CN107769837A - 一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法。首先，信关站根据预设的业务时隙发送业务信息至星上前向链路转发器，并在相同的时隙内超前于相应的波束业务信息固定时间间隔ΔT发送相应的波束跳变控制信号至星上前向链路转发器，ΔT为：星上前向链路转发器从收到波束跳变控制信号到提取波束跳变开关控制信息所需要的处理时延以及开关的切换时延之和；所述波束跳变控制信号包括用户星上波束跳变的开关控制信息；然后，星上前向链路转发器提取波束跳变开关控制信息，根据波束跳变开关控制信息实现对前向链路转发器的波束控制开关的切换。该方法波束跳变同步流程简单，同步时间快，波束跳变灵活。

Description

一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法

技术领域

本发明涉及一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，该方法主要用于基于星上透明转发的跳波束系统，属于卫星通信技术领域。

背景技术

随着卫星通信技术的发展，国外相继发射大容量、高速率的通信卫星，以满足不断增长的卫星宽带通信与广播业务需求。大容量宽带通信卫星系统的特点是广覆盖和大容量，采用多点波束和频率复用等技术，具有较高的系统容量和频谱利用率。目前的多点波束卫星通信系统在载荷设计时各波束的频率复用、射频功率都为固定分配方式。但是，由于波束各覆盖区内的业务需求并不相同，这种固定的载荷设计缺乏足够的灵活性来优化分配卫星资源，造成卫星性能受限，因此各国都在致力于寻求更为灵活的卫星资源分配方式，以期获得更好、更灵活的系统可用容量。

与传统的固定范围点波束通信不同，跳波束通信以时分的形式，在卫星覆盖范围内按照一定跳变规则调整波束方向。跳波束可以根据卫星不同区域的不同业务需求量，合理分配波束资源，当某一区域业务量大时，可以分配多个时隙的波束资源，当业务量小时，可以相应减少该区域的波束时隙，由此来提高整个系统的资源使用效率。另外，跳波束数的使用也有利于提高 HTS卫星多波束天线的C/I值，从而提高整个系统的通信容量。

由于宽带卫星通信前向链路和返向链路业务的不对称性，前向链路是整个系统容量提升的关键，目前的跳波束的研究和应用也主要集中在前向链路上，图1给出了典型的透明转发器跳波束载荷简化框图。由于跳波束的使用，将原来的前向链路连续通信模式改变为突发TDMA通信模式，因此系统同步成为了整个跳波束通信系统的关键。

如果采用星上跳波束时间基准，则对于透明转发器卫星跳波束系统而言，其信关站同步星上的同步流程、载荷及信关站资源开销都比较大，同时，波束跳变的灵活性相对较差。与其不同，如果采用星上同步信关站的方式，通过信关站发送与波束跳变相同步的波束跳变控制信息，星上捕获上该同步控制信息后并解析出波束跳变控制指令，实时切换开关组件实现波束的实时跳变。通过对波束跳变控制信息的传输格式进行优化设计，可以采用简单的星上解调方法实现同步信号的恢复，提高波束跳变控制器的可靠性。

国外相关文献重点研究跳波束的优点及其对系统容量的提升分析上，给出了较粗的转发器框图，针对跳波束的同步并没有详细研究。例如文献1“J. Anzalchi,A.Couchman，“EADS Astrium LtdBeam Hopping in Multi-Beam Broadband Satellite Systems”，20105th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th SignalProcessing for Space Communications Workshop”，该文献重点针对跳波束卫星系统和非跳波束卫星系统的通信容量进行了分析比较，给出了多波束卫星跳变系统的载荷功能框图，从其给出的星上载荷框图可以看出，信关站与卫星之间的前向链路采用了星上数字信号处理的方式。文献2“RSM-A air interface，Physical layer specification，Part 2:Frame structure；ETSI TS 102 188-1 V1.1.2 (2004-07)”，该文献是欧洲为宽带卫星通信系统开发的国际标准之一，主要针对星上处理卫星系统，该标准主要在下行链路通过特定的帧结构设计支持卫星通信下行链路的跳波束，跳波束采用地面同步星上的方式，不适合透明卫星转发跳波束系统的使用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对透明转发跳波束卫星系统，给出了一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，通过信关站发送与波束跳变相同步的波束跳变控制信息，星上捕获上该同步控制信息后并解析出波束跳变控制指令，实时切换开关组件实现波束的同步跳变；该方法波束跳变同步流程简单，同步时间快，星上处理简单可靠，且不依赖具体的业务通信体制。

本发明的技术解决方案是：一种面向业务透明转发体制的跳波束同步方法，该同步方法包括如下步骤：

(1)、信关站根据预设的业务时隙发送业务信息至星上前向链路转发器，并在相同的时隙内发送相应的波束跳变控制信号至星上前向链路转发器，所述波束跳变控制信号超前于相应的波束业务信息固定时间间隔ΔT；所述波束跳变控制信号包括用户星上波束跳变的开关控制信息；

(2)、星上前向链路转发器将波束跳变控制信号进行变频滤波处理后发送给星上跳波束控制器，星上跳波束控制器对波束跳变控制信号进行突发捕获以及解调译码处理，提取波束跳变开关控制信息，根据波束跳变开关控制信息实现对前向链路转发器的波束控制开关的切换，前向链路转发器收到的相应时隙的业务信道将通过相应的波束被发送出去；

所述固定时间间隔ΔT为：星上前向链路转发器从收到波束跳变控制信号到提取波束跳变开关控制信息所需要的处理时延以及开关的切换时延之和。

所述波束跳变控制信号由固定长度的PN捕获序列部分和包含波束跳变开关控制信息的控制信息组成。

所述波束跳变控制信号的控制信息采用DVB-S2X标准中RM(7,64)编码。

所述PN序列的码长大于128。

所述波束跳变控制信号采用DBPSK调制方式进行调制。

所述步骤(2)检测波束跳变控制信号，提取波束跳变开关控制信息的具体方法为：

(2.1)、对收到的波束跳变控制信号进行AD采样及变频滤波得到数字基带信号，每符号采样点为N个，N大于等于8；

(2.2)、对数字基带信号I、Q进行串并变换，产生N路并行数据；

(2.3)、对N路并行数据进行分时解差分和硬判决，得到N路数据序列；

(2.4)、将N路数据序列分别与本地差分PN序列相关，进行相关峰值的检测，提取相关峰值最大且相关峰值大于预设门限的一路数据序列进行 RM译码，得到波束跳变开关控制信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过信关站发送与业务信号时隙相关联的波束跳变控制信号的方法，实现了星上快速可靠的波束跳变，相比现有技术中的业务信号再生后的波束跳变同步方法，在满足不改变业务通信信号体制的前提下，简化了星地波束跳变的同步过程以及星上处理的复杂度。

(2)、本发明采用了DBPSK调制以及高性能的RM编码方式，星上波束跳变控制信号的整个处理流程中的各模块实现简单，没有复杂算法，只进行简单的乘法运算、加法运算以及逻辑运算，不需要RAM及ROM等存储资源，整个解调器的实现硬件资源开销小，能够使用ACTEL等反熔丝 FPGA实现，极大提高了星上波束控制的可靠性。

附图说明

图1典型透明转发器跳波束载荷简化框图；

图2信关站发送的前向链路信号示意图；

图3波束跳变同步控制信号示意图；

图4波束跳变同步控制信号星上解调流程。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的透明转发器跳波束载荷简化框图，具体如下：

信关站产生每个波束所需要的前向业务信号时隙，通过馈电上行链路发送给星上，星上前向链路转发器接收该业务信号，并对该业务信号进行再生解调，根据业务信息里含有的对应波束信息，产生波束控制信号给星上跳波束控制器用于波束的切换，同时前向链路转发器再对业务信号再调制，产生对应波束的业务信号。

如图2所示，本发明提供的一种面向透明卫星转发器的跳波束同步方法，步骤如下：

(1)、信关站根据预设的业务时隙发送业务信息至星上前向链路转发器，并在相同的时隙内发送相应的波束跳变控制信号至星上前向链路转发器，所述波束跳变控制信号超前于相应的波束业务信息固定时间间隔ΔT；所述波束跳变控制信号包括用户星上波束跳变的开关控制信息；

(2)、星上前向链路转发器将波束跳变控制信号进行变频滤波处理后发送给星上跳波束控制器，星上跳波束控制器对波束跳变控制信号进行突发捕获以及解调译码处理，提取波束跳变开关控制信息，根据波束跳变开关控制信息实现对前向链路转发器的波束控制开关的切换，前向链路转发器收到的相应时隙的业务信道将通过相应的波束被发送出去；

所述固定时间间隔ΔT为：星上前向链路转发器从收到波束跳变控制信号到提取波束跳变开关控制信息所需要的处理时延以及开关的切换时延之和。

由以上步骤可知，星上同步信关站的跳波束同步方法为单向开环同步，同步流程简单，同步时间快，其核心是信关站发送的业务信号和同步控制信号的同步设计以及星上波束跳变控制器的高可靠快速同步解调方法。下面重点介绍波束跳变控制信号设计和同步控制信号星上处理流程。

(1)波束跳变控制信号设计

在星上同步信关站的跳波束同步方法中，波束跳变同步控制信号的设计是整个系统的关键，既要保证星上高的同步概率，同时也要简化星上实现复杂度，便于用更可靠的处理器实现，图2给出了一种波束跳变同步控制信号的信号结构。

为了提高星上对波束跳变同步控制信号的捕获概率，降低漏捕和误捕概率，同时提高波束跳变开关控制信号的数据正确性，整个波束跳变同步控制信号由两部分组成，第一部分是相关性能好的的固定长度PN捕获序列，第二部分是控制信息。

1)固定长度的PN序列用于星上控制信号突发检测，其要求相关性好，具体PN码长读的选择可以根据实际控制信息到达跳波束控制器的信噪比而定，为了提高捕获概率，减小误捕概率，建议PN序列的长度在128bit以上， PN序列可以采用常用的方法生成，主要保证其相关性能，例如采用小m序列、大M序列或Gold码序列等方法生成；

2)、控制信息建议采用DVB-S2X标准中RM(7,64)编码，其特点是误码率低，增益高。在Es/N0＝0dB时，误码率仍优于10E^-9；

3)、波束跳变同步控制信号采用DBPSK，便于星上采用简化的解调方案。

采用DBPSK调制以及高性能的RM编码方式，星上波束跳变控制信号的整个处理流程中的各模块实现简单，没有复杂算法，只进行简单的乘法运算、加法运算以及逻辑运算，不需要RAM及ROM等存储资源，整个解调器的实现硬件资源开销小，能够使用ACTEL等反熔丝FPGA实现，极大提高了星上波束控制的可靠性。

(2)同步控制信号星上处理流程

由于波束跳变同步控制信号采用了短突发信号结构，结合图3给出的同步控制信号的结构，图4给出了星上处理流程框图。该方法的优点是不需要传统解调器所需要的载波同步以及位同步流程，极大简化了星上处理复杂度，具体解调流程说明如下：

(2.1)、对收到的波束跳变控制信号进行AD采样及变频滤波得到数字基带信号，每符号采样点为N个，N大于等于8；

(2.2)、对数字基带信号I、Q进行串并变换，产生N路并行数据；

(2.3)、对N路并行数据进行分时解差分和硬判决，得到N路数据序列；

(2.4)、将N路数据序列分别与本地差分PN序列相关，进行相关峰值的检测，提取相关峰值最大且相关峰值大于预设门限的一路数据序列进行 RM译码，得到波束跳变开关控制信息。

综上所述，本发明通过信关站发送与业务信号时隙相关联的波束跳变控制信号的方法，实现了星上快速可靠的波束跳变，相比现有技术中的业务信号再生后的波束跳变同步方法，在满足不改变业务通信信号体制的前提下，简化了星地波束跳变的同步过程以及星上处理的复杂度，波束跳变同步流程简单，同步时间快，波束跳变灵活，与业务通信体制解耦。

本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (6)

1.一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、信关站根据预设的业务时隙发送业务信息至星上前向链路转发器，并在相同的时隙内发送相应的波束跳变控制信号至星上前向链路转发器，所述波束跳变控制信号超前于相应的波束业务信息固定时间间隔ΔT；所述波束跳变控制信号包括用户星上波束跳变的开关控制信息；

(2)、星上前向链路转发器将波束跳变控制信号进行变频滤波处理后发送给星上跳波束控制器，星上跳波束控制器对波束跳变控制信号进行突发捕获以及解调译码处理，提取波束跳变开关控制信息，根据波束跳变开关控制信息实现对前向链路转发器的波束控制开关的切换，前向链路转发器收到的相应时隙的业务信道将通过相应的波束被发送出去；

所述固定时间间隔ΔT为：星上前向链路转发器从收到波束跳变控制信号到提取波束跳变开关控制信息所需要的处理时延以及开关的切换时延之和。

2.根据权利要求1所述的一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，其特征在于所述波束跳变控制信号由固定长度的PN捕获序列部分和包含波束跳变开关控制信息的控制信息组成。

3.根据权利要求2所述的一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，其特征在于所述波束跳变控制信号的控制信息采用DVB-S2X标准中RM(7,64)编码。

4.根据权利要求2所述的一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，其特征在于所述PN序列的码长大于128。

5.根据权利要求3所述的一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，其特征在于所述波束跳变控制信号采用DBPSK调制方式进行调制。

6.根据权利要求5所述的一种面向业务信息透明转发的星上跳波束同步方法，其特征在于所述步骤(2)检测波束跳变控制信号，提取波束跳变开关控制信息的具体方法为：

(2.1)、对收到的波束跳变控制信号进行AD采样及变频滤波得到数字基带信号，每符号采样点为N个，N大于等于8；

(2.2)、对数字基带信号I、Q进行串并变换，产生N路并行数据；

(2.3)、对N路并行数据进行分时解差分和硬判决，得到N路数据序列；

(2.4)、将N路数据序列分别与本地差分PN序列相关，进行相关峰值的检测，提取相关峰值最大且相关峰值大于预设门限的一路数据序列进行RM译码，得到波束跳变开关控制信息。