轨卫星移动通信体系的上行链路，因为地上终端的发射功率有限，用户终端的功率放大器更倾向于工作在饱满区或饱满区邻近，以取得满意的发射功率。当发射信号的PAPR值过高时，会进入高功率放大器的非線性区域，造成严重的带内非线性失真和带外辐射，破坏子载波间的正交性，添加误码率。此时，高功率放大器将对输入信号进行高功率回退，使放大器返回到线性工作区域，这将大大降低高功率放大器的功率效率。同时，因为卫星网络传输路径损耗大，低功率效率的高功率放大器无法确保满意的信噪比。
在低轨卫星移动通信体系的上行链路中，SC-FDMA 被用作传输方案。FDMA 传输技术将频分多址（FDMA）技术与单载波体系相结合。SC-FDMA 的每个子载波上的调制符号是同时在所有子载波上的调制符号的线性组合，因此SC-FDMA 具有比OFDM 和其他多载波体系低得多的PAPR。但是，SC-FDMA体系的PAPR 仍将跟着调制阶数的添加而添加。使用高阶编码调制是进步频谱资源利用率最有效的办法，也是体系开展的必然趋势。特别是在5GNR 中，现已定义了256QAM 高阶调制。
但是，高阶调制带来的功能约束以及对体系天线的接收机和发射机的更高要求都约束了高阶调制在现实中的实际应用。高PAPR 是首先要处理的问题。因此，设计一种能够降低传输信号PAPR 的办法来进步用户终端的功率利用率和使用寿命，对进步5G 体系的功能具有重要意义。
一、低轨卫星移动通信发展概述
跟着通信技术的开展，地上移动通信现已不能满意全球无缝掩盖的要求。与地上通信不同，卫星通信具有掩盖规模广、不受环境约束等长处，能够完成全球掩盖，使全球用户能够享受到全方位的通信服务。根据美国忧思科学家联盟（UCS）的陈述，到11 月30 日，在轨卫星有1957 颗，其中近800 颗用于通信。因为高地球轨迹卫星容量太小，首要供给数字播送和专用网络通信服务，而低地球轨迹通信卫星具有传输损耗低、通信时延短、可靠性高的长处，适合为终端用户供给移动通信服务。
自20 世纪90 年代以来，低轨卫星移动通信体系迎来了第一次开展热潮。最多现已提出了十几个卫星通信星座方案，典型的有铱星系统（Iridium）、全球星系统（Globalstar）、轨道通信系统（Orbcomm）、Teledesic 等。铱星体系是世界上第一个低地球轨迹卫星移动通信体系。其基本目标是完成全球数字个人通信。铱星体系由66 颗低轨迹卫星组成，在780 公里的轨迹上运转，并于1998 年11 月投入运转。早期的低地球轨迹卫星通信星座首要服务于卫星电话，供给根据语音通信的服务。通信掩盖了世界上少数的卫星，在通信能力有限的情况下供给个人应用服务。但是，低轨卫星通信星座的开展并不顺畅。
因为铱星体系没有处理高本钱投资的问题，特别是星的建造和发射本钱贵重，导致通话本钱高和用户少，运营商在2000 年宣布破产，接连亏损。铱星体系的暂停使投资者失去决心，导致很多提出低地球轨迹卫星星座的企业和方案溃散或布置失败。这股热潮也敏捷冷却下来。目前，只要铱星、全球之星和orbcom 体系成功运营，铱星体系也是在原公司申请破产维护后由新的“铱星”公司康复运营。
纵观卫星通信的发展历程，当今卫星通信系统正沿着天地一体化的方向发展。卫星通信利用广覆盖、高可靠性和灵活性上的优势来弥补地面移动通信系统的缺点，参考地面移动通信上的技术指标，和地面移动通信充分融合，从而达到让移动通信网络全面覆盖全球的目的。一方面，卫星通信有可能为地面终端提供更广泛的服务，如广播、宽带和窄带服务。另一方面，卫星通信在向地面通信服务难以覆盖的领域提供信息方面发挥着独特的作用。特别是，它可以在地震、洪水或飓风等自然灾害的情况下提供关键和紧急服务。而随着5G 技术的日益成熟，构建出这样一张天网和地网融合、天地信息一体化的网络指日可待。
二、低轨卫星系统模型及峰均比问题
（一）峰均比定义及统计特性
PAPR 主要代表发射机信号的峰值起伏和平均值之间的比值。假定x （T）是在正交频分复用符号时刻距离内的IFFT 变换之后产生的信号，并且T 是正交频分复用符号周期，则发射信号的PAPR 由公式（2.1）定义
（二）分组调制法基本原理
分组调制降峰均比法是在SC-FDMA 系统中的发送信号完成星座调制之后，对调制的信号拆分并分组进行调制，输入信息比特流经过信道编码进入发射机。然后，用原调制方法与特殊电流进行映射，原系统一般选用QPSK 或16QAM 的映射方法。接下来，调制复矢量被分成几组π/2-bpsk 调制符号。然后，π/2-bpsk 调制信号的每个信道被转换成多信道并行复调制码元块，其间每个SC-FDMA 码元发送的复调制码元的数量是m。m 点离散傅立叶变换被应用于每个复调制码元块，然后每个离散傅立叶变换的输出信号被归零，以使离散傅立叶变换的大小与子载波的数量n 共同。然后，经过对每个信道信号的正交频分复用转换来生成模仿射频信号。经过高功率放大器后，各路射频信号被合并，最后合并后的射频信号被发送到发射机天线进行传输。由于原始PAPR 信号被分解成低PAPR 信号的组合，经过HPA 等非线性器材的信号是π/2 bpsk 调制信号，因此能够防止严峻的带内失真和带外扩展，然后到达降低PAPR 的效果。 （三）分组调制法步骤
分组调制降峰均比法的在SC-FDMA 系统上的具体步骤如下：
第一步：输入二进制数据流b（i），并通过QAM 调制得到复调制向量d（i）。
第二步：对拆分后的多路π/2-BPSK 调制符号dn（i）进行DFT 变换、子载波映射、OFDM 变换和数模转换器，得到模拟信号xn（t）。
第三步：将模拟信号乘以各自拆分时得到的系数，并通過HPA，由于通过放大器的是π/2-BPSK 调制生成的信号，其信号峰均比远低于高阶调制生成的信号。
第四步：将功放输出的信号进行合路，得到最后的等效输出信号。
四、性能分析与仿真结果
本节将常用峰均比抑制方法及分组调制法的优缺点进行对比，并通过仿真对上行链路SC-FDMA 系统中采用分组调制法与SLM 法、PTS 法的降峰均比性能进行对比。
信号畸变方法具有方法简单、易于实现的优点，但因为对信号做非线性处理，引入了带内干扰和带外辐射，使得系统的误码率变大且频谱利用率减小，不能保证信号传输的可靠性。编码方法属于线性方法，避免了信号畸变方法的缺陷，但是引入额外的码字增加了信息冗余度，降低了有效数据的传输速率和系统的频谱利用率，通常适用于子载波数较少的情况。概率类方法是不会对信号造成失真，且PAPR 抑制能力优越，但是概率类方法的复杂度比较高。当采用SLM 法时系统需要VSLM次IFFT 运算及VSLM 次向量相乘;采用PTS 法时系统需要VPTS·2VPTS 次IFFT 运算。接收机还需要额外的频谱和功率，因此降低了有效数据传输速率。
PAPR 性能始终与π/2-BPSK 调制保持一致，且没有引入额外带宽，对系统的接收端也没有要求。只要每路分组信号运行在功率放大器的线性区域内，就能通过合路器对原始信号进行还原，而不会产生误码。但是在对调制符号进行拆分时需要查表，拆分后的每路信号都需要进行DFT 及OFDM 变换，对于2m*2m（m≥1）QAM，至少需要拆分成2m 路信号，因而随着调制阶数增大，计算复杂度也会增大。
下面通过仿真对上行链路SC-FDMA 系统中采用分组调制法与SLM 法、PTS 法的降峰均比性能进行对比。仿真参数为：系统子载波数为N=512，占用带宽为5MHz，单个数据块包含SC-FDMA 个数M=32，过采样因子取值为L=4，对10000 个符号进行仿真。图中横坐标为门限值，纵坐标为PAPR 超过门限值的概率。
结语
首要，给出了低轨卫星通信系统上行链路的体系模型和PAPR 定义。然后介绍了三种常用的PAPR 抑制办法，即信号失真法、信号编码法和概率法。然后，提出了根据5G NR 协议的PAPR 约简办法，考虑到NR 协议中π/2-bpsk 调制的低PAPR性，将高阶调制信号分红多个π/2-bpsk 调制信号的线性组合，并别离发送和调制各组信号，实现PAPR 约简。最后，分析了上述办法的优缺点，并与性能进行了比较。仿真结果表明，该组调制办法能够在不影响体系误码率的情况下达到目标，有用降低了发射信号的PAPR。
参考文献：
[1]刘洋，魏锋，崔树成，王文剑.低轨道卫星通信与物联网应用研究[J].物联网学报，2019，3（04）：101-108.
[2]赵国奎. 高通量卫星通信系统多用户检测算法研究[D].哈尔滨工业大学，2019.
[3]李倩. 低轨卫星通信系统随机接入技术研究[D].北京邮电大学，2019.
[4]华道本. 基于5G 的低轨道卫星通信系统传输技术研究[D].东南大学，2019.
[5]曾碧玥. 低轨道小卫星窄带通信系统设计与实现[D].西南交通大学，2019.
作者简介：
何辉（1984.11—），男，汉，河南洛阳，硕士，工程师.研究方向：卫星通信;
方应勇（1986.11—），男，汉，湖北孝感，硕士，工程师，研究方向：卫星通信。
关键词：低轨道卫星;通信系统;传输技术
引言
对于低轨卫星移动通信体系的上行链路，因为地上终端的发射功率有限，用户终端的功率放大器更倾向于工作在饱满区或饱满区邻近，以取得满意的发射功率。当发射信号的PAPR值过高时，会进入高功率放大器的非線性区域，造成严重的带内非线性失真和带外辐射，破坏子载波间的正交性，添加误码率。此时，高功率放大器将对输入信号进行高功率回退，使放大器返回到线性工作区域，这将大大降低高功率放大器的功率效率。同时，因为卫星网络传输路径损耗大，低功率效率的高功率放大器无法确保满意的信噪比。
在低轨卫星移动通信体系的上行链路中，SC-FDMA 被用作传输方案。FDMA 传输技术将频分多址（FDMA）技术与单载波体系相结合。SC-FDMA 的每个子载波上的调制符号是同时在所有子载波上的调制符号的线性组合，因此SC-FDMA 具有比OFDM 和其他多载波体系低得多的PAPR。但是，SC-FDMA体系的PAPR 仍将跟着调制阶数的添加而添加。使用高阶编码调制是进步频谱资源利用率最有效的办法，也是体系开展的必然趋势。特别是在5GNR 中，现已定义了256QAM 高阶调制。
但是，高阶调制带来的功能约束以及对体系天线的接收机和发射机的更高要求都约束了高阶调制在现实中的实际应用。高PAPR 是首先要处理的问题。因此，设计一种能够降低传输信号PAPR 的办法来进步用户终端的功率利用率和使用寿命，对进步5G 体系的功能具有重要意义。
一、低轨卫星移动通信发展概述
跟着通信技术的开展，地上移动通信现已不能满意全球无缝掩盖的要求。与地上通信不同，卫星通信具有掩盖规模广、不受环境约束等长处，能够完成全球掩盖，使全球用户能够享受到全方位的通信服务。根据美国忧思科学家联盟（UCS）的陈述，到11 月30 日，在轨卫星有1957 颗，其中近800 颗用于通信。因为高地球轨迹卫星容量太小，首要供给数字播送和专用网络通信服务，而低地球轨迹通信卫星具有传输损耗低、通信时延短、可靠性高的长处，适合为终端用户供给移动通信服务。
自20 世纪90 年代以来，低轨卫星移动通信体系迎来了第一次开展热潮。最多现已提出了十几个卫星通信星座方案，典型的有铱星系统（Iridium）、全球星系统（Globalstar）、轨道通信系统（Orbcomm）、Teledesic 等。铱星体系是世界上第一个低地球轨迹卫星移动通信体系。其基本目标是完成全球数字个人通信。铱星体系由66 颗低轨迹卫星组成，在780 公里的轨迹上运转，并于1998 年11 月投入运转。早期的低地球轨迹卫星通信星座首要服务于卫星电话，供给根据语音通信的服务。通信掩盖了世界上少数的卫星，在通信能力有限的情况下供给个人应用服务。但是，低轨卫星通信星座的开展并不顺畅。
因为铱星体系没有处理高本钱投资的问题，特别是星的建造和发射本钱贵重，导致通话本钱高和用户少，运营商在2000 年宣布破产，接连亏损。铱星体系的暂停使投资者失去决心，导致很多提出低地球轨迹卫星星座的企业和方案溃散或布置失败。这股热潮也敏捷冷却下来。目前，只要铱星、全球之星和orbcom 体系成功运营，铱星体系也是在原公司申请破产维护后由新的“铱星”公司康复运营。
纵观卫星通信的发展历程，当今卫星通信系统正沿着天地一体化的方向发展。卫星通信利用广覆盖、高可靠性和灵活性上的优势来弥补地面移动通信系统的缺点，参考地面移动通信上的技术指标，和地面移动通信充分融合，从而达到让移动通信网络全面覆盖全球的目的。一方面，卫星通信有可能为地面终端提供更广泛的服务，如广播、宽带和窄带服务。另一方面，卫星通信在向地面通信服务难以覆盖的领域提供信息方面发挥着独特的作用。特别是，它可以在地震、洪水或飓风等自然灾害的情况下提供关键和紧急服务。而随着5G 技术的日益成熟，构建出这样一张天网和地网融合、天地信息一体化的网络指日可待。
二、低轨卫星系统模型及峰均比问题
（一）峰均比定义及统计特性
PAPR 主要代表发射机信号的峰值起伏和平均值之间的比值。假定x （T）是在正交频分复用符号时刻距离内的IFFT 变换之后产生的信号，并且T 是正交频分复用符号周期，则发射信号的PAPR 由公式（2.1）定义
（二）分组调制法基本原理
分组调制降峰均比法是在SC-FDMA 系统中的发送信号完成星座调制之后，对调制的信号拆分并分组进行调制，输入信息比特流经过信道编码进入发射机。然后，用原调制方法与特殊电流进行映射，原系统一般选用QPSK 或16QAM 的映射方法。接下来，调制复矢量被分成几组π/2-bpsk 调制符号。然后，π/2-bpsk 调制信号的每个信道被转换成多信道并行复调制码元块，其间每个SC-FDMA 码元发送的复调制码元的数量是m。m 点离散傅立叶变换被应用于每个复调制码元块，然后每个离散傅立叶变换的输出信号被归零，以使离散傅立叶变换的大小与子载波的数量n 共同。然后，经过对每个信道信号的正交频分复用转换来生成模仿射频信号。经过高功率放大器后，各路射频信号被合并，最后合并后的射频信号被发送到发射机天线进行传输。由于原始PAPR 信号被分解成低PAPR 信号的组合，经过HPA 等非线性器材的信号是π/2 bpsk 调制信号，因此能够防止严峻的带内失真和带外扩展，然后到达降低PAPR 的效果。 （三）分组调制法步骤
分组调制降峰均比法的在SC-FDMA 系统上的具体步骤如下：
第一步：输入二进制数据流b（i），并通过QAM 调制得到复调制向量d（i）。
第二步：对拆分后的多路π/2-BPSK 调制符号dn（i）进行DFT 变换、子载波映射、OFDM 变换和数模转换器，得到模拟信号xn（t）。
第三步：将模拟信号乘以各自拆分时得到的系数，并通過HPA，由于通过放大器的是π/2-BPSK 调制生成的信号，其信号峰均比远低于高阶调制生成的信号。
第四步：将功放输出的信号进行合路，得到最后的等效输出信号。
四、性能分析与仿真结果
本节将常用峰均比抑制方法及分组调制法的优缺点进行对比，并通过仿真对上行链路SC-FDMA 系统中采用分组调制法与SLM 法、PTS 法的降峰均比性能进行对比。
信号畸变方法具有方法简单、易于实现的优点，但因为对信号做非线性处理，引入了带内干扰和带外辐射，使得系统的误码率变大且频谱利用率减小，不能保证信号传输的可靠性。编码方法属于线性方法，避免了信号畸变方法的缺陷，但是引入额外的码字增加了信息冗余度，降低了有效数据的传输速率和系统的频谱利用率，通常适用于子载波数较少的情况。概率类方法是不会对信号造成失真，且PAPR 抑制能力优越，但是概率类方法的复杂度比较高。当采用SLM 法时系统需要VSLM次IFFT 运算及VSLM 次向量相乘;采用PTS 法时系统需要VPTS·2VPTS 次IFFT 运算。接收机还需要额外的频谱和功率，因此降低了有效数据传输速率。
PAPR 性能始终与π/2-BPSK 调制保持一致，且没有引入额外带宽，对系统的接收端也没有要求。只要每路分组信号运行在功率放大器的线性区域内，就能通过合路器对原始信号进行还原，而不会产生误码。但是在对调制符号进行拆分时需要查表，拆分后的每路信号都需要进行DFT 及OFDM 变换，对于2m*2m（m≥1）QAM，至少需要拆分成2m 路信号，因而随着调制阶数增大，计算复杂度也会增大。
下面通过仿真对上行链路SC-FDMA 系统中采用分组调制法与SLM 法、PTS 法的降峰均比性能进行对比。仿真参数为：系统子载波数为N=512，占用带宽为5MHz，单个数据块包含SC-FDMA 个数M=32，过采样因子取值为L=4，对10000 个符号进行仿真。图中横坐标为门限值，纵坐标为PAPR 超过门限值的概率。
结语
首要，给出了低轨卫星通信系统上行链路的体系模型和PAPR 定义。然后介绍了三种常用的PAPR 抑制办法，即信号失真法、信号编码法和概率法。然后，提出了根据5G NR 协议的PAPR 约简办法，考虑到NR 协议中π/2-bpsk 调制的低PAPR性，将高阶调制信号分红多个π/2-bpsk 调制信号的线性组合，并别离发送和调制各组信号，实现PAPR 约简。最后，分析了上述办法的优缺点，并与性能进行了比较。仿真结果表明，该组调制办法能够在不影响体系误码率的情况下达到目标，有用降低了发射信号的PAPR。
参考文献：
[1]刘洋，魏锋，崔树成，王文剑.低轨道卫星通信与物联网应用研究[J].物联网学报，2019，3（04）：101-108.
[2]赵国奎. 高通量卫星通信系统多用户检测算法研究[D].哈尔滨工业大学，2019.
[3]李倩. 低轨卫星通信系统随机接入技术研究[D].北京邮电大学，2019.
[4]华道本. 基于5G 的低轨道卫星通信系统传输技术研究[D].东南大学，2019.
[5]曾碧玥. 低轨道小卫星窄带通信系统设计与实现[D].西南交通大学，2019.
作者简介：
何辉（1984.11—），男，汉，河南洛阳，硕士，工程师.研究方向：卫星通信;
方应勇（1986.11—），男，汉，湖北孝感，硕士，工程师，研究方向：卫星通信。