一種基于協(xié)同偵收的衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)方法*

陳文潔，梁先明，史高翔

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.解放軍駐成都地區(qū)第三軍事代表室，成都610041)

0 引 言

近年來，移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)憑借著其覆蓋范圍大、通信頻帶寬、作用距離遠(yuǎn)、受地面干擾影響較小等優(yōu)勢逐漸成為在特殊地理位置、特殊場合常用甚至唯一的通信手段，也為全球各行各業(yè)的用戶提供了優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)[1]。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，通過建立天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)，并與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)相融合，從而打造天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)逐漸成為各國爭相建設(shè)的目標(biāo)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的快速發(fā)展以及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)必將為其帶來更大的用戶群體和使用范圍，同時這也給移動衛(wèi)星偵測技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。

當(dāng)前國際上的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本具備相似的通信體制和通信流程[2]，信號通過衛(wèi)星終端、衛(wèi)星、地面關(guān)口站三個關(guān)鍵節(jié)點完成用戶申請、信道分配等控制信令及其他業(yè)務(wù)信令的通信及轉(zhuǎn)發(fā)。以某商用移動衛(wèi)星的終端主叫為例，終端通過L頻段發(fā)出信道請求，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至C頻段后，將申請信息傳輸?shù)疥P(guān)口站；關(guān)口站利用C頻段回復(fù)信道分配信息，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至L頻段后，將分配信息傳輸至終端。因此在進(jìn)行衛(wèi)星信號分析時，需要偵收到完整的通信鏈路才能獲取較全面的信息。

近年來，業(yè)內(nèi)開展衛(wèi)星信號分析研究時，通常的做法是偵收衛(wèi)星與終端之間傳輸?shù)腖頻段上、下行信號。常規(guī)的偵收天線針對衛(wèi)星L頻段下行信號的偵收范圍可達(dá)幾百公里，能夠收到的信號比較多；但針對L頻段上行信號的偵收范圍只有幾十公里，接收條件比較苛刻，如果偵收設(shè)備與衛(wèi)星終端之間遮擋物過多或距離較遠(yuǎn)，能夠正常接收到的L頻段上行信號概率很低，很難實現(xiàn)對衛(wèi)星信號L頻段上、下行信號的全面?zhèn)墒眨诗@取的內(nèi)涵信息基本處于片段化狀態(tài)。即便通過接收關(guān)口站C頻段信號來獲取更多用戶信息，也是針對已基本退役的海事三代等具備固定轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系的移動衛(wèi)星。至于在服役中占比愈來愈多、具備動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系的移動通信衛(wèi)星，在目前公開文獻(xiàn)中并沒有發(fā)現(xiàn)針對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)前后頻率對應(yīng)關(guān)系的研究。

本文提出了一種衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)方法，將針對L頻段上行信號偵收范圍小、信號接收概率低的問題轉(zhuǎn)換為接收C頻段下行關(guān)口站信號，可有效擴大衛(wèi)星信號偵收范圍，獲取衛(wèi)星通信過程中更多的完整通信鏈路。

1 衛(wèi)星上/下行關(guān)聯(lián)分析方案設(shè)計

為偵收到更多衛(wèi)星完整通信鏈路信號從而獲取更多用戶的情報信息，本文依據(jù)衛(wèi)星的工作體制和通信協(xié)議設(shè)計一種協(xié)同偵收方法，以實現(xiàn)移動衛(wèi)星L頻段上/下行信號與C頻段下行信號的協(xié)同接收，并基于衛(wèi)星控制信道的外部特征和內(nèi)涵信息研究經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)前后L/C頻段信號的頻率對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)研究，為利用關(guān)口站實現(xiàn)更全面的衛(wèi)星信號偵收提供技術(shù)支撐。

以某商用移動通信衛(wèi)星為例，本文所采用技術(shù)方案的基本研究原理如圖1所示，主要內(nèi)容為：首先進(jìn)行移動衛(wèi)星通信協(xié)議研究，并結(jié)合實際信號分析驗證，構(gòu)建衛(wèi)星信號關(guān)聯(lián)知識庫，明確可用于信號關(guān)聯(lián)分析的知識；之后依據(jù)衛(wèi)星知識制定信號協(xié)同偵收方案，保證偵收系統(tǒng)實現(xiàn)對衛(wèi)星L頻段上行信號、L頻段下行信號以及C頻段下行信號的協(xié)同偵收；基于移動衛(wèi)星信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)之后其時序關(guān)系、外部特征、信息內(nèi)涵均不發(fā)生改變的特點，利用衛(wèi)星終端進(jìn)行自定義通信行為測試，并進(jìn)行一次完整通話，同時完成通信過程信號的采集存儲；最后基于協(xié)同偵收信號分析其外部特征和內(nèi)涵信息，并結(jié)合知識庫，有效匹配L頻段上行信號與轉(zhuǎn)發(fā)之后的C頻段下行信號，從而獲取其頻率對應(yīng)關(guān)系，完成對本文所提衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)研究方法的驗證。

圖1 衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)研究方案示意圖

1.1 基礎(chǔ)知識庫構(gòu)建

本文所采用的衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)研究方法的基礎(chǔ)是構(gòu)建衛(wèi)星知識庫。首先通過對移動衛(wèi)星信號通信協(xié)議的解讀分析獲取衛(wèi)星基本工作體制[3]、不同類型信道功能及特性等理論知識，明確可用于衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)分析的信道特性及信息內(nèi)涵，用于輔助后續(xù)信號分析；同時針對已獲取衛(wèi)星信號的處理分析、特征提取對協(xié)議知識進(jìn)行佐證，兩者相互結(jié)合，通過不斷研究驗證形成衛(wèi)星信號知識庫。依據(jù)衛(wèi)星信號協(xié)同偵收、信號關(guān)聯(lián)分析兩階段用途，所構(gòu)建知識庫包含的關(guān)鍵要素項如表1所示。

表1 知識庫關(guān)鍵要素項

1.2 協(xié)同偵收模型設(shè)計

多數(shù)移動衛(wèi)星通信體制中，信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)時采用的是直接轉(zhuǎn)發(fā)機制，即經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后所傳輸?shù)男畔?nèi)容不變。另外，目前在用的衛(wèi)星通信體制采用的多是動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)機制，主要具備以下幾個特點：一是L頻段上行信號與轉(zhuǎn)發(fā)后的C頻段下行信號之間的頻率關(guān)系是動態(tài)變化的，但一定時間范圍內(nèi)保持不變；二是L頻段上行信號與L頻段下行信號之間存在固定頻率差；三是衛(wèi)星隨機接入信道[3](Satellite Random Access Channel，S-RACH)在L頻段上行和C頻段下行傳輸鏈路中都存在；同時，L頻段下行鏈路中的衛(wèi)星訪問授權(quán)信道[3](Satellite Access Grant Channel，S-AGCH)與L頻段上行鏈路中的S-RACH有幾個字節(jié)的信息內(nèi)容一致。

基于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的上述特點，根據(jù)已獲知的衛(wèi)星位置信息、傳輸頻率范圍、極化方式等知識，利用兩個小型L頻段接收天線和一個大型C頻段接收天線、三通道接收機和存儲設(shè)備構(gòu)建一套信號接收環(huán)境，根據(jù)衛(wèi)星信號偵收站地理位置分別設(shè)置天線的接收方向、俯仰角，以及接收機的采集中心頻率和采集帶寬等，以實現(xiàn)L頻段上行、L頻段下行和C頻段下行三路信號的協(xié)同偵收和采集存儲。針對某移動衛(wèi)星信號的協(xié)同偵收方案示意圖如圖2所示。

圖2 協(xié)同偵收示意圖

由于C頻段下行信號是利用全球波束進(jìn)行信號傳輸，通過偵收衛(wèi)星發(fā)往關(guān)口站的C頻段信號可以更全面地實現(xiàn)衛(wèi)星信號偵收。因此，獲取經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的L頻段上行信號與C頻段下行信號之間的頻率對應(yīng)關(guān)系，并通過L頻段上/下行信號之間的固定頻率差，即可匹配到屬于同一次業(yè)務(wù)的C頻段下行信號和L頻段下行信號，從而獲取較全面的衛(wèi)星通信信號。

1.3 衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)原理分析

通常情況下，每種衛(wèi)星體制信號傳輸?shù)念l段范圍是固定的，多為幾十至上百兆赫，且傳輸頻帶內(nèi)又分為多個子帶、子信道。以某商用移動衛(wèi)星為例，點波束信號通過L頻段傳輸時的通信帶寬為34 MHz，通常L頻段下行信號以200 kHz帶寬為一個信道，共有170個信道可供使用；而L頻段上行信號傳輸時，每一個200 kHz信道又分為4個子信道。經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后，C頻段下行信號的實用通信帶寬擴展至106.4 MHz，共分為7個帶寬為12.8 MHz的子帶，每個12.8 MHz子帶又分為64個帶寬為200 kHz子信道[4]。因此，如何基于衛(wèi)星知識庫和協(xié)同偵收模型關(guān)聯(lián)同一條通信鏈路L 頻段上行信號與C頻段下行信號是本文的研究重點。

1.3.1 基于信號外部特征的關(guān)聯(lián)方法

利用衛(wèi)星移動終端進(jìn)行通信時，終端會通過S-RACH信道申請分配一個獨立專用的控制信道，作為對尋呼的響應(yīng)或者終端主叫/登記時的接入。與其他信道信號的最大不同在于，S-RACH信號在衛(wèi)星終端撥打電話、位置變化、重新入網(wǎng)、主叫或被叫時都會發(fā)送，且在衛(wèi)星信號傳輸?shù)腖頻段上行鏈路和C頻段下行鏈路中都存在。

鑒于S-RACH信號的上述信道特性及物理特性，在L頻段偵收天線附近利用衛(wèi)星終端進(jìn)行自定義通信行為測試，并完成過程中返向鏈路的L頻段上行信號和C頻段下行信號的協(xié)同接收和采集存儲，并對其進(jìn)行AD采樣、下變頻濾波、時域特征提取及匹配關(guān)聯(lián)分析。

設(shè)L頻段上行信號為XL上(t)，C頻段下行信號為XC下(t)，接收采樣率為Fs，則接收機輸出的兩路信號分別為

xL上(n)=XL上(n×ΔT)，

(1)

xC下(n)=XC下(n×ΔT)。

(2)

式中：ΔT=1/Fs，單位為s;n為信號樣點序號。之后以Bw為基帶帶寬、f0為中頻頻率分別對兩路信號進(jìn)行逐信道的下變頻濾波[5]處理后，得到信號為

xL上′(n)=filter(xL上(n)×exp(-j×2×pi×f0×n),Bw)，

(3)

xC下′(n)=filter(xC下(n)×exp(-j×2×pi×f0×n),Bw) 。

(4)

式中：filter(x，Bw)為對信號x做帶寬為Bw的低通濾波，n為信號樣點序號，xL上′(n)、xC下′(n)分別為基帶L頻段上行信號、C頻段下行信號。

獲取基帶信號后，依次對每個子信道進(jìn)行特征字匹配，遍歷搜索S-RACH信號，并對其進(jìn)行解調(diào)譯碼，確定目標(biāo)信號所在子信道號，即頻率號。

設(shè)L頻段上行信號的第一個子信道頻率值為fL上0，分析得到的目標(biāo)信號頻率號為nLi，則L頻段上行目標(biāo)信號的射頻中心頻率fL上可由下式計算得到：

fL上=nLi×0.05+fL上0。

(5)

式中：0.05代表L頻段上行信號子信道帶寬，單位為MHz。

同理，設(shè)C頻段下行信號所在子帶的第一個子信道頻率值為fC下0，根據(jù)分析得到的目標(biāo)信號頻率號為nci，則C頻段下行目標(biāo)信號的射頻中心頻率fC下可由下式計算得到：

fC下=nci×0.2+fC下0。

(6)

式中：0.2代表下行信號子信道帶寬，單位為MHz。則根據(jù)式(5)、(6)求得的fL上、fC下分別為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)前后的L頻段上行信號頻率值、C頻段下行信號頻率值。

1.3.2 基于信號內(nèi)涵信息的關(guān)聯(lián)方法

常見的衛(wèi)星信號偵收場景是偵收天線與衛(wèi)星終端相隔較遠(yuǎn)，不能有效實現(xiàn)L頻段上行信號的偵收。但根據(jù)已獲取的衛(wèi)星知識，L頻段下行S-AGCH信號所傳輸指配信息中，有四個字節(jié)信息與S-RACH信號中的部分信息完全一致，主要信息內(nèi)涵包括呼叫類型(主動呼叫、緊急呼叫、短消息、補充信息、位置更新、被叫)、點波束號、本機截短設(shè)備號(簡稱“IMSI號”)等。

利用衛(wèi)星終端進(jìn)行一次完整的衛(wèi)星通信，并采用協(xié)同偵收方法實現(xiàn)通信過程中返向鏈路的C頻段下行信號與前向鏈路的L頻段下行信號的同時偵收。設(shè)L頻段下行信號為XL下(t)，C頻段下行信號為XC下(t)，接收采樣率為Fs，基帶采樣率為fs，根據(jù)式(1)～(4)的方法對兩路信號進(jìn)行AD采樣并逐信道進(jìn)行多級下變頻濾波處理，分別得到基帶信號為xL下′(n)、xC下′(n)。

對C頻段下行基帶信號xC下′(n)以同樣的方式遍歷搜索S-RACH信號并求得目標(biāo)信號頻率號，之后根據(jù)式(6)求得其射頻頻率值fC下。

根據(jù)協(xié)議可知，L頻段下行存在同步頭，可利用同步序列相關(guān)的方法搜索S-AGCH信號所在幀號。設(shè)本地同步數(shù)據(jù)為syn(n)，將其與L頻段下行基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)，得

(7)

式中：syn*(n)為本地同步數(shù)據(jù)的共軛，N為xL下′(n)信號長度。對互相關(guān)數(shù)據(jù)R(m)進(jìn)行最大相關(guān)峰搜索并判斷滿足門限要求后，確定第0幀所在位置，根據(jù)知識庫搜索S-AGCH信號并對其進(jìn)行解調(diào)[6]、信道譯碼、鏈路層協(xié)議解析等，確定目標(biāo)信號所在子信道號，即頻率號。

已知L頻段下行信號的第一個子信道頻率值為fL下0，根據(jù)分析得到的目標(biāo)信號頻率號為nLj，則L頻段下行目標(biāo)信號的射頻中心頻率fL下可由下式計算得到：

fL下=nci×0.2+fL下0。

(8)

已知L頻段上行與L頻段下行信號之間存在值為ΔfL上/下的固定頻率差，則相應(yīng)的L頻段上行目標(biāo)信號的射頻中心頻率fL上為

fL上=fL下+ΔfL上/下。

(9)

最終求得的fL上、fC下分別為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)前后的L頻段上行信號頻率值、C頻段下行信號頻率值。

2 實驗驗證情況

本次實驗采用1個移動衛(wèi)星終端、1套L頻段全向接收天線、1套L頻段板狀陣列接收天線、1套C頻段高增益拋物面接收天線、1套多通道接收采集存儲設(shè)備、1套衛(wèi)星信號分析軟件和1套尋星儀軟件。

利用尋星儀軟件，根據(jù)衛(wèi)星經(jīng)度、本地偵收站經(jīng)緯度值，計算得到天線接收方向角、俯仰角、極化角等，并根據(jù)計算結(jié)果設(shè)置C頻段下行接收天線和L頻段下行接收天線的接收面方向和相關(guān)參數(shù)。另外,根據(jù)L頻段上/下行、C頻段下行信號的頻率范圍分別設(shè)置三個接收機的中心頻率和帶寬，其中L頻段接收帶寬設(shè)置為36 MHz，C頻段接收帶寬設(shè)置為72 MHz。

2.1 基于外部特征的實驗驗證

在L頻段上行接收天線附近，利用衛(wèi)星終端連續(xù)進(jìn)行5次“撥打電話-掛斷”測試，并采集存儲這一過程中的C頻段下行信號和L頻段上行信號。按照1.3.1小節(jié)中的方法對兩路信號進(jìn)行預(yù)處理后，遍歷搜索S-RACH信號。圖3所示為預(yù)處理后兩路基帶S-RACH信號對比圖，其中(a)為C頻段下行S-RACH時域信號包絡(luò)圖,(b)為L頻段上行S-RACH時域信號包絡(luò)圖。

圖3 C頻段下行和L頻段上行S-RACH信號包絡(luò)對比圖

由圖3分析可知，由于L頻段上行接收天線與終端之間幾乎沒有遮擋，所以其信號的背景噪聲能量要比C頻段信號噪聲小得多。另外，通過兩張圖中S-RACH信號包絡(luò)可知,突發(fā)信號個數(shù)、時間間隔與5次行為測試預(yù)期結(jié)果一致，可印證衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器直接轉(zhuǎn)發(fā)這一特點。

之后利用分析得到的目標(biāo)S-RACH信號所在子信道號，根據(jù)式(5)和式(6)可求得該S-RACH所在L頻段上行信號射頻頻率值、C頻段下行信號射頻頻率值。

2.2 基于信息內(nèi)涵實驗驗證

利用衛(wèi)星終端進(jìn)行一次完整的“撥打電話-接通-通話-掛斷”行為，并協(xié)同采集存儲這一過程中的C頻段下行信號和L頻段下行信號。

根據(jù)1.3.1小節(jié)中方法對C頻段下行信號進(jìn)行下變頻濾波等預(yù)處理后，遍歷搜索S-RACH信號，并對基帶S-RACH信號進(jìn)一步解調(diào)、譯碼，根據(jù)知識庫中的格式定義解析出與下行S-AGCH信道中信息一致的字段，并獲取相應(yīng)的業(yè)務(wù)類型、點波束號、截短IMSI號等，S-RACH信號的信息內(nèi)涵解析內(nèi)容如表2所示。

表2 S-RACH/S-AGCH信息內(nèi)涵對比

按照小節(jié)1.3.1小節(jié)中的方法對L頻段下行信號進(jìn)行下變頻濾波之后，根據(jù)式(7)查找?guī)筋^位置并搜索S-AGCH信道信號，判斷搜索到的信號所在幀位置符合協(xié)議規(guī)定的映射格式后，對其進(jìn)行解調(diào)[5]、幀累積、譯碼等一系列處理后，按照知識庫中S-AGCH信道的信息內(nèi)涵定義進(jìn)行協(xié)議解析，表2中列出了S-AGCH的信號解析內(nèi)容。通過表2中的解析結(jié)果可驗證，同一條通信鏈路的S-RACH和S-AGCH中有部分信息相同，可作為上/下行信號關(guān)聯(lián)的依據(jù)。

確定目標(biāo)信號所在子信道號(即“頻率號”)后根據(jù)式(6)和式(8)可分別求得C頻段下行S-RACH、L頻段下行S-AGCH的射頻頻率值，之后利用式(9)可求得相應(yīng)的L頻段上行信號射頻頻率值，最終求得的fL上、fC下分別為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)前后的L頻段上行信號頻率值、C頻段下行信號頻率值。可驗證，實驗結(jié)果與2.1小節(jié)中的結(jié)果一致。另外，在2.1小節(jié)中構(gòu)建的L頻段上行信號與C頻段下行信號的協(xié)同接收場景下，除利用信號外部特征進(jìn)行信號關(guān)聯(lián)外，也可通過解析S-RACH的內(nèi)涵信息進(jìn)一步驗證。

綜上所述，基于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的直接轉(zhuǎn)發(fā)特性，綜合利用S-RACH信號和S-AGCH信號的外部特征與內(nèi)涵信息，可有效實現(xiàn)衛(wèi)星L頻段上行與C頻段下行信號的關(guān)聯(lián)分析。

3 結(jié) 論

本文主要針對移動衛(wèi)星L頻段上行信號偵收較難、不易獲取更大覆蓋范圍內(nèi)用戶情報信息的問題，以某商用移動衛(wèi)星為實例，提出了一種衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)方法。通過構(gòu)建一套協(xié)同偵收系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)L頻段上行、L頻段下行和C頻段下行三路信號的協(xié)同接收采集，同時利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的直接轉(zhuǎn)發(fā)特性，使基于信號外部特征的頻率匹配結(jié)果和基于信息內(nèi)涵的匹配結(jié)果相關(guān)驗證、相互補充，可有效提高匹配關(guān)聯(lián)研究結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性。本文所提的研究方法將針對L頻段上行信號偵收范圍小、信號接收概率低的問題轉(zhuǎn)化為接收C頻段關(guān)口站信號，可有效擴大衛(wèi)星信號偵收范圍，更加全面地偵收衛(wèi)星通信過程中的完整鏈路信號。

本文的設(shè)計思想立足于移動通信衛(wèi)星的通信體制，所用方法和思路可延伸至其他類型移動衛(wèi)星信號的分析，如海事衛(wèi)星、舒拉亞(Thuraya)衛(wèi)星等，可顯著提高衛(wèi)星偵收系統(tǒng)的信息獲取能力；同時通過衛(wèi)星上/下行信號關(guān)聯(lián)分析可為實現(xiàn)衛(wèi)星干擾提供技術(shù)支撐，從而支撐特定區(qū)域的通信對抗。