CN110493864B - 一种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其能够使CDMA在准同步的条件下运行，适用于存在中继节点的开放无线信道，如卫星通信系统中，也适用于不存在中继节点的开放无线信道。这种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，在开放无线信道下，多个发送站使用CDMA扩频传输方式共享功率资源发送信号；使用外部导引信号，为开放无线信道中多个终端站所发送的CDMA信号提供时钟同步，并消除多个终端站到中继节点或接收站的路径时延差异，使得在中继节点或接收站所接收的多路CDMA信号时钟同步、相位对齐，实现多路CDMA信号的准同步接收。

Description

一种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其涉及一种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法。
背景技术
CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)接入方式对不同用户分配不同的扩频地址码实现卫星资源共享，CDMA用户之间占用相同的频率同时发送，用户之间通过码子的正交性来区分用户，相比于FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址)，CDMA技术相对复杂，多用于星状组网中。
CDMA技术已被第二代(IS-95)和第三代(CDMA2000)通信标准所采用，成为主流的通信体制之一。同时，CDMA技术因其抗干扰，保密性好，发送信号功率低等特点，也广泛地应用在军事通信中。CDMA技术相比于FDMA和TDMA技术，具有软信道容量的优势。采用FDMA和TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)的通信系统，当用户数多于频带数和时隙数时，系统就无法满足其他用户的通信需要，因此TDMA和FDMA技术具有硬信道容量极限。而CDMA技术可以利用多用户检测，提高用户容量。
在卫星通信返向链路中，CDMA多址复用技术已被广泛采用。首先，CDMA技术的发送功率相比于TDMA和FDMA都更低，因此具有良好的保密性；其次，如前所述，CDMA相比于FDMA和TDMA具有软信道容量的优势，通过有效的多用户检测技术，可以满足更多用户的通信需求；再次，CDMA技术可以对抗窄带干扰；最后，CDMA技术可以降低返向发送的EIRP值，避免对邻星的干扰，特别符合“动中通”卫星通信系统的通信要求。因此，无论是无线通信系统或者卫星通信系统，CDMA技术都具有广泛的应用前景。
在DS-CDMA(Direct Sequence—Code Division Multiple Access，直接序列码分多址)中，各用户的符号被一组正交波形调制。每个用户被分配给一个与其他用户都正交的波形。图1为DS-CDMA技术的系统模型。从原理上来说，DS－CDMA是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。接收端需要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。DS－CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。DS－CDMA其余优点：许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配和管理；具有"软容量"特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说DS－CDMA没有绝对的容量限制。
但是，传统的CDMA由于需要严格同步，直接应用于地球同步轨道卫星通信中存在着很大的困难。
地球同步轨道卫星运行的周期等于地球自转周期的轨道。如果这种轨道的偏心率和倾角都为零，即该卫星的星下点轨迹位置始终保持不变，从地球上任意一点来看卫星都是静止的，这种轨道称之为静止轨道。对于倾角不为零的地球同步圆轨道，其星下点轨迹是一个“8字”形，卫星飞越的南北纬的最高维度等于其轨道倾角。如果卫星运行受到摄动影响，地面星下点轨迹将呈现扭曲的“8字”形。这就造成地面站需要实时追踪卫星的仰角，并且克服由此带来的同步不精确问题。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其能够使CDMA在准同步的条件下运行，从而适用于存在中继节点的开放无线信道，如卫星通信系统中，也适用于不存在中继节点的开放无线信道。
本发明的技术方案是：这种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，
在开放无线信道下，多个发送站使用CDMA扩频传输方式共享功率资源发送信号；
使用外部导引信号，为开放无线信道中多个终端站所发送的CDMA信号提供时钟同步，并消除多个终端站到中继节点或接收站的路径时延差异，使得在中继节点或接收站所接收的多路CDMA信号时钟同步、相位对齐，实现多路CDMA信号的准同步接收。
本发明在开放无线信道下，多个发送站使用CDMA扩频传输方式共享功率资源发送信号；使用外部导引信号，为开放无线信道中多个终端站所发送的CDMA信号提供时钟同步，并消除多个终端站到中继节点或接收站的路径时延差异，使得在中继节点或接收站所接收的多路CDMA信号时钟同步、相位对齐，实现多路CDMA信号的准同步接收，因此能够使CDMA在准同步的条件下运行，从而适用于存在中继节点的开放无线信道，如卫星通信系统中，也适用于不存在中继节点的开放无线信道。
附图说明
图1示出了DS-CDMA技术的系统模型。
图2示出了非静止地球同步轨道卫星星下点轨迹的示意图。
图3示出了获取导引信号的流程图。
图4示出了根据本发明的一个优选实施例的导频帧结构的示意图。
具体实施方式
这种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，
在开放无线信道下，多个发送站使用CDMA扩频传输方式共享功率资源发送信号；
使用外部导引信号，为开放无线信道中多个终端站所发送的CDMA信号提供时钟同步，并消除多个终端站到中继节点或接收站的路径时延差异，使得在中继节点或接收站所接收的多路CDMA信号时钟同步、相位对齐，实现多路CDMA信号的准同步接收，即，QS-CDMA(Quasi-Synchronized Code Division Multiple Access)。
本发明在开放无线信道下，多个发送站使用CDMA扩频传输方式共享功率资源发送信号；使用外部导引信号，为开放无线信道中多个终端站所发送的CDMA信号提供时钟同步，并消除多个终端站到中继节点或接收站的路径时延差异，使得在中继节点或接收站所接收的多路CDMA信号时钟同步、相位对齐，实现多路CDMA信号的准同步接收，因此能够使CDMA在准同步的条件下运行，从而适用于地球同步轨道卫星通信中。
优选地，外部导引信号包含稳定连续的时钟同步信息、持续的基准定时信息，接收所述外部导引信号来保证系统内的多个终端站以外部时钟为基准实现时钟准同步，并建立时间基准。
更进一步地，如果开放无线信道中存在中继节点，且在中继节点位置或运动轨迹已知的条件下，各个终端站通过中继节点实现探测帧的自发自收，测定该终端站与中继节点的绝对距离，发送CDMA信号的多个终端站对各自相对于中继节点的距离差做出相位补偿，使得所发送的多路CDMA信号在达到中继节点时实现相位对齐，结合基于外部导引信号的时钟准同步，实现基于外部导引信号的时钟和相位对齐，保证多路CDMA信号在中继节点的准同步合路并进而在接收中断站实现准同步接收。
或者，如果开放无线信道中无中继节点，多个终端站向同一个终端站发送CDMA信号时，在基于外部导引信号实现时钟准同步的基础上，多个发送终端站各自向接收终端站发送测试帧，并接收终端站回应的测试应答，并进一步测定每个发送终端站和接收终端站之间的距离；发送CDMA信号的多个终端站对各自相对于接收终端站的距离差做出相位补偿，使得所发送的多路CDMA信号在达到接收终端站时实现相位对齐，结合基于外部导引信号的时钟准同步，实现基于外部导引信号的时钟同步和相位对齐，保证多路CDMA信号在接收终端站的准同步接收。
优选地，基于外部导引信号实现时钟准同步后，通过连续或间歇接收外部导引信号保持时钟同步，而发送终端站到中继节点或接收终端站的距离变化随时间累积，发送终端站向中继节点或接收终端站周期性地发送探测帧，重新测定距离、重置相位，实现相位对齐。准同步CDMA的性能决定于相位对齐和时钟同步的精度，该精度对应于测距周期时间内发送终端站和中继节点或接收终端站之间相对位置的变化。
更进一步地，为保证CDMA中准同步接收的性能，所述相位对齐精度小于扩频码片宽度的1/4。
更进一步地，GPS和北斗系统是用来支持CDMA准同步接收的外部导引信号源，GPS/北斗系统为终端站提供精准的时钟同步并能够提供各终端站的地理位置信息，若信道中不存在中继节点，则直接测算出多个CDMA信号发送终端站和接收终端站之间的距离并在发送端对距离差做出补偿，实现接收终端站对多路CDMA信号的准同步接收；若信道中存在中继节点，则获知中继节点的位置或轨迹信息后，测定发送终端站和中继节点之间的距离，在多路CDMA的发送端对与中继节点间的距离差做出补偿，实现中继节点处多路CDMA信号的准同步合路，并进一步实现在接收端的多路CDMA信号的准同步接收。CDMA信号相位对齐的效果取决于GPS/北斗信号的时钟稳准度和定位精度。
更进一步地，如图3所示，所述基准时钟通过导引信号获取；该导引信号为：
在开放无线信道中选定一个终端站作为基准，发送一路导引信号，导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-5％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响低于接收端本底热噪声的影响；
导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
更进一步地，如图4所示，所述导引信号包括：帧头、帧序号和指示信息数据体。帧头包括同步头、导频，同步头用于导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段是对导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示信道、网络状态和管理信息；各终端站对该导引信号进行解调接收，提取出载波、时钟信息，通过固定信号帧的周期和在信号帧中的标识帧序号，获得时钟基准，根据导引信号中的指示信息对发送导引信息的基准站进行鉴别并完成其他指示信息的接收。
优选地，同步范围在1/2～1/32时隙。其中1/32时隙效果最佳，可以使CDMA接近在同步状态下运行。
具体地，发送站发送的信号，每一帧的长度固定，每一帧的信息速率固定，因此每一帧所代表的时间长度也固定，因此所述接收站通过发送站发送信号的信号帧之间的间隔来确定时间间隔，将信号帧之间的间隔作为时钟的基本单位；通过不同序号帧之间的时间差来完成时间标定，如果前后两帧时间间隔计数不等于信号帧周期，则接收站时钟进行调整。
地面接收站连续接收导引信号，并且根据帧结构可以对接收导引信号中的每一帧进行区分，作为导引信号，每一帧的长度固定，每一帧的信息速率固定，因此每一帧所代表的时间也固定，因此地面接收站可以通过导引信号帧之间的间隔来确定时间间隔，将信号帧之间的间隔(即，信号帧周期)作为时钟的基本单位，通过不同序号帧之间的时间差来完成时间标定，如果前后两帧时间间隔计数不等于导引信号帧周期，则地面接收站时钟需要进行调整。
更进一步地，信号帧的周期范围在50ms～250ms。当信号帧周期为50ms、100ms、150ms、200ms、250ms这些50ms的整数倍时，作为时钟的基本单位和标定的效果最好。
导引信号发送端是卫星时，导引信号为：
在卫星的每一个数据信号载波上叠加一个导引信号并通过卫星广播；所述导引信号通过扩频码进行扩频通信，且功率为通信卫星转发器功率的1‰-1％；
在网络中，用户接收站监听卫星的导引信号，通过接收导引信号，完成用户接收站和卫星时钟的时钟同步。
信号发送端是地球站中的管理中心站时，导引信号为：
在作为信号发送端的地球站的每一个数据信号载波上，叠加一个导引信号；
在作为信号接收端的地球站，对所述导引信号进行解调接收，提取出载波的信息，从而对作为信号发送端的地球站进行识别；
所述导引信号通过扩频码进行扩频通信，且功率为通信卫星转发器功率的0.1‰-5％。
具体地，所述导引信号包括：帧头(Header)、导频(Pilot)、帧序号(ID)和数据体(Data Frame)。图4示出了根据本发明的一个优选实施例的导频帧结构的示意图。
更进一步地，帧头用于导引信号帧定时及载波恢复，长度在16～128bit；导频字段为全0字段，长度在60bit以上，用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段长度在8bit以上，用于对地球站绝对距离进行测量；数据体字段承载网络管理信息，用于与网内其他站管理和维护卫星网络信息，长度在256～1008bit。
更进一步地，在区分信道和扩展速率时，使用OVSF码(正交可变扩频因子，Orthogonal Variable Spreading Factor。OVSF码主要用于正交扩频。业务信道的速率不同，使用的OVSF码的长度也不同)。使用OVSF码的原因是，OVSF码有正交性，长度又可变。
更进一步地，扩频序列采用OVSF码。由此带来支持可变速率。
更进一步地，所述导引信号采用二进制相移键控BPSK方式循环调制，连续不断地保持发送；为每一个用户站配备一个导引信号接收机，导引信号接收机对导引信号进行解扩，然后直接硬接收，得到导引信号的信号帧，通过帧头来判断信息位，连续接收导引信号来完成时钟准同步。由于GDP帧长度和时间固定，因此连续接收GDP即可完成时钟准同步。
其中，对于大信号(可推满整个转发器功率的一半以上的信号归结为大信号)，通过TDMA帧的帧头来重新排列，从而完成接收，然后将大信号消去，得到小信号(可推满整个转发器功率的10％以下的信号归结为小信号)混合信号，再利用相互正交的OVSF码，来对小信号混合信号进行解扩，从而完成接收。
其中，对于中信号(可推满整个转发器功率的10％～50％的信号归结为中信号)，由于OVSF码的正交性，因此可以直接利用相应的扩频码来完成解扩接收，从而得到目标信号。
优选地，信号帧的周期范围在50ms～250ms。
当信号帧周期为50ms、100ms、150ms、200ms、250ms这些50ms的整数倍时，作为时钟的基本单位和标定的效果最好。
优选地，通过发送端和接收端的相位差，得到卫星与地球站之间绝对距离的变化。
在管理中心站连续发送导引信号的过程中，卫星会围绕着地球不断移动，并且相对于星下点呈现“8”字轨迹移动，因此卫星与管理中心站之间的距离不断发生变化，因此导引信号的路径时延会不断变化，但卫星的移动呈现一定的规律性，都是由远到近再由近到远地进行变化，因此路径时延的变化也呈现一定的规律性。
对于管理中心站，通过自身接收导引信号，发送到卫星的链路路径时延变化和接收到来自卫星信号的链路路径时延变化一致，因此在导引信号接收端和导引信号发送端之间的相位时延等效于双倍的星地路径时延变化，因此当扩频通信的接收机，探测到最大相关峰向某个方向移动，即可在跟踪最大相关峰的同时，得到相位时延，相位时延的一半即为路径时延，路径时延乘以光速即可得到卫星与地球站之间的绝对距离变化。
优选地，通过粗颗粒度的卫星地面站之间绝对距离和细颗粒度的卫星地面站之间绝对距离变化，实现卫星测距。
通过导引信号，可以利用管理中心站发送特定帧序号帧的绝对时间和接收到特定帧序号帧的绝对时间，进行做差即可得到卫星地面站之间的绝对路径时延，与光速相乘即可得到星地绝对距离的值，但因为卫星通信的路径时延在280ms左右，所以绝对距离在一段时间内采样较少，无法完成非常精确的卫星测距。
但通过加入绝对距离的变化，这个值是随着扩频接收机最大相关峰的移动来测量的，在一段时间内，采样数量极大，因此可以通过绝对距离的变化来对绝对距离进行补全，在两个绝对距离之间，通过绝对距离的变化值来预测中间时刻点的绝对距离，从而完成高精度的卫星测距。
优选地，所述导引信号采用二进制相移键控BPSK方式循环调制，连续不断地保持发送。这样能够使网络内所有地球站都可以接收到导引信号。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：在开放无线信道下，多个用于发送的终端站使用CDMA扩频传输方式共享功率资源发送信号；
使用外部导引信号，为开放无线信道中多个终端站所发送的CDMA信号提供时钟同步；测定各终端站与中继节点或用于接收的终端站的绝对距离，各终端站对各自相对于中继节点或用于接收的终端站的距离差做出相位补偿，使得所发送的多路CDMA信号在达到中继节点或用于接收的终端站时实现相位对齐，结合基于外部导引信号的时钟同步，实现基于外部导引信号的时钟和相位对齐；并消除多个终端站到中继节点或用于接收的终端站的路径时延差异，使得在中继节点或用于接收的终端站所接收的多路CDMA信号时钟同步、相位对齐，实现多路CDMA信号的准同步接收；
外部导引信号包含稳定连续的时钟同步信息、持续的基准定时信息，接收所述外部导引信号来保证系统内的多个终端站以外部时钟为时钟基准实现时钟准同步，并建立时间基准。
2.根据权利要求1所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：如果开放无线信道中存在中继节点，且在中继节点位置或运动轨迹已知的条件下，各个终端站通过中继节点实现探测帧的自发自收，测定各终端站与中继节点的绝对距离，发送CDMA信号的多个终端站对各自相对于中继节点的距离差做出相位补偿，使得所发送的多路CDMA信号在达到中继节点时实现相位对齐，结合基于外部导引信号的时钟准同步，实现基于外部导引信号的时钟和相位对齐，保证多路CDMA信号在中继节点的准同步合路并进而在用于接收的终端站实现准同步接收。
3.根据权利要求1所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：如果开放无线信道中无中继节点，多个用于发送的终端站向同一个用于接收的终端站发送CDMA信号时，在基于外部导引信号实现时钟准同步的基础上，多个用于发送的终端站各自向用于接收的终端站发送测试帧，用于接收的终端站回应的测试应答，并进一步测定每个用于发送的终端站和用于接收的终端站之间的距离；发送CDMA信号的多个用于发送的终端站对各自相对于用于接收的终端站的距离差做出相位补偿，使得所发送的多路CDMA信号在达到用于接收的终端站时实现相位对齐，再基于外部导引信号的时钟准同步，实现基于外部导引信号的时钟同步和相位对齐，保证多路CDMA信号在用于接收的终端站的准同步接收。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：基于外部导引信号实现时钟准同步后，通过连续或间歇接收外部导引信号保持时钟同步，而用于发送的终端站到中继节点或用于接收的终端站的距离变化随时间累积，用于发送的终端站向中继节点或用于接收的终端站周期性地发送探测帧，重新测定距离、重置相位，实现相位对齐。
5.根据权利要求4所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：为保证CDMA中准同步接收的性能，所述相位对齐精度小于扩频码片宽度的1/4。
6.根据权利要求5所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：GPS和北斗系统是用来支持CDMA准同步接收的外部导引信号源，GPS/北斗系统为终端站提供精准的时钟同步并能够提供各终端站的地理位置信息，若信道中不存在中继节点，则直接测算出多个CDMA信号用于发送的终端站和用于接收的终端站之间的距离并在发送端对距离差做出补偿，实现用于接收的终端站对多路CDMA信号的准同步接收；若信道中存在中继节点，则获知中继节点的位置或轨迹信息后，测定用于发送的终端站和中继节点之间的距离，在多路CDMA的发送端对与中继节点间的距离差做出补偿，实现中继节点处多路CDMA信号的准同步合路，并进一步实现在接收端的多路CDMA信号的准同步接收。
7.根据权利要求6所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：所述时钟基准通过外部导引信号获取；该外部导引信号为：
在开放无线信道中选定一个终端站作为基准站，发送一路外部导引信号，外部导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，外部导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，外部导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-5％，外部导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对用于接收的终端站信号接收信噪比的影响低于用于接收的终端站本地热噪声的影响；
外部导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
8.根据权利要求7所述的基于时钟导引同步条件下的准同步码分多址方法，其特征在于：所述外部导引信号包括：帧头、帧序号和指示信息数据体；帧头包括同步头、导频，同步头用于外部导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除外部导引信号帧的频偏；帧序号字段是对外部导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示信道、网络状态和管理信息；各用于接收的终端站对该外部导引信号进行解调接收，提取出载波、时钟信息，通过固定信号帧的周期和在信号帧中的标识帧序号，获得时钟基准，根据外部导引信号中的指示信息对发送导引信息的基准站进行鉴别并完成其他指示信息的接收。
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