GEO卫星移动通信系统的多信关站同步技术

肖 娜，王力男，张庆业,赵建华

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;2.河北省武安市水利局，河北 武安 056300)

0 引言

卫星移动通信系统作为地面移动通信系统的必要补充已成为未来个人移动通信发展的重要方向，而采用大型可展开天线的GEO多波束卫星移动通信系统因其系统建设简单等优势得到了广泛应用[1]，典型系统有亚洲蜂窝卫星系统(ACeS)、瑟拉亚卫星系统(Thuraya)和天通一号卫星移动通信系统等，其多采用FDMA/TDMA技术体制[2]，支持卫星/地面双模手机，并在地面段部署多个信关站来管理整个卫星通信网络，向用户提供话音、短信、数据等各类通信业务，实现系统和其他网络(如PSTN和PLMN)的互联互通[3-4]。

对一个多波束、多载波的TDMA卫星通信系统来说，良好的系统同步是其可靠工作的前提[5-8]，尤其在多个信关站同时运行的情况下，保证多信关站之间的同步工作至关重要，即要求多个信关站的发送信号在卫星接收天线处严格保持彼此时间的对应关系，且载波频率严格符合标称值[8]。本文对典型GEO卫星移动通信系统的信关站同步方案进行了研究，并针对我国天通一号卫星移动通信系统不发送载荷帧同步序列这一特殊情况，提出了一种具有可行性的基于主从方式的信关站同步方案，给出了频偏补偿和定时校正算法。

1 信关站同步的基本概念

对TDMA体制的卫星移动通信系统而言，其物理信道是频率和时间的组合，是定义在某个频率的一段突发信号。在理想情况下，TDMA系统的信道是互不重叠的，用户根据业务类型可占据一个或多个信道。但在系统实际运行中，卫星和用户运动[9]、设备晶体稳定度受限会带来多普勒频移和频率漂移，各地面设备与卫星距离差异以及卫星漂移会造成时延抖动[10]，在没有同步控制机制的情况下，TDMA系统实际信道会在时间和频率上发生重叠，如图1所示。

图1 TDMA系统物理信道示意图

卫星移动通信系统的时差、频差在馈电链路和用户链路上普遍存在，但由于2种链路的工作频段和工作方式均不相同，因此可通过同步技术在信关站侧和终端侧分别对馈电链路和用户链路上的时差、频差进行补偿和校正，如图2所示。

图2 馈电链路和用户链路时差、频差示意图

本文重点研究信关站的时频同步技术，即计算信关站在馈电链路上的频率偏差以及多个信关站之间的定时偏差，并对其进行补偿和预校正[11-12]，从而实现多信关站之间的频率同步和定时同步。

2 常用信关站同步技术

国际上采用多信关站设计的典型GEO卫星移动通信系统主要有Thuraya等系统。

Thuraya系统地面段主要由卫星运行控制中心(SOCC)、网络运行控制中心(NOCC)、主信关站和多个区域信关站组成[13]，区域信关站基于主信关站设计，可独立运作，并通过卫星和其他区域信关站相连。

Thuraya系统采用基于载荷同步信号的同步方式，在地面段NOCC中设立一个受GPS定时校准的高稳定原子钟，在星载频率源频率漂移时，通过NOCC中的原子钟对载荷频率源进行校正，并把不断修正后的卫星时频信号作为全网的同步基准，通过下发载荷同步信号(PSS)将基准送往地面各信关站，使得各信关站的时钟和频率与卫星的基准信号一致，实现全网载波和帧定时同步[14]。

Thuraya系统中各组成部分之间用于系统同步的信号传输关系如图3所示。

图3 Thuraya系统同步信号传输关系

如图3所示，SOCC对卫星的轨道位置和漂移速度进行测量，并将测量结果传送给NOCC，NOCC通过对卫星下发PSS的不断测量，来判断星载主振荡器的频率误差，结合SOCC发送来的卫星位置和速度值，对测量误差进行修正，当误差超过某一范围时，NOCC向SOCC发送频率修正指令，SOCC向星载主振荡器发送校准命令，控制主振荡器进行频率修正。

信关站配备由GPS定时校准的高稳定度原子钟，产生用于本地的所有时间和频率。同时信关站接收卫星转发本站发送的GFR和卫星下发的PSS，通过对比，调整本地的GFR来获得本站的帧同步。

同时，信关站接收NOCC送来的卫星多普勒值，计算卫星PSS信号的真实频率，并根据PSS、环回GFR两种信号的标称频率和实际测得的频率，计算出卫星参考主振荡器频偏校正(SRDC)和卫星多普勒频率校正(SMDC)两个重要参数，获得对频偏的修正值，并用该值修正发射载波和接收载波的频率，获得本站的频率同步。

此外，由NOCC定义系统的帧编号，NOCC将某年某月某日0时作为超帧的起始时刻，由此产生系统绝对的帧编号(FN)，NOCC将该帧编号嵌入网络帧参考(NFR)信号中，并通过卫星C-C透明转发器发送给所有的信关站。信关站接收卫星转发的下行NFR，从中提取FN值，由此获得帧号同步[14]。

Thuraya系统所采用的基于载荷同步信号的信关站同步方案是现在较为普遍采用的技术之一，这种技术的优点是对于地面信关站保持同步所需要的硬件可以最大限度地简化，但连续下发的PSS会对卫星平台带来较大的压力，并造成卫星资源的浪费[15]。

3 基于主从方式的信关站同步方案设计

天通一号卫星移动通信系统是我国自主建设的第一代大容量、军民共用的GEO卫星移动通信系统，可以为车辆、飞机、船舶和个人等移动用户提供话音、短信、数据等通信服务[16]。系统地面段主要由运控系统和应用系统组成。运控系统集成了卫星业务测控功能和通信网络运行管理功能，主要由标校站、测控站、应用管理中心、决策支持中心组成，用于对卫星有效载荷和通信网的运行进行统一管理。应用系统主要由信关站、业务管理站、各类卫星终端构成，用于保障各种应用场景中数据和话音等通信需求。

天通一号卫星移动通信系统支持多个信关站同时工作，各信关站的发送信号到达卫星需要严格同步。但受星上设备复杂性和重量限制，天通一号卫星移动通信系统不具备对星载频率源的校正功能，且星上载荷不提供用于全网时频同步的PSS信号，因此，需要开展适用于我国自主卫星移动通信系统的信关站同步方案设计。

根据天通一号卫星移动通信系统中多信关站在运控中心统一管理下共享卫星资源、独立组网应用的特点，系统采用主从同步方式，以一指定信关站的时钟为基准[17]，其他信关站的时钟则与之同步，形成统一的系统时钟；各信关站再根据接收自己发送的帧参考序列和卫星下发的馈电链路信标信号计算频率偏差，进行补偿；同时由运控中心定义系统的帧编号，并将系统绝对的帧编号通过地面链路或卫星C-C转发器发送给所有的信关站，实现系统的帧号同步。

天通一号卫星移动通信系统中各组成部分之间用于系统同步的信号传输关系如图4所示。

图4 天通一号系统同步信号传输关系

3.1 定时同步设计

根据系统特点，运控中心指定某一信关站为主信关站，其余信关站为从信关站。运控中心和各信关站内均配备高稳定的原子钟和北斗/GPS定时设备，定时设备实时接收北斗/GPS的1 pps和TOD信息，通过对比，不断校正站内的原子钟，使其时基同步到高精度的北斗/GPS授时系统的1 pps信号上，用于本地的发射时间和频率参考。而主信关站的高稳定原子钟是全网的时间基准，通过发送主信关站帧参考(MGFR)信号为全网提供时间同步。MGFR信号是主信关站连续发送的一个重复的比特序列，用以标示帧的起始位置。从信关站帧参考(SGFR)信号是从信关站入网时用于辅助调整本站帧同步的一个突发信号。它设置在C频段，经载荷C频段透明转发器后本信关站接收。各从信关站接收卫星转发本站发送的SGFR信号和主信关站发送的MGFR信号，通过对比两者之间的时间关系，调整本地发送的SGFR信号来获得本站的帧同步。从信关站定时同步如图5所示，其同步过程包括：

图5 信关站定时同步原理

① 从信关站向运控中心申请SGFR信号的初始参数；

② 运控中心为从信关站分配一个C-C的载波频率，用于SGFR初始化，该分配包括频率和时隙信息；

③ 本地时钟参考单元为从信关站提供频率和时间参考信号，并在分配的初始频率和时隙上发送SGFR-Tx信号；

④ 从信关站接收卫星转发的主信关站发送的帧参考信号MGFR-Rx信号，以及收到本地帧参考SGFR-Rx；

⑤ 计算SGFR-Rx和MGFR-Rx之间的帧同步偏差信号Δt；

⑥ 根据帧同步偏差信号Δt，调整本地发送的SGFR-Tx信号，使从信关站接收到的本地帧参考SGFR-Rx和来自主信关站的MGFR-Rx信号在时间上同步，从而获得本站的帧同步。

假定从信关站的SGFR-Tx信号发送时刻为t1，经Δt1时间到达卫星，卫星转发SGFR-Tx信号经Δt2时间回到从信关站，则从信关站接收SGFR-Rx信号的时刻为t1+Δt1+Δt2，从信关站接收到来自主信关站的MGFR-Rx信号的时刻为t2，则馈电链路的定时偏差Δt可计算如下：

Δt=[(t1+Δt1+Δt2)-t2]。

从信关站将其发送时刻调整Δt，使接收的SGFR和MGFR两路信号在卫星的天线口面处取得时隙对齐，即取得了与主信关站的定时同步。

3.2 频率同步设计

各信关站根据收到的信标信号、本地发射并接收的GFR(主、从信关站分别为MGFR、SGFR)信号的标称频率和实测频率，可计算出SRDC和SMDC两个频率修正参数，根据该频率误差，对本地发送信号进行频率预补偿，使该信号以指定频率到达卫星天线口，从而获得全网的频率同步。

信关站进行频率校正的过程如下：

① 运控中心向信关站传送名义上的信标下行中心频率Fbea和GFR发送中心频率Fgfr_up，以及卫星的名义上的C-C转换频率Fxlate；

② 信关站测量实际接收到的信标信号中心频率Fbea_meas和卫星返回的GFR频率Fgfr_down；

③ 依据上述步骤中的参数，信关站可根据如下两个公式计算SRDC和SMDC两个频率校正参数：

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

④ 计算结束后，将SRDC和SMDC分发到信关站各信道单元；

⑤ 信关站各信道单元通过给名义上的发送频率Ftn按下面的公式计算实际的发送频率Ftx：

Ftx=Ftn(1+SRDC)/(1+SMDC)。

如此一来，各信关站的发送信号到达卫星时均能以指定频率准确地进入到卫星信道滤波器的中心位置，从而达到全网的频率同步。

3.3 帧号同步设计

运控中心定义系统的帧编号，将某年某月某日0时作为超帧的起始时刻，由此产生系统绝对的帧编号(FN)，并将该帧编号通过地面或C/C站间通信链路发送给所有的信关站，各信关站获得该帧编号，实现系统的帧号同步。

3.4 试验结果

基于上述信关站同步方案，搭建了模拟信关站同步子系统平台，测量并计算了24小时内模拟信关站接收到的卫星下行信号的多普勒频移值，利用matblab软件进行绘图，其变化曲线如图6所示。经过数据分析，实际测得C频段馈电链路的多普勒频移系数可达到10-8量级，能够满足系统信关站同步精度要求。

图6 模拟信关站测量的下行多普勒频移变化率

4 结束语

在分析我国天通一号卫星移动通信系统特点的基础上，提出一种主从方式的多信关站时频同步方案，在不需要卫星发送载荷同步信号的情况下实现了地面段多个信关站在馈电链路上的同步，从而可以有效减少卫星资源占用，减轻多信关站同步给卫星平台带来的压力，降低了系统星载设备的复杂度。本文的工作可为我国天通一号卫星移动通信系统的建设提供技术和方案上的支持。