多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)星地一體化時(shí)鐘同步方法

張生玥

摘要：作為全球網(wǎng)絡(luò)通信的主要傳輸手段，衛(wèi)星移動(dòng)通信在軍用及民用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)最大化地利用了珍貴的頻率資源，允許大容量的用戶接入，同時(shí)建設(shè)多關(guān)口站能滿足軍民共用的需求，擴(kuò)大衛(wèi)星覆蓋的范圍，但也帶來(lái)了系統(tǒng)時(shí)間同步的問(wèn)題。本文提出了多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)星地一體化時(shí)鐘同步方法，能夠有效地解決用戶和關(guān)口站以及多關(guān)口站之間的時(shí)間同步需求。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動(dòng)通信；時(shí)鐘同步；同步技術(shù)

一、系統(tǒng)同步要求

多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)要求整個(gè)系統(tǒng)（包括地球站、多關(guān)口站等）都在同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)下運(yùn)行，時(shí)間基準(zhǔn)的顆粒度直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。衛(wèi)星小傾角運(yùn)動(dòng)帶來(lái)鏈路延時(shí)的周期性漂移，系統(tǒng)需要精細(xì)估計(jì)并跟蹤此延遲，并對(duì)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行校正，跟蹤的誤差影響系統(tǒng)的定時(shí)誤差，并直接反應(yīng)到系統(tǒng)的收發(fā)信號(hào)誤差。

多關(guān)口站前向鏈路共用一個(gè)廣播信道載波，所以要求多關(guān)口站進(jìn)行時(shí)間同步，以保證其到達(dá)衛(wèi)星天線入口端的時(shí)刻嚴(yán)格同步。

終端由于運(yùn)動(dòng)速度、地理位置以及設(shè)備晶振穩(wěn)定度不同帶來(lái)信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間差異，在系統(tǒng)中要加以修正來(lái)提高通信質(zhì)量。

二、星地同步方法

衛(wèi)星小傾角扭“8”字運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)星地之間的鏈路延遲隨著時(shí)間周期性變化，關(guān)口站可以通過(guò)如下的機(jī)制對(duì)星地延遲進(jìn)行跟蹤。

1）發(fā)送一個(gè)連續(xù)同步信號(hào)TS（TimingSignal），該信號(hào)攜帶有幀號(hào)和獨(dú)特字。

2）捕獲該TS信號(hào)，并解調(diào)信號(hào)得到系統(tǒng)幀號(hào)和接收時(shí)間。

3）通過(guò)比較發(fā)送連續(xù)同步信號(hào)的時(shí)間和接收同步信號(hào)的時(shí)間差，去掉固定器件延遲，得到整個(gè)鏈路的延遲。

4）跟蹤該延時(shí)的變化量Dn，并用該變化量修正接收幀的時(shí)刻，如圖1。

變化量Dn值反應(yīng)了衛(wèi)星扭“8”字帶來(lái)的時(shí)延差，通過(guò)修正關(guān)口站的收時(shí)刻來(lái)補(bǔ)償該時(shí)延差帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)同步連續(xù)信號(hào)的格式和運(yùn)用相關(guān)的解調(diào)估計(jì)算法，可以使得Dn的估計(jì)精度達(dá)到微秒量級(jí)。

三、多關(guān)口站的定時(shí)同步

為了增大衛(wèi)星的覆蓋范圍以及抗災(zāi)抗毀，多關(guān)口站一般都異址建設(shè)，關(guān)口站處于不同的地理位置，與衛(wèi)星之間的距離也有所差別。前向信號(hào)發(fā)送到衛(wèi)星有時(shí)延差，不同的時(shí)延差會(huì)造成終端接收到的信號(hào)不能嚴(yán)格滿足系統(tǒng)的時(shí)間規(guī)劃要求，造成終端接收信號(hào)的混亂無(wú)序，同樣終端發(fā)射信號(hào)，關(guān)口站收時(shí)也存在信號(hào)出現(xiàn)重疊，相互間干擾的問(wèn)題，因此需要解決整星覆蓋區(qū)域內(nèi)多關(guān)口站發(fā)射信號(hào)在入星點(diǎn)一致。為了達(dá)到這個(gè)目的，可采用如下的方法：

1）主信關(guān)站按照上節(jié)所述發(fā)送主同步信號(hào)TS。

2）從信關(guān)接收該主同步信號(hào)TS，接收到該TS信號(hào)后，將該TS信號(hào)作為TS信號(hào)發(fā)送至衛(wèi)星。

3）通過(guò)接收該信號(hào)，從信關(guān)站能夠測(cè)算出從信關(guān)站所在地的衛(wèi)星鏈路延遲B。

主站發(fā)送的信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星天線入口端的時(shí)間為Ta+A（其中Ta為主站發(fā)送TS信號(hào)的時(shí)刻），從站在接收到主站發(fā)送的Ts信號(hào)基礎(chǔ)上向前調(diào)整2B，然后經(jīng)過(guò)前向鏈路延遲B發(fā)送到衛(wèi)星的入口端，此時(shí)總的延時(shí)為Ta+2A-2B+B=Ta+A+（A-B），前面一部分（Ta+A）為主站的鏈路延時(shí)，后面（A-B）為從站與主站的鏈路延時(shí)差，可滿足到衛(wèi)星天線入口端的信號(hào)對(duì)齊。

四、關(guān)口站與終端之間的定時(shí)同步

終端距離波束中心點(diǎn)位置不同，運(yùn)動(dòng)速度不同，設(shè)備內(nèi)部的時(shí)鐘晶振穩(wěn)定度也不相同，信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)間也有所差別。為了修正上述幾點(diǎn)在系統(tǒng)使用中的影響，在關(guān)口站完成對(duì)于衛(wèi)星鏈路延遲的跟蹤和幀邊界的校正以后，終端可通過(guò)下述方法與關(guān)口站進(jìn)行系統(tǒng)同步：

初始接人模式下的同步：

1）終端進(jìn)入初始接入模式以后，為保證接入突發(fā)能夠落到指定的衛(wèi)星定時(shí)窗口之內(nèi)，終端通過(guò)廣播信道獲取關(guān)口站發(fā)送該波束的定時(shí)傳輸因子T0，以此來(lái)確定其發(fā)送時(shí)刻，T0是系統(tǒng)根據(jù)每一個(gè)點(diǎn)波束中心所在位置預(yù)先計(jì)算出來(lái)的一個(gè)偏移值，在返向發(fā)送的接人請(qǐng)求信道上修正該因子，就完成了終端與關(guān)口站的粗對(duì)齊。

2）由于終端相對(duì)波束中心點(diǎn)位置不同，返向鏈路的延遲是在波束中心點(diǎn)定時(shí)傳輸因子（T0）的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)由于位置因素引起的時(shí)差，關(guān)口站在接收到終端發(fā)送的接人請(qǐng)求信號(hào)后，計(jì)算出終端位置與波束中心位置差所帶來(lái)的路徑往返延時(shí)差為2ITu-T0]，在接人允許信道中將該定時(shí)校正（TC=2[Tu-T0]）發(fā)送給終端。關(guān)口站要通過(guò)開(kāi)一定的接收窗口來(lái)滿足不同地理位置終端發(fā)送的接人請(qǐng)求信號(hào)都能被關(guān)口站接收到。

3）終端將返向信道的發(fā)送時(shí)刻延遲2[Tu-T0]時(shí)刻，可實(shí)現(xiàn)終端上行鏈路的時(shí)刻同步。

呼叫過(guò)程中的定時(shí)同步：

1）終端接收機(jī)定時(shí)由內(nèi)部時(shí)基生成，在呼叫過(guò)程中，由于用戶的移動(dòng)和終端晶振穩(wěn)定度，終端相對(duì)于原始定時(shí)參考偏移了△rrU=△T，+△T，其中△T是由于終端內(nèi)部晶振的漂移帶來(lái)的定時(shí)漂移，△T是由于終端位置改變帶來(lái)的定時(shí)漂移。

2）終端發(fā)射機(jī)以接收機(jī)定時(shí)為參考，終端發(fā)射機(jī)同樣偏移了ATU。

3）上行信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播延遲Tu+ATu2后到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)間與原來(lái)相比偏移了△T+2△T。

4）關(guān)口站檢測(cè)終端上行信號(hào)實(shí)際到達(dá)的時(shí)刻與期望到達(dá)的時(shí)刻偏移，如果檢測(cè)到的△T+2△T超過(guò)了預(yù)設(shè)的閥值，那么就將該偏移以鏈路校正消息的形式通過(guò)隨路信道下發(fā)給終端。

5）終端收到定時(shí)校正消息以后，將發(fā)射機(jī)定時(shí)偏移△T+2△T，該定時(shí)校正過(guò)程以預(yù)設(shè)的調(diào)整速率*校正值逐漸進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)初始接人模式和呼叫過(guò)程中的定時(shí)同步，可以使得終端終端發(fā)送時(shí)刻到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)刻與期望時(shí)刻相同。

結(jié)語(yǔ)

多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)需要多關(guān)口站、關(guān)口站與終端之間做到嚴(yán)格的時(shí)間同步?，F(xiàn)有技術(shù)和方法的主要缺點(diǎn)是不適用于多點(diǎn)波束下的主站和小站定時(shí)同步以及主站和從站之間的定時(shí)同步，另外對(duì)于主站和小站之間的同步多依靠自身器件對(duì)于定時(shí)的估計(jì)而沒(méi)有利用系統(tǒng)流程來(lái)進(jìn)行整體的同步規(guī)劃。本文提供了一種多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)星地一體化時(shí)鐘同步方法，著力解決了衛(wèi)星小傾角運(yùn)動(dòng)、多關(guān)口站、關(guān)口站與衛(wèi)星終端之間的同步問(wèn)題。