GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的多信關(guān)站同步技術(shù)

肖 娜，王力男，張慶業(yè),趙建華

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.河北省武安市水利局，河北 武安 056300)

0 引言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)作為地面移動通信系統(tǒng)的必要補充已成為未來個人移動通信發(fā)展的重要方向，而采用大型可展開天線的GEO多波束衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)因其系統(tǒng)建設(shè)簡單等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用[1]，典型系統(tǒng)有亞洲蜂窩衛(wèi)星系統(tǒng)(ACeS)、瑟拉亞衛(wèi)星系統(tǒng)(Thuraya)和天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)等，其多采用FDMA/TDMA技術(shù)體制[2]，支持衛(wèi)星/地面雙模手機，并在地面段部署多個信關(guān)站來管理整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，向用戶提供話音、短信、數(shù)據(jù)等各類通信業(yè)務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)和其他網(wǎng)絡(luò)(如PSTN和PLMN)的互聯(lián)互通[3-4]。

對一個多波束、多載波的TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，良好的系統(tǒng)同步是其可靠工作的前提[5-8]，尤其在多個信關(guān)站同時運行的情況下，保證多信關(guān)站之間的同步工作至關(guān)重要，即要求多個信關(guān)站的發(fā)送信號在衛(wèi)星接收天線處嚴格保持彼此時間的對應(yīng)關(guān)系，且載波頻率嚴格符合標稱值[8]。本文對典型GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的信關(guān)站同步方案進行了研究，并針對我國天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)不發(fā)送載荷幀同步序列這一特殊情況，提出了一種具有可行性的基于主從方式的信關(guān)站同步方案，給出了頻偏補償和定時校正算法。

1 信關(guān)站同步的基本概念

對TDMA體制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)而言，其物理信道是頻率和時間的組合，是定義在某個頻率的一段突發(fā)信號。在理想情況下，TDMA系統(tǒng)的信道是互不重疊的，用戶根據(jù)業(yè)務(wù)類型可占據(jù)一個或多個信道。但在系統(tǒng)實際運行中，衛(wèi)星和用戶運動[9]、設(shè)備晶體穩(wěn)定度受限會帶來多普勒頻移和頻率漂移，各地面設(shè)備與衛(wèi)星距離差異以及衛(wèi)星漂移會造成時延抖動[10]，在沒有同步控制機制的情況下，TDMA系統(tǒng)實際信道會在時間和頻率上發(fā)生重疊，如圖1所示。

圖1 TDMA系統(tǒng)物理信道示意圖

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的時差、頻差在饋電鏈路和用戶鏈路上普遍存在，但由于2種鏈路的工作頻段和工作方式均不相同，因此可通過同步技術(shù)在信關(guān)站側(cè)和終端側(cè)分別對饋電鏈路和用戶鏈路上的時差、頻差進行補償和校正，如圖2所示。

圖2 饋電鏈路和用戶鏈路時差、頻差示意圖

本文重點研究信關(guān)站的時頻同步技術(shù)，即計算信關(guān)站在饋電鏈路上的頻率偏差以及多個信關(guān)站之間的定時偏差，并對其進行補償和預(yù)校正[11-12]，從而實現(xiàn)多信關(guān)站之間的頻率同步和定時同步。

2 常用信關(guān)站同步技術(shù)

國際上采用多信關(guān)站設(shè)計的典型GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要有Thuraya等系統(tǒng)。

Thuraya系統(tǒng)地面段主要由衛(wèi)星運行控制中心(SOCC)、網(wǎng)絡(luò)運行控制中心(NOCC)、主信關(guān)站和多個區(qū)域信關(guān)站組成[13]，區(qū)域信關(guān)站基于主信關(guān)站設(shè)計，可獨立運作，并通過衛(wèi)星和其他區(qū)域信關(guān)站相連。

Thuraya系統(tǒng)采用基于載荷同步信號的同步方式，在地面段NOCC中設(shè)立一個受GPS定時校準的高穩(wěn)定原子鐘，在星載頻率源頻率漂移時，通過NOCC中的原子鐘對載荷頻率源進行校正，并把不斷修正后的衛(wèi)星時頻信號作為全網(wǎng)的同步基準，通過下發(fā)載荷同步信號(PSS)將基準送往地面各信關(guān)站，使得各信關(guān)站的時鐘和頻率與衛(wèi)星的基準信號一致，實現(xiàn)全網(wǎng)載波和幀定時同步[14]。

Thuraya系統(tǒng)中各組成部分之間用于系統(tǒng)同步的信號傳輸關(guān)系如圖3所示。

圖3 Thuraya系統(tǒng)同步信號傳輸關(guān)系

如圖3所示，SOCC對衛(wèi)星的軌道位置和漂移速度進行測量，并將測量結(jié)果傳送給NOCC，NOCC通過對衛(wèi)星下發(fā)PSS的不斷測量，來判斷星載主振蕩器的頻率誤差，結(jié)合SOCC發(fā)送來的衛(wèi)星位置和速度值，對測量誤差進行修正，當誤差超過某一范圍時，NOCC向SOCC發(fā)送頻率修正指令，SOCC向星載主振蕩器發(fā)送校準命令，控制主振蕩器進行頻率修正。

信關(guān)站配備由GPS定時校準的高穩(wěn)定度原子鐘，產(chǎn)生用于本地的所有時間和頻率。同時信關(guān)站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)本站發(fā)送的GFR和衛(wèi)星下發(fā)的PSS，通過對比，調(diào)整本地的GFR來獲得本站的幀同步。

同時，信關(guān)站接收NOCC送來的衛(wèi)星多普勒值，計算衛(wèi)星PSS信號的真實頻率，并根據(jù)PSS、環(huán)回GFR兩種信號的標稱頻率和實際測得的頻率，計算出衛(wèi)星參考主振蕩器頻偏校正(SRDC)和衛(wèi)星多普勒頻率校正(SMDC)兩個重要參數(shù)，獲得對頻偏的修正值，并用該值修正發(fā)射載波和接收載波的頻率，獲得本站的頻率同步。

此外，由NOCC定義系統(tǒng)的幀編號，NOCC將某年某月某日0時作為超幀的起始時刻，由此產(chǎn)生系統(tǒng)絕對的幀編號(FN)，NOCC將該幀編號嵌入網(wǎng)絡(luò)幀參考(NFR)信號中，并通過衛(wèi)星C-C透明轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送給所有的信關(guān)站。信關(guān)站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的下行NFR，從中提取FN值，由此獲得幀號同步[14]。

Thuraya系統(tǒng)所采用的基于載荷同步信號的信關(guān)站同步方案是現(xiàn)在較為普遍采用的技術(shù)之一，這種技術(shù)的優(yōu)點是對于地面信關(guān)站保持同步所需要的硬件可以最大限度地簡化，但連續(xù)下發(fā)的PSS會對衛(wèi)星平臺帶來較大的壓力，并造成衛(wèi)星資源的浪費[15]。

3 基于主從方式的信關(guān)站同步方案設(shè)計

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的第一代大容量、軍民共用的GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，可以為車輛、飛機、船舶和個人等移動用戶提供話音、短信、數(shù)據(jù)等通信服務(wù)[16]。系統(tǒng)地面段主要由運控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成。運控系統(tǒng)集成了衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控功能和通信網(wǎng)絡(luò)運行管理功能，主要由標校站、測控站、應(yīng)用管理中心、決策支持中心組成，用于對衛(wèi)星有效載荷和通信網(wǎng)的運行進行統(tǒng)一管理。應(yīng)用系統(tǒng)主要由信關(guān)站、業(yè)務(wù)管理站、各類衛(wèi)星終端構(gòu)成，用于保障各種應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)和話音等通信需求。

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)支持多個信關(guān)站同時工作，各信關(guān)站的發(fā)送信號到達衛(wèi)星需要嚴格同步。但受星上設(shè)備復雜性和重量限制，天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)不具備對星載頻率源的校正功能，且星上載荷不提供用于全網(wǎng)時頻同步的PSS信號，因此，需要開展適用于我國自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的信關(guān)站同步方案設(shè)計。

根據(jù)天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中多信關(guān)站在運控中心統(tǒng)一管理下共享衛(wèi)星資源、獨立組網(wǎng)應(yīng)用的特點，系統(tǒng)采用主從同步方式，以一指定信關(guān)站的時鐘為基準[17]，其他信關(guān)站的時鐘則與之同步，形成統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘；各信關(guān)站再根據(jù)接收自己發(fā)送的幀參考序列和衛(wèi)星下發(fā)的饋電鏈路信標信號計算頻率偏差，進行補償；同時由運控中心定義系統(tǒng)的幀編號，并將系統(tǒng)絕對的幀編號通過地面鏈路或衛(wèi)星C-C轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送給所有的信關(guān)站，實現(xiàn)系統(tǒng)的幀號同步。

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中各組成部分之間用于系統(tǒng)同步的信號傳輸關(guān)系如圖4所示。

圖4 天通一號系統(tǒng)同步信號傳輸關(guān)系

3.1 定時同步設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)特點，運控中心指定某一信關(guān)站為主信關(guān)站，其余信關(guān)站為從信關(guān)站。運控中心和各信關(guān)站內(nèi)均配備高穩(wěn)定的原子鐘和北斗/GPS定時設(shè)備，定時設(shè)備實時接收北斗/GPS的1 pps和TOD信息，通過對比，不斷校正站內(nèi)的原子鐘，使其時基同步到高精度的北斗/GPS授時系統(tǒng)的1 pps信號上，用于本地的發(fā)射時間和頻率參考。而主信關(guān)站的高穩(wěn)定原子鐘是全網(wǎng)的時間基準，通過發(fā)送主信關(guān)站幀參考(MGFR)信號為全網(wǎng)提供時間同步。MGFR信號是主信關(guān)站連續(xù)發(fā)送的一個重復的比特序列，用以標示幀的起始位置。從信關(guān)站幀參考(SGFR)信號是從信關(guān)站入網(wǎng)時用于輔助調(diào)整本站幀同步的一個突發(fā)信號。它設(shè)置在C頻段，經(jīng)載荷C頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器后本信關(guān)站接收。各從信關(guān)站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)本站發(fā)送的SGFR信號和主信關(guān)站發(fā)送的MGFR信號，通過對比兩者之間的時間關(guān)系，調(diào)整本地發(fā)送的SGFR信號來獲得本站的幀同步。從信關(guān)站定時同步如圖5所示，其同步過程包括：

圖5 信關(guān)站定時同步原理

① 從信關(guān)站向運控中心申請SGFR信號的初始參數(shù)；

② 運控中心為從信關(guān)站分配一個C-C的載波頻率，用于SGFR初始化，該分配包括頻率和時隙信息；

③ 本地時鐘參考單元為從信關(guān)站提供頻率和時間參考信號，并在分配的初始頻率和時隙上發(fā)送SGFR-Tx信號；

④ 從信關(guān)站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的主信關(guān)站發(fā)送的幀參考信號MGFR-Rx信號，以及收到本地幀參考SGFR-Rx；

⑤ 計算SGFR-Rx和MGFR-Rx之間的幀同步偏差信號Δt；

⑥ 根據(jù)幀同步偏差信號Δt，調(diào)整本地發(fā)送的SGFR-Tx信號，使從信關(guān)站接收到的本地幀參考SGFR-Rx和來自主信關(guān)站的MGFR-Rx信號在時間上同步，從而獲得本站的幀同步。

假定從信關(guān)站的SGFR-Tx信號發(fā)送時刻為t1，經(jīng)Δt1時間到達衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)SGFR-Tx信號經(jīng)Δt2時間回到從信關(guān)站，則從信關(guān)站接收SGFR-Rx信號的時刻為t1+Δt1+Δt2，從信關(guān)站接收到來自主信關(guān)站的MGFR-Rx信號的時刻為t2，則饋電鏈路的定時偏差Δt可計算如下：

Δt=[(t1+Δt1+Δt2)-t2]。

從信關(guān)站將其發(fā)送時刻調(diào)整Δt，使接收的SGFR和MGFR兩路信號在衛(wèi)星的天線口面處取得時隙對齊，即取得了與主信關(guān)站的定時同步。

3.2 頻率同步設(shè)計

各信關(guān)站根據(jù)收到的信標信號、本地發(fā)射并接收的GFR(主、從信關(guān)站分別為MGFR、SGFR)信號的標稱頻率和實測頻率，可計算出SRDC和SMDC兩個頻率修正參數(shù)，根據(jù)該頻率誤差，對本地發(fā)送信號進行頻率預(yù)補償，使該信號以指定頻率到達衛(wèi)星天線口，從而獲得全網(wǎng)的頻率同步。

信關(guān)站進行頻率校正的過程如下：

① 運控中心向信關(guān)站傳送名義上的信標下行中心頻率Fbea和GFR發(fā)送中心頻率Fgfr_up，以及衛(wèi)星的名義上的C-C轉(zhuǎn)換頻率Fxlate；

② 信關(guān)站測量實際接收到的信標信號中心頻率Fbea_meas和衛(wèi)星返回的GFR頻率Fgfr_down；

③ 依據(jù)上述步驟中的參數(shù)，信關(guān)站可根據(jù)如下兩個公式計算SRDC和SMDC兩個頻率校正參數(shù)：

Fbea_meas=Fbea(1+SMDC+SRDC+SRDC*SMDC),
Fgfr_down=Fgfr_up(SMDC2+2SMDC+1)+
Fxlate(SMDC*SRDC+SMDC+SRDC+1)。

④ 計算結(jié)束后，將SRDC和SMDC分發(fā)到信關(guān)站各信道單元；

⑤ 信關(guān)站各信道單元通過給名義上的發(fā)送頻率Ftn按下面的公式計算實際的發(fā)送頻率Ftx：

Ftx=Ftn(1+SRDC)/(1+SMDC)。

如此一來，各信關(guān)站的發(fā)送信號到達衛(wèi)星時均能以指定頻率準確地進入到衛(wèi)星信道濾波器的中心位置，從而達到全網(wǎng)的頻率同步。

3.3 幀號同步設(shè)計

運控中心定義系統(tǒng)的幀編號，將某年某月某日0時作為超幀的起始時刻，由此產(chǎn)生系統(tǒng)絕對的幀編號(FN)，并將該幀編號通過地面或C/C站間通信鏈路發(fā)送給所有的信關(guān)站，各信關(guān)站獲得該幀編號，實現(xiàn)系統(tǒng)的幀號同步。

3.4 試驗結(jié)果

基于上述信關(guān)站同步方案，搭建了模擬信關(guān)站同步子系統(tǒng)平臺，測量并計算了24小時內(nèi)模擬信關(guān)站接收到的衛(wèi)星下行信號的多普勒頻移值，利用matblab軟件進行繪圖，其變化曲線如圖6所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，實際測得C頻段饋電鏈路的多普勒頻移系數(shù)可達到10-8量級，能夠滿足系統(tǒng)信關(guān)站同步精度要求。

圖6 模擬信關(guān)站測量的下行多普勒頻移變化率

4 結(jié)束語

在分析我國天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，提出一種主從方式的多信關(guān)站時頻同步方案，在不需要衛(wèi)星發(fā)送載荷同步信號的情況下實現(xiàn)了地面段多個信關(guān)站在饋電鏈路上的同步，從而可以有效減少衛(wèi)星資源占用，減輕多信關(guān)站同步給衛(wèi)星平臺帶來的壓力，降低了系統(tǒng)星載設(shè)備的復雜度。本文的工作可為我國天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)和方案上的支持。