GEO衛星移動通信系統的多信關站同步技術

肖 娜，王力男，張慶業,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

衛星移動通信系統作為地面移動通信系統的必要補充已成為未來個人移動通信發展的重要方向，而采用大型可展開天線的GEO多波束衛星移動通信系統因其系統建設簡單等優勢得到了廣泛應用[1]，典型系統有亞洲蜂窩衛星系統(ACeS)、瑟拉亞衛星系統(Thuraya)和天通一號衛星移動通信系統等，其多采用FDMA/TDMA技術體制[2]，支持衛星/地面雙模手機，并在地面段部署多個信關站來管理整個衛星通信網絡，向用戶提供話音、短信、數據等各類通信業務，實現系統和其他網絡(如PSTN和PLMN)的互聯互通[3-4]。

對一個多波束、多載波的TDMA衛星通信系統來說，良好的系統同步是其可靠工作的前提[5-8]，尤其在多個信關站同時運行的情況下，保證多信關站之間的同步工作至關重要，即要求多個信關站的發送信號在衛星接收天線處嚴格保持彼此時間的對應關系，且載波頻率嚴格符合標稱值[8]。本文對典型GEO衛星移動通信系統的信關站同步方案進行了研究，并針對我國天通一號衛星移動通信系統不發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站同步方案，給出了頻偏補償和定時校正算法。

1 信關站同步的基本概念

對TDMA體制的衛星移動通信系統而言，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信號。在理想情況下，TDMA系統的信道是互不重疊的，用戶根據業務類型可占據一個或多個信道。但在系統實際運行中，衛星和用戶運動[9]、設備晶體穩定度受限會帶來多普勒頻移和頻率漂移，各地面設備與衛星距離差異以及衛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系統實際信道會在時間和頻率上發生重疊，如圖1所示。

圖1 TDMA系統物理信道示意圖

衛星移動通信系統的時差、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在信關站側和終端側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

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

2 常用信關站同步技術

國際上采用多信關站設計的典型GEO衛星移動通信系統主要有Thuraya等系統。

Thuraya系統地面段主要由衛星運行控制中心(SOCC)、網絡運行控制中心(NOCC)、主信關站和多個區域信關站組成[13]，區域信關站基于主信關站設計，可獨立運作，并通過衛星和其他區域信關站相連。

Thuraya系統采用基于載荷同步信號的同步方式，在地面段NOCC中設立一個受GPS定時校準的高穩定原子鐘，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星時頻信號作為全網的同步基準，通過下發載荷同步信號(PSS)將基準送往地面各信關站，使得各信關站的時鐘和頻率與衛星的基準信號一致，實現全網載波和幀定時同步[14]。

Thuraya系統中各組成部分之間用于系統同步的信號傳輸關系如圖3所示。

圖3 Thuraya系統同步信號傳輸關系

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

信關站配備由GPS定時校準的高穩定度原子鐘，產生用于本地的所有時間和頻率。同時信關站接收衛星轉發本站發送的GFR和衛星下發的PSS，通過對比，調整本地的GFR來獲得本站的幀同步。

同時，信關站接收NOCC送來的衛星多普勒值，計算衛星PSS信號的真實頻率，并根據PSS、環回GFR兩種信號的標稱頻率和實際測得的頻率，計算出衛星參考主振蕩器頻偏校正(SRDC)和衛星多普勒頻率校正(SMDC)兩個重要參數，獲得對頻偏的修正值，并用該值修正發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，由此產生系統絕對的幀編號(FN)，NOCC將該幀編號嵌入網絡幀參考(NFR)信號中，并通過衛星C-C透明轉發器發送給所有的信關站。信關站接收衛星轉發的下行NFR，從中提取FN值，由此獲得幀號同步[14]。

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

3 基于主從方式的信關站同步方案設計

天通一號衛星移動通信系統是我國自主建設的第一代大容量、軍民共用的GEO衛星移動通信系統，可以為車輛、飛機、船舶和個人等移動用戶提供話音、短信、數據等通信服務[16]。系統地面段主要由運控系統和應用系統組成。運控系統集成了衛星業務測控功能和通信網絡運行管理功能，主要由標校站、測控站、應用管理中心、決策支持中心組成，用于對衛星有效載荷和通信網的運行進行統一管理。應用系統主要由信關站、業務管理站、各類衛星終端構成，用于保障各種應用場景中數據和話音等通信需求。

天通一號衛星移動通信系統支持多個信關站同時工作，各信關站的發送信號到達衛星需要嚴格同步。但受星上設備復雜性和重量限制，天通一號衛星移動通信系統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時頻同步的PSS信號，因此，需要開展適用于我國自主衛星移動通信系統的信關站同步方案設計。

根據天通一號衛星移動通信系統中多信關站在運控中心統一管理下共享衛星資源、獨立組網應用的特點，系統采用主從同步方式，以一指定信關站的時鐘為基準[17]，其他信關站的時鐘則與之同步，形成統一的系統時鐘；各信關站再根據接收自己發送的幀參考序列和衛星下發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的幀編號，并將系統絕對的幀編號通過地面鏈路或衛星C-C轉發器發送給所有的信關站，實現系統的幀號同步。

天通一號衛星移動通信系統中各組成部分之間用于系統同步的信號傳輸關系如圖4所示。

圖4 天通一號系統同步信號傳輸關系

3.1 定時同步設計

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

圖5 信關站定時同步原理

① 從信關站向運控中心申請SGFR信號的初始參數；

② 運控中心為從信關站分配一個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送SGFR-Tx信號；

④ 從信關站接收衛星轉發的主信關站發送的幀參考信號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 根據幀同步偏差信號Δt，調整本地發送的SGFR-Tx信號，使從信關站接收到的本地幀參考SGFR-Rx和來自主信關站的MGFR-Rx信號在時間上同步，從而獲得本站的幀同步。

假定從信關站的SGFR-Tx信號發送時刻為t1，經Δt1時間到達衛星，衛星轉發SGFR-Tx信號經Δt2時間回到從信關站，則從信關站接收SGFR-Rx信號的時刻為t1+Δt1+Δt2，從信關站接收到來自主信關站的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]。

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

3.2 頻率同步設計

各信關站根據收到的信標信號、本地發射并接收的GFR(主、從信關站分別為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，根據該頻率誤差，對本地發送信號進行頻率預補償，使該信號以指定頻率到達衛星天線口，從而獲得全網的頻率同步。

信關站進行頻率校正的過程如下：

① 運控中心向信關站傳送名義上的信標下行中心頻率Fbea和GFR發送中心頻率Fgfr_up，以及衛星的名義上的C-C轉換頻率Fxlate；

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

③ 依據上述步驟中的參數，信關站可根據如下兩個公式計算SRDC和SMDC兩個頻率校正參數：

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

④ 計算結束后，將SRDC和SMDC分發到信關站各信道單元；

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

Ftx=Ftn(1+SRDC)/(1+SMDC)。

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

3.3 幀號同步設計

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

3.4 試驗結果

基于上述信關站同步方案，搭建了模擬信關站同步子系統平臺，測量并計算了24小時內模擬信關站接收到的衛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。經過數據分析，實際測得C頻段饋電鏈路的多普勒頻移系數可達到10-8量級，能夠滿足系統信關站同步精度要求。

圖6 模擬信關站測量的下行多普勒頻移變化率

4 結束語

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