多波束衛星移動通信系統星地一體化時鐘同步方法

張生玥

摘要：作為全球網絡通信的主要傳輸手段，衛星移動通信在軍用及民用領域都發揮著重要的作用。多波束衛星移動通信系統最大化地利用了珍貴的頻率資源，允許大容量的用戶接入，同時建設多關口站能滿足軍民共用的需求，擴大衛星覆蓋的范圍，但也帶來了系統時間同步的問題。本文提出了多波束衛星移動通信系統星地一體化時鐘同步方法，能夠有效地解決用戶和關口站以及多關口站之間的時間同步需求。

關鍵詞：衛星移動通信；時鐘同步；同步技術

一、系統同步要求

多波束衛星移動通信系統要求整個系統（包括地球站、多關口站等）都在同一個時間基準下運行，時間基準的顆粒度直接影響到系統的穩定性。衛星小傾角運動帶來鏈路延時的周期性漂移，系統需要精細估計并跟蹤此延遲，并對系統時間基準進行校正，跟蹤的誤差影響系統的定時誤差，并直接反應到系統的收發信號誤差。

多關口站前向鏈路共用一個廣播信道載波，所以要求多關口站進行時間同步，以保證其到達衛星天線入口端的時刻嚴格同步。

終端由于運動速度、地理位置以及設備晶振穩定度不同帶來信號發送和接收的時間差異，在系統中要加以修正來提高通信質量。

二、星地同步方法

衛星小傾角扭“8”字運動會帶來星地之間的鏈路延遲隨著時間周期性變化，關口站可以通過如下的機制對星地延遲進行跟蹤。

1）發送一個連續同步信號TS（TimingSignal），該信號攜帶有幀號和獨特字。

2）捕獲該TS信號，并解調信號得到系統幀號和接收時間。

3）通過比較發送連續同步信號的時間和接收同步信號的時間差，去掉固定器件延遲，得到整個鏈路的延遲。

4）跟蹤該延時的變化量Dn，并用該變化量修正接收幀的時刻，如圖1。

變化量Dn值反應了衛星扭“8”字帶來的時延差，通過修正關口站的收時刻來補償該時延差帶來的影響，設計同步連續信號的格式和運用相關的解調估計算法，可以使得Dn的估計精度達到微秒量級。

三、多關口站的定時同步

為了增大衛星的覆蓋范圍以及抗災抗毀，多關口站一般都異址建設，關口站處于不同的地理位置，與衛星之間的距離也有所差別。前向信號發送到衛星有時延差，不同的時延差會造成終端接收到的信號不能嚴格滿足系統的時間規劃要求，造成終端接收信號的混亂無序，同樣終端發射信號，關口站收時也存在信號出現重疊，相互間干擾的問題，因此需要解決整星覆蓋區域內多關口站發射信號在入星點一致。為了達到這個目的，可采用如下的方法：

1）主信關站按照上節所述發送主同步信號TS。

2）從信關接收該主同步信號TS，接收到該TS信號后，將該TS信號作為TS信號發送至衛星。

3）通過接收該信號，從信關站能夠測算出從信關站所在地的衛星鏈路延遲B。

主站發送的信號到達衛星天線入口端的時間為Ta+A（其中Ta為主站發送TS信號的時刻），從站在接收到主站發送的Ts信號基礎上向前調整2B，然后經過前向鏈路延遲B發送到衛星的入口端，此時總的延時為Ta+2A-2B+B=Ta+A+（A-B），前面一部分（Ta+A）為主站的鏈路延時，后面（A-B）為從站與主站的鏈路延時差，可滿足到衛星天線入口端的信號對齊。

四、關口站與終端之間的定時同步

終端距離波束中心點位置不同，運動速度不同，設備內部的時鐘晶振穩定度也不相同，信號到達衛星的時間也有所差別。為了修正上述幾點在系統使用中的影響，在關口站完成對于衛星鏈路延遲的跟蹤和幀邊界的校正以后，終端可通過下述方法與關口站進行系統同步：

初始接人模式下的同步：

1）終端進入初始接入模式以后，為保證接入突發能夠落到指定的衛星定時窗口之內，終端通過廣播信道獲取關口站發送該波束的定時傳輸因子T0，以此來確定其發送時刻，T0是系統根據每一個點波束中心所在位置預先計算出來的一個偏移值，在返向發送的接人請求信道上修正該因子，就完成了終端與關口站的粗對齊。

2）由于終端相對波束中心點位置不同，返向鏈路的延遲是在波束中心點定時傳輸因子（T0）的基礎上疊加了一個由于位置因素引起的時差，關口站在接收到終端發送的接人請求信號后，計算出終端位置與波束中心位置差所帶來的路徑往返延時差為2ITu-T0]，在接人允許信道中將該定時校正（TC=2[Tu-T0]）發送給終端。關口站要通過開一定的接收窗口來滿足不同地理位置終端發送的接人請求信號都能被關口站接收到。

3）終端將返向信道的發送時刻延遲2[Tu-T0]時刻，可實現終端上行鏈路的時刻同步。

呼叫過程中的定時同步：

1）終端接收機定時由內部時基生成，在呼叫過程中，由于用戶的移動和終端晶振穩定度，終端相對于原始定時參考偏移了△rrU=△T，+△T，其中△T是由于終端內部晶振的漂移帶來的定時漂移，△T是由于終端位置改變帶來的定時漂移。

2）終端發射機以接收機定時為參考，終端發射機同樣偏移了ATU。

3）上行信號經過傳播延遲Tu+ATu2后到達衛星的時間與原來相比偏移了△T+2△T。

4）關口站檢測終端上行信號實際到達的時刻與期望到達的時刻偏移，如果檢測到的△T+2△T超過了預設的閥值，那么就將該偏移以鏈路校正消息的形式通過隨路信道下發給終端。

5）終端收到定時校正消息以后，將發射機定時偏移△T+2△T，該定時校正過程以預設的調整速率*校正值逐漸進行調整。

通過初始接人模式和呼叫過程中的定時同步，可以使得終端終端發送時刻到達衛星的時刻與期望時刻相同。

結語

多波束衛星移動通信系統需要多關口站、關口站與終端之間做到嚴格的時間同步。現有技術和方法的主要缺點是不適用于多點波束下的主站和小站定時同步以及主站和從站之間的定時同步，另外對于主站和小站之間的同步多依靠自身器件對于定時的估計而沒有利用系統流程來進行整體的同步規劃。本文提供了一種多波束衛星移動通信系統星地一體化時鐘同步方法，著力解決了衛星小傾角運動、多關口站、關口站與衛星終端之間的同步問題。