肖 娜，王力男，張慶業(yè),趙建華

(1.中國電子科技集團(tuán)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(dòng)通信系統(tǒng)作為地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的必要補(bǔ)充已成為未來個(gè)人移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)因其系統(tǒng)建設(shè)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)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(hào)衛(wèi)星移動(dòng)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(jī)，并在地面段部署多個(gè)信關(guān)站來管理整個(gè)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(shí)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(duì)一個(gè)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(gè)信關(guān)站同時(shí)運(yùn)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(gè)信關(guān)站的發(fā)送信號(hào)在衛(wèi)星接收天線處嚴(yán)格保持彼此時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且載波頻率嚴(yán)格符合標(biāo)稱值[8]。本文對(duì)典型GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的信關(guān)站同步方案進(jìn)行了研究，并針對(duì)我國天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)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(bǔ)償和定時(shí)校正算法。

1 信關(guān)站同步的基本概念

對(duì)TDMA體制的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，其物理信道是頻率和時(shí)間的組合，是定義在某個(gè)頻率的一段突發(fā)信號(hào)。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(gè)或多個(gè)信道。但在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，衛(wèi)星和用戶運(yùn)動(dòng)[9]、設(shè)備晶體穩(wěn)定度受限會(huì)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(huì)造成時(shí)延抖動(dòng)[10]，在沒有同步控制機(jī)制的情況下，TDMA系統(tǒng)實(shí)際信道會(huì)在時(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)的時(shí)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(duì)饋電鏈路和用戶鏈路上的時(shí)差、頻差進(jìn)行補(bǔ)償和校正，如圖2所示。

圖2 饋電鏈路和用戶鏈路時(shí)差、頻差示意圖

本文重點(diǎn)研究信關(guān)站的時(shí)頻同步技術(shù)，即計(jì)算信關(guān)站在饋電鏈路上的頻率偏差以及多個(gè)信關(guān)站之間的定時(shí)偏差，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償和預(yù)校正[11-12]，從而實(shí)現(xiàn)多信關(guān)站之間的頻率同步和定時(shí)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(jì)的典型GEO衛(wèi)星移動(dòng)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(yùn)行控制中心(SOCC)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制中心(NOCC)、主信關(guān)站和多個(gè)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(jì)，可獨(dú)立運(yùn)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(hào)的同步方式，在地面段NOCC中設(shè)立一個(gè)受GPS定時(shí)校準(zhǔn)的高穩(wěn)定原子鐘，在星載頻率源頻率漂移時(shí)，通過NOCC中的原子鐘對(duì)載荷頻率源進(jìn)行校正，并把不斷修正后的衛(wèi)星時(shí)頻信號(hào)作為全網(wǎng)的同步基準(zhǔn)，通過下發(fā)載荷同步信號(hào)(PSS)將基準(zhǔn)送往地面各信關(guān)站，使得各信關(guān)站的時(shí)鐘和頻率與衛(wèi)星的基準(zhǔn)信號(hào)一致，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)載波和幀定時(shí)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(hào)傳輸關(guān)系如圖3所示。

圖3 Thuraya系統(tǒng)同步信號(hào)傳輸關(guān)系

如圖3所示，SOCC對(duì)衛(wèi)星的軌道位置和漂移速度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果傳送給NOCC，NOCC通過對(duì)衛(wèi)星下發(fā)PSS的不斷測(cè)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(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行修正，當(dāng)誤差超過某一范圍時(shí)，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(zhǔn)命令，控制主振蕩器進(jìn)行頻率修正。

信關(guān)站配備由GPS定時(shí)校準(zhǔn)的高穩(wěn)定度原子鐘，產(chǎn)生用于本地的所有時(shí)間和頻率。同時(shí)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(duì)比，調(diào)整本地的GFR來獲得本站的幀同步。

同時(shí)，信關(guān)站接收NOCC送來的衛(wèi)星多普勒值，計(jì)算衛(wèi)星PSS信號(hào)的真實(shí)頻率，并根據(jù)PSS、環(huán)回GFR兩種信號(hào)的標(biāo)稱頻率和實(shí)際測(cè)得的頻率，計(jì)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(gè)重要參數(shù)，獲得對(duì)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(hào)，NOCC將某年某月某日0時(shí)作為超幀的起始時(shí)刻，由此產(chǎn)生系統(tǒng)絕對(duì)的幀編號(hào)(FN)，NOCC將該幀編號(hào)嵌入網(wǎng)絡(luò)幀參考(NFR)信號(hào)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(hào)同步[14]。

Thuraya系統(tǒng)所采用的基于載荷同步信號(hào)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(diǎn)是對(duì)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(jiǎn)化，但連續(xù)下發(fā)的PSS會(huì)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)帶來較大的壓力，并造成衛(wèi)星資源的浪費(fèi)[15]。

3 基于主從方式的信關(guān)站同步方案設(shè)計(jì)

天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)，可以為車輛、飛機(jī)、船舶和個(gè)人等移動(dòng)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(yùn)控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成。運(yùn)控系統(tǒng)集成了衛(wèi)星業(yè)務(wù)測(cè)控功能和通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理功能，主要由標(biāo)校站、測(cè)控站、應(yīng)用管理中心、決策支持中心組成，用于對(duì)衛(wèi)星有效載荷和通信網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)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(chǎng)景中數(shù)據(jù)和話音等通信需求。

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

根據(jù)天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中多信關(guān)站在運(yùn)控中心統(tǒng)一管理下共享衛(wèi)星資源、獨(dú)立組網(wǎng)應(yīng)用的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用主從同步方式，以一指定信關(guān)站的時(shí)鐘為基準(zhǔn)[17]，其他信關(guān)站的時(shí)鐘則與之同步，形成統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)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(biāo)信號(hào)計(jì)算頻率偏差，進(jìn)行補(bǔ)償；同時(shí)由運(yùn)控中心定義系統(tǒng)的幀編號(hào)，并將系統(tǒng)絕對(duì)的幀編號(hào)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幀號(hào)同步。

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

圖4 天通一號(hào)系統(tǒng)同步信號(hào)傳輸關(guān)系

3.1 定時(shí)同步設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，運(yùn)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(yùn)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(shí)設(shè)備，定時(shí)設(shè)備實(shí)時(shí)接收北斗/GPS的1 pps和TOD信息，通過對(duì)比，不斷校正站內(nèi)的原子鐘，使其時(shí)基同步到高精度的北斗/GPS授時(shí)系統(tǒng)的1 pps信號(hào)上，用于本地的發(fā)射時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)，通過發(fā)送主信關(guān)站幀參考(MGFR)信號(hào)為全網(wǎng)提供時(shí)間同步。MGFR信號(hào)是主信關(guān)站連續(xù)發(fā)送的一個(gè)重復(fù)的比特序列，用以標(biāo)示幀的起始位置。從信關(guān)站幀參考(SGFR)信號(hào)是從信關(guān)站入網(wǎng)時(shí)用于輔助調(diào)整本站幀同步的一個(gè)突發(fā)信號(hào)。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(hào)和主信關(guān)站發(fā)送的MGFR信號(hào)，通過對(duì)比兩者之間的時(shí)間關(guān)系，調(diào)整本地發(fā)送的SGFR信號(hào)來獲得本站的幀同步。從信關(guān)站定時(shí)同步如圖5所示，其同步過程包括：

圖5 信關(guān)站定時(shí)同步原理

① 從信關(guān)站向運(yùn)控中心申請(qǐng)SGFR信號(hào)的初始參數(shù)；

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

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

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(hào)MGFR-Rx信號(hào)，以及收到本地幀參考SGFR-Rx；

⑤ 計(jì)算SGFR-Rx和MGFR-Rx之間的幀同步偏差信號(hào)Δt；

⑥ 根據(jù)幀同步偏差信號(hào)Δt，調(diào)整本地發(fā)送的SGFR-Tx信號(hào)，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(hào)在時(shí)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(hào)發(fā)送時(shí)刻為t1，經(jīng)Δt1時(shí)間到達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)SGFR-Tx信號(hào)經(jīng)Δt2時(shí)間回到從信關(guān)站，則從信關(guān)站接收SGFR-Rx信號(hào)的時(shí)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(hào)的時(shí)刻為t2，則饋電鏈路的定時(shí)偏差Δt可計(jì)算如下：

Δt=[(t1+Δt1+Δt2)-t2]。

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

3.2 頻率同步設(shè)計(jì)

各信關(guān)站根據(jù)收到的信標(biāo)信號(hào)、本地發(fā)射并接收的GFR(主、從信關(guān)站分別為MGFR、SGFR)信號(hào)的標(biāo)稱頻率和實(shí)測(cè)頻率，可計(jì)算出SRDC和SMDC兩個(gè)頻率修正參數(shù)，根據(jù)該頻率誤差，對(duì)本地發(fā)送信號(hào)進(jìn)行頻率預(yù)補(bǔ)償，使該信號(hào)以指定頻率到達(dá)衛(wèi)星天線口，從而獲得全網(wǎng)的頻率同步。

信關(guān)站進(jìn)行頻率校正的過程如下：

① 運(yùn)控中心向信關(guān)站傳送名義上的信標(biāo)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(cè)量實(shí)際接收到的信標(biāo)信號(hào)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(gè)公式計(jì)算SRDC和SMDC兩個(gè)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(jì)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(jì)算實(shí)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(hào)到達(dá)衛(wèi)星時(shí)均能以指定頻率準(zhǔn)確地進(jìn)入到衛(wèi)星信道濾波器的中心位置，從而達(dá)到全網(wǎng)的頻率同步。

3.3 幀號(hào)同步設(shè)計(jì)

運(yùn)控中心定義系統(tǒng)的幀編號(hào)，將某年某月某日0時(shí)作為超幀的起始時(shí)刻，由此產(chǎn)生系統(tǒng)絕對(duì)的幀編號(hào)(FN)，并將該幀編號(hào)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(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幀號(hào)同步。

3.4 試驗(yàn)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(tái)，測(cè)量并計(jì)算了24小時(shí)內(nèi)模擬信關(guān)站接收到的衛(wèi)星下行信號(hào)的多普勒頻移值，利用matblab軟件進(jìn)行繪圖，其變化曲線如圖6所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，實(shí)際測(cè)得C頻段饋電鏈路的多普勒頻移系數(shù)可達(dá)到10-8量級(jí)，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(cè)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(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種主從方式的多信關(guān)站時(shí)頻同步方案，在不需要衛(wèi)星發(fā)送載荷同步信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)了地面段多個(gè)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(tái)帶來的壓力，降低了系統(tǒng)星載設(shè)備的復(fù)雜度。本文的工作可為我國天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)和方案上的支持。