一種Inmarsat衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wèi)星通信系統(tǒng)以地球同步軌道衛(wèi)星為中繼，實(shí)現(xiàn)除兩極以外的全球范圍內(nèi)的穩(wěn)定可靠通信，可提供語音、數(shù)據(jù)、短信等服務(wù)。Inmarsat衛(wèi)星系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展到了第五代，目前在全球范圍內(nèi)應(yīng)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(tǒng)，寬帶系統(tǒng)是BGAN系統(tǒng)，窄帶系統(tǒng)為GSP/GSPS系統(tǒng)，窄帶系統(tǒng)通信協(xié)議采用歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI） 的GMR-2/GMR-2+協(xié)議。

Inmarsat第四代星系統(tǒng)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(wèi)星組成，地面段由地面關(guān)口站（GateWay，GW）和網(wǎng)絡(luò)控制中心（Network Control Centre，NCC）組成。

Inmarsat系統(tǒng)中，MES終端開機(jī)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣播的信息并接入系統(tǒng)。但是，由于實(shí)際通信過程中會存在干擾信號影響初始同步，在干擾嚴(yán)重的情況下將嚴(yán)重影響終端入網(wǎng)，甚至無法入網(wǎng)，導(dǎo)致終端無法工作。為此，本文根據(jù)Inmarsat衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(wèi)星通信終端已經(jīng)工程化并得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明該方法穩(wěn)定可靠，可保證終端快速入網(wǎng)。

1 GMR-2協(xié)議概述

Inmarsat第四代星系統(tǒng)窄帶系統(tǒng)采用GMR-2協(xié)議[1]，為時分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）+頻分多址（Frequency Division Multiple Address，F(xiàn)DMA）的工作方式。上行鏈路為終端到衛(wèi)星，調(diào)制方式為GMSK調(diào)制；下行鏈路為衛(wèi)星到終端，調(diào)制方式為OQPSK調(diào)制。

1.1 TDMA時幀與突發(fā)

GMR-2協(xié)議中規(guī)定[1]，TDMA幀（frame）由8個連續(xù)的時隙組成。TDMA幀號以2 715 648個TDMA幀為周期循環(huán)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(yè)務(wù)類型的不同，分為26幀為周期的業(yè)務(wù)復(fù)幀和51幀為周期的控制復(fù)幀。

在每個時隙中，信號以突發(fā)脈沖（burst）的形式發(fā)送。系統(tǒng)中主要的突發(fā)脈沖有普通突發(fā)（Normal Burst，NB）、同步突發(fā)脈沖序列（Synchronization Burst，SB）、接入突發(fā)脈沖序列（Access Burst，AB）以及高裕量突發(fā)（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(fā)信號強(qiáng)度比普通突發(fā)脈沖要大，傳輸?shù)氖?42 bit自相關(guān)性非常好的序列。

1.2 邏輯信道和控制復(fù)幀結(jié)構(gòu)

與GSM系統(tǒng)類似[2]，GMR-2系統(tǒng)的邏輯信道是按信道上傳遞的內(nèi)容進(jìn)行分類，分成業(yè)務(wù)信道（話音、數(shù)據(jù)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(tǒng)中，系統(tǒng)在每個波束內(nèi)通過廣播信道周期按照周期為51幀的控制復(fù)幀播發(fā)系統(tǒng)相關(guān)信息。在控制復(fù)幀中，各邏輯信道的位置固定并且循環(huán)，其循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一個控制復(fù)幀循環(huán)結(jié)構(gòu)

1.3 MES終端同步過程

MES終端接入到衛(wèi)星系統(tǒng)的同步過程分為4個階段。

（1）MES開機(jī)后，首先搜索衛(wèi)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(guān)信息，完成上行鏈路的同步，可進(jìn)行入網(wǎng)注冊；

（4）在入網(wǎng)注冊或通信過程中，通過系統(tǒng)側(cè)的SACCH傳送的信令交換實(shí)現(xiàn)實(shí)時校正微同步。

通過以上步驟，MES終端與衛(wèi)星系統(tǒng)建立了同步，可以進(jìn)行實(shí)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(wǎng)和正常工作過程中的重要步驟。

2 下行鏈路初始同步技術(shù)的方案

在海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，HMSCH信道的特點(diǎn)是突發(fā)信號強(qiáng)度大，傳輸?shù)氖?42 bit自相關(guān)性非常好的序列，用于MES進(jìn)行時間和頻率同步。由于實(shí)際環(huán)境中存在各類干擾信號及終端載體本身運(yùn)動產(chǎn)生的頻率偏移對同步過程會產(chǎn)生較大影響，提出了一種穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)的下行鏈路初始同步方法。

2.1 下行鏈路的頻率同步的實(shí)現(xiàn)

在尋找HMSCH信道進(jìn)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(diào)整本地接收頻率實(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(fā)送端發(fā)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(fù)信號rk的同相分量，Qrk表示接收端復(fù)信號rk的正交分量。

式（1）中的sk又可表示為：

其中Isk表示發(fā)射端復(fù)信號sk的同相分量，Qsk表示發(fā)射端復(fù)信號sk的正交分量。

HMSCH信道信號發(fā)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(chǎn)生相關(guān)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(xù)接收N個點(diǎn)就可得到連續(xù)N個接收符號所對應(yīng)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(diào)整本地接收頻率，消除接收信號中存在的頻偏，實(shí)現(xiàn)頻率同步，保障接收信號的頻率準(zhǔn)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(fù)幀中的位置。由于系統(tǒng)是FDMA系統(tǒng)，不僅在HMSCH信道上會出現(xiàn)HMB類型信號，在相同接收頻點(diǎn)上的其他類型信道上也可能出現(xiàn)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(dǎo)致對本地波束HMSCH信道信號真實(shí)位置的誤判，從而影響同步的準(zhǔn)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(qiáng)度判斷方式排除干擾信號的影響，因?yàn)檫@些干擾信號雖然突發(fā)類型都和本地波束的HMSCH信道信號相同，但是其信號強(qiáng)度都比本地波束的HMSCH信道信號弱，同時在一個復(fù)幀循環(huán)內(nèi)必然會出現(xiàn)一次HMSCH信道信號，所以找到一個復(fù)幀循環(huán)內(nèi)信號強(qiáng)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(shí)位置。

步驟2：在一個復(fù)幀循環(huán)內(nèi)對HMB類型信號進(jìn)行相關(guān)，并計算每次相關(guān)到的信號強(qiáng)度，記錄信號強(qiáng)度最大的HMB類型信號位置。記錄的位置為起點(diǎn)，計時一個復(fù)幀循環(huán)的時間，對下個復(fù)幀循環(huán)中相同位置的信號進(jìn)行HMB類型信號相關(guān)，若產(chǎn)生相關(guān)峰則認(rèn)為此位置有效。

步驟3：驗(yàn)證HMSCH的位置，通過TDMA復(fù)幀結(jié)構(gòu)的SCH信道和BCCH信道判斷是否正確。

從控制復(fù)幀的結(jié)構(gòu)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(guān)峰位置可以得出SCH信號訓(xùn)練序列起始位置，從此位置開始對接收信號進(jìn)行SB類型信號相關(guān)，若產(chǎn)生相關(guān)峰，則確認(rèn)初始同步起點(diǎn)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(chǎn)生相關(guān)峰，則確認(rèn)初始同步起點(diǎn)位置的可信性。

將產(chǎn)生相關(guān)峰的信號起點(diǎn)位置判定為一個復(fù)幀循環(huán)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(shí)現(xiàn)流程

下行鏈路初始同步方法實(shí)現(xiàn)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(tài)復(fù)位，本地存儲142 bit的訓(xùn)練序列，啟動一個定時器計時一個51復(fù)幀的時間；

步驟2：判斷在一個復(fù)幀時間內(nèi)是否相關(guān)到HMB信號；

步驟3：若相關(guān)到HMB信號，將幾次的信號進(jìn)行對比，記錄信號強(qiáng)度最大的為HMB；循環(huán)幾次，若每次相關(guān)到HMB位置在復(fù)幀結(jié)構(gòu)中位置固定，則確定HMB的位置，進(jìn)入步驟4，否則返回步驟1；

步驟4：將本地存儲142 bit的訓(xùn)練序列和相關(guān)的HMB類型信號進(jìn)行頻偏值計算，頻偏值用來調(diào)整本地接收頻率，實(shí)現(xiàn)頻率同步；

步驟5：以步驟3中確定的相關(guān)峰的信號起始點(diǎn)為起點(diǎn)，推后1幀時間的位置進(jìn)行SB類型信號相關(guān)，若產(chǎn)生相關(guān)峰，進(jìn)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(guān)峰為起點(diǎn)，分別推后1～4幀時間進(jìn)行NB類型信號相關(guān)，若4處都產(chǎn)生相關(guān)峰，則進(jìn)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(jié)果

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是時分復(fù)用（Time Division Multiple Address，TDMA）系統(tǒng)，系統(tǒng)對時間同步技術(shù)要求嚴(yán)格，本地同步計數(shù)精度要求至少為0.9 μs。為此，在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)下行鏈路同步算法，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX75。同時，為保證頻率穩(wěn)定，選擇精度為0.1 ppm的晶振。

在靜止和運(yùn)動的環(huán)境下，對終端的入網(wǎng)時間和入網(wǎng)成功率進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表

目前，應(yīng)用該算法研制的海事衛(wèi)星通信終端已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，入網(wǎng)速度和入網(wǎng)成功率都優(yōu)于其他廠家同類型產(chǎn)品。

4 結(jié) 語

Inmarsat衛(wèi)星通信系統(tǒng)是目前全球范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的衛(wèi)星系統(tǒng)之一，MES與衛(wèi)星系統(tǒng)之間通信的重要一步是找到HMSCH信道，實(shí)現(xiàn)下行鏈路初始同步，隨后MES需與網(wǎng)絡(luò)完成幀同步、時隙同步以及上行接入同步等。同步技術(shù)是TDMA系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，對國外成熟衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，對我國自主研制的天通一號衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計具有重要的參考意義。