一種Inmarsat衛星通信系統下行鏈路初始同步方法*

謝永鋒，吳 仡，王曉洪

（1.中電科航空電子有限公司，四川 成都 611731；2.成都天奧信息科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

Inmarsat衛星通信系統以地球同步軌道衛星為中繼，實現除兩極以外的全球范圍內的穩定可靠通信，可提供語音、數據、短信等服務。Inmarsat衛星系統目前已經發展到了第五代，目前在全球范圍內應用最廣的是第四代星。Inmarsat第四代星是寬帶和窄帶集成一體的系統，寬帶系統是BGAN系統，窄帶系統為GSP/GSPS系統，窄帶系統通信協議采用歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI） 的GMR-2/GMR-2+協議。

Inmarsat第四代星系統主要由空間段、地面段及移動終端（Mobile Earth Station，MES）組成。其中，空間段由3+1對地靜止衛星組成，地面段由地面關口站（GateWay，GW）和網絡控制中心（Network Control Centre，NCC）組成。

Inmarsat系統中，MES終端開機后要搜索信號完成下行鏈路頻率同步和時間同步后，才能正確解析衛星網絡廣播的信息并接入系統。但是，由于實際通信過程中會存在干擾信號影響初始同步，在干擾嚴重的情況下將嚴重影響終端入網，甚至無法入網，導致終端無法工作。為此，本文根據Inmarsat衛星系統的特點，提出了一種下行鏈路初始同步方法。目前，采用該方案的海事衛星通信終端已經工程化并得到廣泛應用，應用結果表明該方法穩定可靠，可保證終端快速入網。

1 GMR-2協議概述

Inmarsat第四代星系統窄帶系統采用GMR-2協議[1]，為時分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）+頻分多址（Frequency Division Multiple Address，FDMA）的工作方式。上行鏈路為終端到衛星，調制方式為GMSK調制；下行鏈路為衛星到終端，調制方式為OQPSK調制。

1.1 TDMA時幀與突發

GMR-2協議中規定[1]，TDMA幀（frame）由8個連續的時隙組成。TDMA幀號以2 715 648個TDMA幀為周期循環編號，每個周期為一個超級幀，一個超級幀由2 048個超幀組成。超幀按照業務類型的不同，分為26幀為周期的業務復幀和51幀為周期的控制復幀。

在每個時隙中，信號以突發脈沖（burst）的形式發送。系統中主要的突發脈沖有普通突發（Normal Burst，NB）、同步突發脈沖序列（Synchronization Burst，SB）、接入突發脈沖序列（Access Burst，AB）以及高裕量突發（High Margin Burst or M-Sequence Burst，HMB）。其中，HMB用于MES的時間和頻率同步，它的突發信號強度比普通突發脈沖要大，傳輸的是142 bit自相關性非常好的序列。

1.2 邏輯信道和控制復幀結構

與GSM系統類似[2]，GMR-2系統的邏輯信道是按信道上傳遞的內容進行分類，分成業務信道（話音、數據等）和控制信道（信令）。其中，控制信道（Control Channel，CCH）包括廣播信道（Broadcast Channel，BCCH）、公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）和專用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）等，而廣播信道包括高裕量同步信道（High Margin SynchronizationChannel，HMSCH）、同步信道（Synchronization Channel，SCH）及廣播信道（Broadcast Channel，BCCH）等。

在GMR-2系統中，系統在每個波束內通過廣播信道周期按照周期為51幀的控制復幀播發系統相關信息。在控制復幀中，各邏輯信道的位置固定并且循環，其循環結構如圖1所示。

圖1 一個控制復幀循環結構

1.3 MES終端同步過程

MES終端接入到衛星系統的同步過程分為4個階段。

（1）MES開機后，首先搜索衛星廣播的HMSCH信道，與NCC之間建立時間和頻率同步，完成初始同步；

（2）隨后解析同步信道（Synchronization Channel，SCH）的信息，完成下行鏈路同步；

（3）解析BCCH信道上的相關信息，完成上行鏈路的同步，可進行入網注冊；

（4）在入網注冊或通信過程中，通過系統側的SACCH傳送的信令交換實現實時校正微同步。

通過以上步驟，MES終端與衛星系統建立了同步，可以進行實時信令交互、語音通信等過程。

所以，MES下行鏈路初始同步是MES入網和正常工作過程中的重要步驟。

2 下行鏈路初始同步技術的方案

在海事衛星通信系統中，HMSCH信道的特點是突發信號強度大，傳輸的是142 bit自相關性非常好的序列，用于MES進行時間和頻率同步。由于實際環境中存在各類干擾信號及終端載體本身運動產生的頻率偏移對同步過程會產生較大影響，提出了一種穩定可靠、抗干擾強的下行鏈路初始同步方法。

2.1 下行鏈路的頻率同步的實現

在尋找HMSCH信道進行下行同步的過程中，由于本地晶振的偏移等因素，需要計算頻率偏移值并調整本地接收頻率實現頻率同步。計算頻偏估計與校正的原理，如圖2所示。

圖2 頻偏估計與校正原理

它的計算推導過程如下。

MES接收到的基帶信號可以表示為[5]：

其中rk表示接收端接收到的信號，sk表示發送端發送的信號，ej·2π·Δf·k·T表示信號在信道傳輸過程中疊加上的頻偏，Irk表示接收端復信號rk的同相分量，Qrk表示接收端復信號rk的正交分量。

式（1）中的sk又可表示為：

其中Isk表示發射端復信號sk的同相分量，Qsk表示發射端復信號sk的正交分量。

HMSCH信道信號發射的符號是固定的，在接收端將這些已知符號保存在本地，同時通過產生相關峰的位置可以將本地符號序列與接收信號序列對齊。式（9）的左邊即為接收第k個符號時計算出的相位誤差，連續接收N個點就可得到連續N個接收符號所對應的相位誤差曲線，求此曲線的斜率即為頻率偏移值。

利用計算的頻率偏移值調整本地接收頻率，消除接收信號中存在的頻偏，實現頻率同步，保障接收信號的頻率準確。

2.2 下行鏈路時間同步

下行鏈路初始同步最重要的一步是時間同步，即確定HMSCH信道在TDMA控制復幀中的位置。由于系統是FDMA系統，不僅在HMSCH信道上會出現HMB類型信號，在相同接收頻點上的其他類型信道上也可能出現HMB類型信號，同時其他同頻波束的HMSCH信號可能會泄露到本波束。這些因素都可能導致對本地波束HMSCH信道信號真實位置的誤判，從而影響同步的準確性和速度，甚至造成初始同步失敗。

步驟1：通過接收信號的強度判斷方式排除干擾信號的影響，因為這些干擾信號雖然突發類型都和本地波束的HMSCH信道信號相同，但是其信號強度都比本地波束的HMSCH信道信號弱，同時在一個復幀循環內必然會出現一次HMSCH信道信號，所以找到一個復幀循環內信號強度最大的HMB類型信號，即找到了本地波束HMSCH信道信號的可能真實位置。

步驟2：在一個復幀循環內對HMB類型信號進行相關，并計算每次相關到的信號強度，記錄信號強度最大的HMB類型信號位置。記錄的位置為起點，計時一個復幀循環的時間，對下個復幀循環中相同位置的信號進行HMB類型信號相關，若產生相關峰則認為此位置有效。

步驟3：驗證HMSCH的位置，通過TDMA復幀結構的SCH信道和BCCH信道判斷是否正確。

從控制復幀的結構可以看出，SCH信道信號位于HMSCH之后的間隔1幀時間的位置上，由相關峰位置可以得出SCH信號訓練序列起始位置，從此位置開始對接收信號進行SB類型信號相關，若產生相關峰，則確認初始同步起點位置的可信性。

同樣，BCCH信道信號位于SCH之后的間隔1幀、2幀、3幀以及4幀時間的位置上，若全部產生相關峰，則確認初始同步起點位置的可信性。

將產生相關峰的信號起點位置判定為一個復幀循環的起始位置，至此完成初始下行同步。

2.3 下行鏈路初始同步實現流程

下行鏈路初始同步方法實現流程[4]，如圖3所示。

圖3 下行鏈路初始同步處理流程

步驟1：對所有狀態復位，本地存儲142 bit的訓練序列，啟動一個定時器計時一個51復幀的時間；

步驟2：判斷在一個復幀時間內是否相關到HMB信號；

步驟3：若相關到HMB信號，將幾次的信號進行對比，記錄信號強度最大的為HMB；循環幾次，若每次相關到HMB位置在復幀結構中位置固定，則確定HMB的位置，進入步驟4，否則返回步驟1；

步驟4：將本地存儲142 bit的訓練序列和相關的HMB類型信號進行頻偏值計算，頻偏值用來調整本地接收頻率，實現頻率同步；

步驟5：以步驟3中確定的相關峰的信號起始點為起點，推后1幀時間的位置進行SB類型信號相關，若產生相關峰，進入步驟6，否則返回到步驟1；

步驟6：以步驟5中確定的相關峰為起點，分別推后1～4幀時間進行NB類型信號相關，若4處都產生相關峰，則進入步驟7，否則返回步驟1；

步驟7：完成下行鏈路初始同步。

3 測試結果

衛星通信系統是時分復用（Time Division Multiple Address，TDMA）系統，系統對時間同步技術要求嚴格，本地同步計數精度要求至少為0.9 μs。為此，在FPGA平臺上實現下行鏈路同步算法，FPGA選用Xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX75。同時，為保證頻率穩定，選擇精度為0.1 ppm的晶振。

在靜止和運動的環境下，對終端的入網時間和入網成功率進行測試，結果如表1所示。

表1 測試數據表

目前，應用該算法研制的海事衛星通信終端已經大規模應用，入網速度和入網成功率都優于其他廠家同類型產品。

4 結 語

Inmarsat衛星通信系統是目前全球范圍內應用最廣的衛星系統之一，MES與衛星系統之間通信的重要一步是找到HMSCH信道，實現下行鏈路初始同步，隨后MES需與網絡完成幀同步、時隙同步以及上行接入同步等。同步技術是TDMA系統的核心和關鍵，對國外成熟衛星系統相關技術的研究，對我國自主研制的天通一號衛星系統產品的設計具有重要的參考意義。