CN110401504A - 一种基于tdma的卫星通信系统时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法，在发送站端设置一个频率为f_x的时钟作为网络参考时钟NCR，网络参考时钟NCR每个时钟周期计数器+1，每24小时进行清零；将发送站端的时钟计数值NCR_Value作为时间戳定时插入前向链路信号序列中；用户站根据接收到的NCR_Value和终端地理位置信息预置的NCR_offset计算得到链路总时间计数值NCR_X；根据NCR_X计算帧F、时隙Slot和符号Symbol的偏移量，再以f_{_symbol}为基准时钟进行持续累加作为时隙调整参数，对用户站进行时隙调整；本发明的方法，不依赖于解调芯片本身是否支持标准的NCR解析功能，并且属于开环校准，校准实时，精度高。

Description

一种基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是卫星通信领域，具体公开了一种基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法。

背景技术

卫星移动通信由于受地面设备和地理环境影响较小，因此，在航空航天、远洋运输、防灾减灾、特种通信等方面应用广泛。在MF-TDMA体制下的卫星通信系统主要包括中心站和用户站；拓扑结构为星状，由前向DVB广播和一个或多个使用时分多址(TDMA)的入向载波来实现；中心站通过前向广播信道实现数据下传；用户站通过时分多址信道实现数据回传。

一个典型的MF-TDMA卫星通信系统网络拓扑如图1所示。主站通过前向TDM载波，经过中心站天线发送信号至卫星上的前向转发器，各个用户站接收前向TDM载波。返向通过不同的频率和不同的时隙两个维度实现信息回传。主站通过前向TDM载波，经过中心站天线发送信号至卫星上的前向转发器，各个用户站接收前向TDM载波。返向链路通过不同的频率和同一个频率内的不同时隙两个维度实现信息回传。

目前的卫星通信系统中，为了节约用户站成本通常会采用较为廉价的解调芯片设计用户站。而市场上大多数解调芯片通常仅仅支持FDMA点对点通信功能，能够解析出NCR(网络时钟参考)和支持TDMA功能解调芯片价格普遍较高，并且硬件电路一般需要增加专用的时钟电路配合使用，使用方法复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过插入自定义的NCR，实现不依赖与解调芯片解析出NCR的TDMA卫星通信系统时间同步方法。本发明的技术方案如下：

一种基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法：

在发送站端设置一个频率为f_x的时钟作为网络参考时钟NCR，网络参考时钟NCR每个时钟周期计数器+1，每24小时进行清零；

将发送站端的时钟计数值NCR_Value作为时间戳定时插入前向链接路信号序列中；

用户站根据接收到的NCR_Value和终端地理位置信息预置的NCR_offset计算得到链路总时间计数值NCR_X；根据NCR_X计算帧F、时隙Slot和符号Symbol的偏移量N_F、N_Slot和N_symbol；将N_F，N_Slot，N_symbol以符号Symbol的更新频率f_{_symbol}为基准时钟进行持续累加作为时隙调整参数，对用户站进行时隙调整；

其中，NCR_X＝NCR_Value+NCR_offset；

NCR_offset＝链路总时延T×f_x；

F＝Slot×P；

Slot＝Symbol×M。

具体的，链路总时延T＝D+2×L+t，D为发送站端到卫星的时延，L为卫星到用户站的时延，t为用户站接收固有时延。

具体的，在下一个帧的起始位置对用户站进行时隙调整。

具体的，N_F，N_Slot，N_symbol计算方法如下：

将NCR_X折算成符号的值，

除法余数Remainder_1；

除法余数Remainder_2＝N_symbol。

本发明提供的时间同步方法，以1个符号率为误差进行时间校准，由于在TDMA系统中时隙间的保护间隔通常为10个符号以上，所以本发明的方法可以有效的保证TDMA时间同步；本发明的方法NCR提取的方法简单，不依赖于解调芯片本身是否支持标准的NCR解析功能，并且属于开环校准，校准实时，精度高。

附图说明

图1为MF-TDMA网络下的卫星通信系统示意图

图2为TDMA时间校准示意图

图3为时隙构成示意图

图4为时间校准TDMA对齐情况示意图

图5为时间未校准TDMA对齐下业务冲突情况示意图1

图6为TS流格式下NCR插入格式定义的示意图

图7为时间未校准TDMA对齐下业务冲突情况示意图2

图8为NCR校准计算模块工作流程示意图

图9为TDMA时间校准示意图

具体实施方式

本发明主要针对卫星通信系统的TDMA网络时间校准，首先对卫星通信系统的TDMA授时的基本概念进行描述。如图2所示是TDMA时间校准示意图。其中，用户站A和用户站B通过TDMA的方式将信号回传给主站X。系统预先分配了特定的时隙结构，用户站A和B时间校准的结果通过主站X下发的NCR(网络时钟参考)值进行相应的计算和校准，从而保证两个用户站在卫星转发器上的TDMA对齐点O时间轴上对齐。

对于TDMA系统，首先引入时隙的概念。对于用户站而言，卫星无线信号的传输从数字样点通过数字转模拟信号，然后发射出去。时隙的构成概念如图3所示，样点往上的概念分别为符号、时隙、帧。假设系统中每N个样点构成一个符号，每M个符号组成一个时隙，每P个时隙构成一个帧。用户站在空中就是一个一个的帧进行发送的。为方便说明，我们在后续的描述中假定N＝8，N＝10，P＝10(具体的值依据不同的系统设计而定)。也就是说在这样的参数下，每一个超帧包含了10个时隙，100个符号，800个样点。其中样点、符号、时隙更新的频率分别为f_{_Sample}、f_{_Symbol}和f_{_Slot}。

参见图4，时间校准TDMA对齐下的情况下，从卫星转发器TDMA对齐点O位置到卫星主站预留一条时间轴上的信号如图中空口时隙部分。其中在时间轴上的绿色部分时隙分配给用户站A，黄色部分时隙分配给用户站B。用户站A和用户站B从时间上完美错开，系统可以通过时分复用的方式在一条物理信道传送两个用户站信息，对于更多的用户站也进行类似的处理。如图5所示，用户站时间未校准的情况下，容易造成业务冲突，从而造成错误。

为了解决上述问题，本发明基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法原理如下：

S1.在主站X端(发送站)设置一个频率为f_x的时钟作为网络参考时钟NCR，网络参考时钟NCR每个时钟周期计数器+1，每24小时进行清零。例如f_x＝8M，24小时NCR最大值为8000000×24×3600＝691200000000。

S2.将主站X的时钟计数值NCR_Value作为时间戳定时插入前向链接路信号序列中；

S3.用户站根据接收到的NCR_Value和终端地理位置信息预置的NCR_offset计算得到链路总时间计数值NCR_X；根据NCR_X计算帧F、时隙Slot和符号Symbol的偏移量N_F、N_Slot和N_symbol；将N_F，N_Slot，N_symbol以符号Symbol的更新频率f_{_symbol}为基准时钟进行持续累加作为时隙调整参数，在下一个帧的起始位置对用户站进行时隙调整；

其中，NCR_X＝NCR_Value+NCR_offset；

NCR_offset＝链路总时延T×f_x；

F＝Slot×P；

Slot＝Symbol×M。

具体的，链路总时延T＝D+2×L+t，D为发送站端到卫星的时延，L为卫星到用户站的时延，t为用户站接收固有时延。

在前向链接路信号序列中插入NCR_Value时通过时间控制手段定时(例如启动计数器操作，定时如每秒8次)插入标准预定义的数据格式段内，如TS(Transport Stream)标准。定义标准的TS字段标识NCR值，如图6所示，便于在用户端识别标识并将NCR解析出来，NCR值(即计数器内容)字节数可以自定义。需要说明的是，本发明插入方法不局限与TS流，TS流仅列举使用。

以下以不同位置两个用户站的情况，说明时间校准过程：

有用户站A和用户站B，用户站A和用户站B由于地理位置信息不同，用户站B与星上转发器之间的距离大于和用户站A与星上转发器之间的距离，用户站与星上转发器之间的星上距离可以通过用户站端的地理位置信息计算得到(因为卫星的位置和用户站的位置为已知量)。参见图2，设主站到卫星转发器的距离为D，用户站A与卫星的时延为L1，用户站B与卫星的时延L2，用户站处理固定时延为t。卫星与地球站(主站或用户站)的时间可以计算：

T＝距离(米)/300000000，其中其中30万公里/s为电磁波传播，时间以秒为单位。进一步地，从主站发送端作为起点，TDMA作为终点：计算整条路径的时间长度：用户站A：T1＝D+2×L1+t。用户站B：T2＝D+2×L2+t。转换成以f_X为时钟驱动计数值：用户站A：NCR_offset_A＝(D+2×L₁+t)·f_X。用户站B：NCR_offset_B＝(D+2×L₂+t)·f_X。

主站端的NCR值从同一点出发，通过空口、卫星转发器到达用户站，考虑信号最终返回星上转发器，在用户站A和用户站B处解析将NCR_value解析出来，由于用户站B的距离相对主站的距离较远，即NCR_offset_B＞NCR_offset_A，显然，用户站B将NCR_Value解析出来的时间更为滞后。

为便于理解，举个具体的例子，参见图7，NCR_Value时间戳保护了北京时间8:00的信息下发，在8:10时刻，用户站A解析出了8:00，用户站A通过NCR_offset_A可以将时钟拨到8:10，而在8:15时刻，用户站解析出了8:00，用户站B通过NCR_offset_B可以将时钟拨到8:15。如此用户站A和用户站A参考了同一个时钟系统，依据该时钟系统进行时隙。

因此，用户站A在收端计算NCR_A＝NCR_offset_A+NCR_value，用户站B在收端计算NCR_B＝NCR_offset_B+NCR_value，通过NCR_A和NCR_B进行时间校准的计算。

具体的，根据NCR的值计算N_F，N_Slot，N_symbol，方法如下：

将NCR_X折算成符号的值，

除法余数Remainder_1；

除法余数Remainder_2＝N_symbol。

计算得到N_F，N_Slot等参数后，以计算值为当前值，以f_{_symbol}为基准时钟对当前值通过计数器进行持续累加，当f_{_symbol}计数满一个时隙Slot时，N_Slot+1，N_F计数满一个帧F时，N_F+1。

本发明提供的时间同步方法，以1个符号率为误差进行时间校准，由于在TDMA系统中时隙间的保护间隔通常为10个符号以上，所以本发明的方法可以有效的保证TDMA时间同步；本发明的方法NCR提取的方法简单，不依赖于解调芯片本身是否支持标准的NCR解析功能，并且属于开环校准，校准实时，精度高。

据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (4)

1.一种基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法,其特征在于：

在发送站端设置一个频率为f_x的时钟作为网络参考时钟NCR，网络参考时钟NCR每个时钟周期计数器+1，每24小时进行清零；

将发送站端的时钟计数值NCR_Value作为时间戳定时插入前向链接路信号序列中；

用户站根据接收到的NCR_Value和终端地理位置信息预置的NCR_offset计算得到链路总时间计数值NCR_X；根据NCR_X计算帧F、时隙Slot和符号Symbol的偏移量N_F、N_Slot和N_symbol；将N_F，N_Slot，N_symbol以符号Symbol的更新频率f_{_symbol}为基准时钟进行持续累加作为时隙调整参数，对用户站进行时隙调整；

其中，NCR_X＝NCR_Value+NCR_offset；

NCR_offset＝链路总时延T×f_x；

F＝Slot×P；

Slot＝Symbol×M。

2.根据权利要求1所述的基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法,其特征在于：链路总时延T＝D+2×L+t，D为发送站端到卫星的时延，L为卫星到用户站的时延，t为用户站接收固有时延。

3.根据权利要求1所述的基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法,其特征在于：在下一个帧的起始位置对用户站进行时隙调整。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于TDMA的卫星通信系统时间同步方法,其特征在于：

N_F，N_Slot，N_symbol的计算方法为：

除法余数Remainder_1；

除法余数Remainder_2＝N_symbol。