多波束卫星移动通信系统星地一体化时钟同步方法

张生玥

摘要：作为全球网络通信的主要传输手段，卫星移动通信在军用及民用领域都发挥着重要的作用。多波束卫星移动通信系统最大化地利用了珍贵的频率资源，允许大容量的用户接入，同时建设多关口站能满足军民共用的需求，扩大卫星覆盖的范围，但也带来了系统时间同步的问题。本文提出了多波束卫星移动通信系统星地一体化时钟同步方法，能够有效地解决用户和关口站以及多关口站之间的时间同步需求。

关键词：卫星移动通信；时钟同步；同步技术

一、系统同步要求

多波束卫星移动通信系统要求整个系统（包括地球站、多关口站等）都在同一个时间基准下运行，时间基准的颗粒度直接影响到系统的稳定性。卫星小倾角运动带来链路延时的周期性漂移，系统需要精细估计并跟踪此延迟，并对系统时间基准进行校正，跟踪的误差影响系统的定时误差，并直接反应到系统的收发信号误差。

多關口站前向链路共用一个广播信道载波，所以要求多关口站进行时间同步，以保证其到达卫星天线入口端的时刻严格同步。

终端由于运动速度、地理位置以及设备晶振稳定度不同带来信号发送和接收的时间差异，在系统中要加以修正来提高通信质量。

二、星地同步方法

卫星小倾角扭“8”字运动会带来星地之间的链路延迟随着时间周期性变化，关口站可以通过如下的机制对星地延迟进行跟踪。

1）发送一个连续同步信号TS（TimingSignal），该信号携带有帧号和独特字。

2）捕获该TS信号，并解调信号得到系统帧号和接收时间。

3）通过比较发送连续同步信号的时间和接收同步信号的时间差，去掉固定器件延迟，得到整个链路的延迟。

4）跟踪该延时的变化量Dn，并用该变化量修正接收帧的时刻，如图1。

变化量Dn值反应了卫星扭“8”字带来的时延差，通过修正关口站的收时刻来补偿该时延差带来的影响，设计同步连续信号的格式和运用相关的解调估计算法，可以使得Dn的估计精度达到微秒量级。

三、多关口站的定时同步

为了增大卫星的覆盖范围以及抗灾抗毁，多关口站一般都异址建设，关口站处于不同的地理位置，与卫星之间的距离也有所差别。前向信号发送到卫星有时延差，不同的时延差会造成终端接收到的信号不能严格满足系统的时间规划要求，造成终端接收信号的混乱无序，同样终端发射信号，关口站收时也存在信号出现重叠，相互间干扰的问题，因此需要解决整星覆盖区域内多关口站发射信号在入星点一致。为了达到这个目的，可采用如下的方法：

1）主信关站按照上节所述发送主同步信号TS。

2）从信关接收该主同步信号TS，接收到该TS信号后，将该TS信号作为TS信号发送至卫星。

3）通过接收该信号，从信关站能够测算出从信关站所在地的卫星链路延迟B。

主站发送的信号到达卫星天线入口端的时间为Ta+A（其中Ta为主站发送TS信号的时刻），从站在接收到主站发送的Ts信号基础上向前调整2B，然后经过前向链路延迟B发送到卫星的入口端，此时总的延时为Ta+2A-2B+B=Ta+A+（A-B），前面一部分（Ta+A）为主站的链路延时，后面（A-B）为从站与主站的链路延时差，可满足到卫星天线入口端的信号对齐。

四、关口站与终端之间的定时同步

终端距离波束中心点位置不同，运动速度不同，设备内部的时钟晶振稳定度也不相同，信号到达卫星的时间也有所差别。为了修正上述几点在系统使用中的影响，在关口站完成对于卫星链路延迟的跟踪和帧边界的校正以后，终端可通过下述方法与关口站进行系统同步：

初始接人模式下的同步：

1）终端进入初始接入模式以后，为保证接入突发能够落到指定的卫星定时窗口之内，终端通过广播信道获取关口站发送该波束的定时传输因子T0，以此来确定其发送时刻，T0是系统根据每一个点波束中心所在位置预先计算出来的一个偏移值，在返向发送的接人请求信道上修正该因子，就完成了终端与关口站的粗对齐。

2）由于终端相对波束中心点位置不同，返向链路的延迟是在波束中心点定时传输因子（T0）的基础上叠加了一个由于位置因素引起的时差，关口站在接收到终端发送的接人请求信号后，计算出终端位置与波束中心位置差所带来的路径往返延时差为2ITu-T0]，在接人允许信道中将该定时校正（TC=2[Tu-T0]）发送给终端。关口站要通过开一定的接收窗口来满足不同地理位置终端发送的接人请求信号都能被关口站接收到。

3）终端将返向信道的发送时刻延迟2[Tu-T0]时刻，可实现终端上行链路的时刻同步。

呼叫过程中的定时同步：

1）终端接收机定时由内部时基生成，在呼叫过程中，由于用户的移动和终端晶振稳定度，终端相对于原始定时参考偏移了△rrU=△T，+△T，其中△T是由于终端内部晶振的漂移带来的定时漂移，△T是由于终端位置改变带来的定时漂移。

2）终端发射机以接收机定时为参考，终端发射机同样偏移了ATU。

3）上行信号经过传播延迟Tu+ATu2后到达卫星的时间与原来相比偏移了△T+2△T。

4）关口站检测终端上行信号实际到达的时刻与期望到达的时刻偏移，如果检测到的△T+2△T超过了预设的阀值，那么就将该偏移以链路校正消息的形式通过随路信道下发给终端。

5）终端收到定时校正消息以后，将发射机定时偏移△T+2△T，该定时校正过程以预设的调整速率*校正值逐渐进行调整。

通过初始接人模式和呼叫过程中的定时同步，可以使得终端终端发送时刻到达卫星的时刻与期望时刻相同。

结语

多波束卫星移动通信系统需要多关口站、关口站与终端之间做到严格的时间同步。现有技术和方法的主要缺点是不适用于多点波束下的主站和小站定时同步以及主站和从站之间的定时同步，另外对于主站和小站之间的同步多依靠自身器件对于定时的估计而没有利用系统流程来进行整体的同步规划。本文提供了一种多波束卫星移动通信系统星地一体化时钟同步方法，着力解决了卫星小倾角运动、多关口站、关口站与卫星终端之间的同步问题。