一种Inmarsat卫星通信系统下行链路初始同步方法*

谢永锋，吴 仡，王晓洪

（1.中电科航空电子有限公司，四川 成都 611731；2.成都天奥信息科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

Inmarsat卫星通信系统以地球同步轨道卫星为中继，实现除两极以外的全球范围内的稳定可靠通信，可提供语音、数据、短信等服务。Inmarsat卫星系统目前已经发展到了第五代，目前在全球范围内应用最广的是第四代星。Inmarsat第四代星是宽带和窄带集成一体的系统，宽带系统是BGAN系统，窄带系统为GSP/GSPS系统，窄带系统通信协议采用欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI） 的GMR-2/GMR-2+协议。

Inmarsat第四代星系统主要由空间段、地面段及移动终端（Mobile Earth Station，MES）组成。其中，空间段由3+1对地静止卫星组成，地面段由地面关口站（GateWay，GW）和网络控制中心（Network Control Centre，NCC）组成。

Inmarsat系统中，MES终端开机后要搜索信号完成下行链路频率同步和时间同步后，才能正确解析卫星网络广播的信息并接入系统。但是，由于实际通信过程中会存在干扰信号影响初始同步，在干扰严重的情况下将严重影响终端入网，甚至无法入网，导致终端无法工作。为此，本文根据Inmarsat卫星系统的特点，提出了一种下行链路初始同步方法。目前，采用该方案的海事卫星通信终端已经工程化并得到广泛应用，应用结果表明该方法稳定可靠，可保证终端快速入网。

1 GMR-2协议概述

Inmarsat第四代星系统窄带系统采用GMR-2协议[1]，为时分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）+频分多址（Frequency Division Multiple Address，FDMA）的工作方式。上行链路为终端到卫星，调制方式为GMSK调制；下行链路为卫星到终端，调制方式为OQPSK调制。

1.1 TDMA时帧与突发

GMR-2协议中规定[1]，TDMA帧（frame）由8个连续的时隙组成。TDMA帧号以2 715 648个TDMA帧为周期循环编号，每个周期为一个超级帧，一个超级帧由2 048个超帧组成。超帧按照业务类型的不同，分为26帧为周期的业务复帧和51帧为周期的控制复帧。

在每个时隙中，信号以突发脉冲（burst）的形式发送。系统中主要的突发脉冲有普通突发（Normal Burst，NB）、同步突发脉冲序列（Synchronization Burst，SB）、接入突发脉冲序列（Access Burst，AB）以及高裕量突发（High Margin Burst or M-Sequence Burst，HMB）。其中，HMB用于MES的时间和频率同步，它的突发信号强度比普通突发脉冲要大，传输的是142 bit自相关性非常好的序列。

1.2 逻辑信道和控制复帧结构

与GSM系统类似[2]，GMR-2系统的逻辑信道是按信道上传递的内容进行分类，分成业务信道（话音、数据等）和控制信道（信令）。其中，控制信道（Control Channel，CCH）包括广播信道（Broadcast Channel，BCCH）、公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）和专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）等，而广播信道包括高裕量同步信道（High Margin SynchronizationChannel，HMSCH）、同步信道（Synchronization Channel，SCH）及广播信道（Broadcast Channel，BCCH）等。

在GMR-2系统中，系统在每个波束内通过广播信道周期按照周期为51帧的控制复帧播发系统相关信息。在控制复帧中，各逻辑信道的位置固定并且循环，其循环结构如图1所示。

图1 一个控制复帧循环结构

1.3 MES终端同步过程

MES终端接入到卫星系统的同步过程分为4个阶段。

（1）MES开机后，首先搜索卫星广播的HMSCH信道，与NCC之间建立时间和频率同步，完成初始同步；

（2）随后解析同步信道（Synchronization Channel，SCH）的信息，完成下行链路同步；

（3）解析BCCH信道上的相关信息，完成上行链路的同步，可进行入网注册；

（4）在入网注册或通信过程中，通过系统侧的SACCH传送的信令交换实现实时校正微同步。

通过以上步骤，MES终端与卫星系统建立了同步，可以进行实时信令交互、语音通信等过程。

所以，MES下行链路初始同步是MES入网和正常工作过程中的重要步骤。

2 下行链路初始同步技术的方案

在海事卫星通信系统中，HMSCH信道的特点是突发信号强度大，传输的是142 bit自相关性非常好的序列，用于MES进行时间和频率同步。由于实际环境中存在各类干扰信号及终端载体本身运动产生的频率偏移对同步过程会产生较大影响，提出了一种稳定可靠、抗干扰强的下行链路初始同步方法。

2.1 下行链路的频率同步的实现

在寻找HMSCH信道进行下行同步的过程中，由于本地晶振的偏移等因素，需要计算频率偏移值并调整本地接收频率实现频率同步。计算频偏估计与校正的原理，如图2所示。

图2 频偏估计与校正原理

它的计算推导过程如下。

MES接收到的基带信号可以表示为[5]：

其中rk表示接收端接收到的信号，sk表示发送端发送的信号，ej·2π·Δf·k·T表示信号在信道传输过程中叠加上的频偏，Irk表示接收端复信号rk的同相分量，Qrk表示接收端复信号rk的正交分量。

式（1）中的sk又可表示为：

其中Isk表示发射端复信号sk的同相分量，Qsk表示发射端复信号sk的正交分量。

HMSCH信道信号发射的符号是固定的，在接收端将这些已知符号保存在本地，同时通过产生相关峰的位置可以将本地符号序列与接收信号序列对齐。式（9）的左边即为接收第k个符号时计算出的相位误差，连续接收N个点就可得到连续N个接收符号所对应的相位误差曲线，求此曲线的斜率即为频率偏移值。

利用计算的频率偏移值调整本地接收频率，消除接收信号中存在的频偏，实现频率同步，保障接收信号的频率准确。

2.2 下行链路时间同步

下行链路初始同步最重要的一步是时间同步，即确定HMSCH信道在TDMA控制复帧中的位置。由于系统是FDMA系统，不仅在HMSCH信道上会出现HMB类型信号，在相同接收频点上的其他类型信道上也可能出现HMB类型信号，同时其他同频波束的HMSCH信号可能会泄露到本波束。这些因素都可能导致对本地波束HMSCH信道信号真实位置的误判，从而影响同步的准确性和速度，甚至造成初始同步失败。

步骤1：通过接收信号的强度判断方式排除干扰信号的影响，因为这些干扰信号虽然突发类型都和本地波束的HMSCH信道信号相同，但是其信号强度都比本地波束的HMSCH信道信号弱，同时在一个复帧循环内必然会出现一次HMSCH信道信号，所以找到一个复帧循环内信号强度最大的HMB类型信号，即找到了本地波束HMSCH信道信号的可能真实位置。

步骤2：在一个复帧循环内对HMB类型信号进行相关，并计算每次相关到的信号强度，记录信号强度最大的HMB类型信号位置。记录的位置为起点，计时一个复帧循环的时间，对下个复帧循环中相同位置的信号进行HMB类型信号相关，若产生相关峰则认为此位置有效。

步骤3：验证HMSCH的位置，通过TDMA复帧结构的SCH信道和BCCH信道判断是否正确。

从控制复帧的结构可以看出，SCH信道信号位于HMSCH之后的间隔1帧时间的位置上，由相关峰位置可以得出SCH信号训练序列起始位置，从此位置开始对接收信号进行SB类型信号相关，若产生相关峰，则确认初始同步起点位置的可信性。

同样，BCCH信道信号位于SCH之后的间隔1帧、2帧、3帧以及4帧时间的位置上，若全部产生相关峰，则确认初始同步起点位置的可信性。

将产生相关峰的信号起点位置判定为一个复帧循环的起始位置，至此完成初始下行同步。

2.3 下行链路初始同步实现流程

下行链路初始同步方法实现流程[4]，如图3所示。

图3 下行链路初始同步处理流程

步骤1：对所有状态复位，本地存储142 bit的训练序列，启动一个定时器计时一个51复帧的时间；

步骤2：判断在一个复帧时间内是否相关到HMB信号；

步骤3：若相关到HMB信号，将几次的信号进行对比，记录信号强度最大的为HMB；循环几次，若每次相关到HMB位置在复帧结构中位置固定，则确定HMB的位置，进入步骤4，否则返回步骤1；

步骤4：将本地存储142 bit的训练序列和相关的HMB类型信号进行频偏值计算，频偏值用来调整本地接收频率，实现频率同步；

步骤5：以步骤3中确定的相关峰的信号起始点为起点，推后1帧时间的位置进行SB类型信号相关，若产生相关峰，进入步骤6，否则返回到步骤1；

步骤6：以步骤5中确定的相关峰为起点，分别推后1～4帧时间进行NB类型信号相关，若4处都产生相关峰，则进入步骤7，否则返回步骤1；

步骤7：完成下行链路初始同步。

3 测试结果

卫星通信系统是时分复用（Time Division Multiple Address，TDMA）系统，系统对时间同步技术要求严格，本地同步计数精度要求至少为0.9 μs。为此，在FPGA平台上实现下行链路同步算法，FPGA选用Xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX75。同时，为保证频率稳定，选择精度为0.1 ppm的晶振。

在静止和运动的环境下，对终端的入网时间和入网成功率进行测试，结果如表1所示。

表1 测试数据表

目前，应用该算法研制的海事卫星通信终端已经大规模应用，入网速度和入网成功率都优于其他厂家同类型产品。

4 结 语

Inmarsat卫星通信系统是目前全球范围内应用最广的卫星系统之一，MES与卫星系统之间通信的重要一步是找到HMSCH信道，实现下行链路初始同步，随后MES需与网络完成帧同步、时隙同步以及上行接入同步等。同步技术是TDMA系统的核心和关键，对国外成熟卫星系统相关技术的研究，对我国自主研制的天通一号卫星系统产品的设计具有重要的参考意义。