CN112583469A - 一种基于mf-tdma体制的卫星通信系统时钟同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于MF‑TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法，它主要包括主站与小站全网时钟同步的步骤。本发明实现主站与小站全网时钟同步流程，对主站与小站间的传输延时采用自动精确延时估计算法，即对主站和小站之间的传输延时在每个参考突发周期内均进行时钟同步校验，并通过环路滤波的延时跟踪单元预估下一次突发的延时时间，避免因主站和小站的相对移动，或者钟偏的影响导致时钟网络的误差超过系统的保护间隔，甚至出现无法通信的情况，能够快速、精确的实现主站与小站的全网时钟同步，实时纠正由于主站与小站时钟相互独立，相对运动等造成的定时误差，进一步实现整个卫星通信系统的全网时钟同步。

Description

一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法。
背景技术
卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、受地面设备和地面环境影响较小等一系列特点，近几十年获得了迅速的发展，在军事通信、航空航天、抗震救灾、边远地区通信等方面应用广泛，成为现代通信的主要方式，受到各国的普遍重视。
一个典型的MF-TDMA(多频时分多址接入)卫星通信系统网络拓扑如图1所示，主要包括中心站和若干小站组成。主站通过前向TDM载波经卫星上的前向转发器，发至各个小站；返向通过不同频率和不同时隙两个维度实现信息回传。MF-TDMA制式是目前宽带多媒体卫星通信系统所采用的主流体制,已广泛应用气象、水文、交通等各行各业，其核心是各个小站与主站的时钟同步，即小站发送突发的时刻与时隙计划表中包含的时刻信息保持一致。
在卫星通信系统中随着电压电流、温度、电磁波等外部环境的变化时钟的频率会产生漂移，晶体振荡器的相位也有随机的偏移和漂移，各小站的本地时间将会出现偏差；在卫星通信的过程中，各小站的发射时间误差所造成的干扰会导致通信的失败。因而，能够快速、准确的实现卫信通信系统设备的全网时钟同步，对成功进行卫星通信至关重要。
主站与小站在建立连接及通信过程中，受独立时钟，相对运动等因素的影响，主站和小站的传输延时是不断变化的。
全网时钟同步过程，也就是对主站和小站接收和发送时刻不断校验的过程。系统中，载波资源被划分为时隙，时隙计划表依据网络时钟参考(NCR)制定，主站和小站使用载波资源时必须与NCR保持同步。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法，该方法能够快速、精确的实现主站和小站的全网时钟同步，实时纠正由于主站与小站时钟相互独立、相对运动等造成的时钟误差。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法，用于保证小站发送突发的时刻与时隙计划表中包含的时刻信息保持一致，使得各小站能够按照时隙计划表中指示，在确定的时间窗口发送突发信号；包括主站与小站全网时钟同步的步骤；
所述的主站与小站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S1:主站上电、开机初始化，本地时钟计数器NCR开始计数；
S2:在设定的固定时间间隔内，主站在前向控制链路中发送参考突发，其包括参考时钟NCR和网控信令；
S3:小站上电、开机初始化，本地时钟计数器NCR开始计数；
S4:小站捕获主站发送的参考突发，从该突发中获得主站的参考时钟NCR和空闲信道，用来发送校验突发；
S5:在步骤S4确定的空闲信道发送校验突发,并将小站发送时刻点插入校验突发中；
S6:小站接收到校验突发，并记录下接收时刻点，计算出此时刻小站与主站间的传输延时；
S7:将卫星提前测量小站与主站间的传输延时和校验突发测的传输延时进行比对，计算出小站时钟偏移量；
S8:根据步骤S7得到小站时钟偏移量，调整小站突发发射时刻；
S9:根据步骤S7得到检验值累加至小站传输延时，得到精确的小站传输延时；
S10:环路滤波，跟踪小站传播延时变化规律，预计下一次主站发送参考突发的时间。
所述的校验突发是指通过在空闲信道上发射一个长重复周期的伪码突发中频信号；
所述的环路滤波采用二阶环路滤波器单元实现。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
本发明通过小站与主站的全网时钟同步流程，即可实现整个卫星通信系统的全网时钟同步。该方法对主站与小站间的传输延时采用自动精确延时估计算法，即对主站和小站之间的传输延时在每个参考突发周期内均进行时钟同步校验，并通过环路滤波的延时跟踪单元预估下一次突发的延时时间，避免因主站和小站的相对移动，或者钟偏的影响导致时钟网络的误差超过系统的保护间隔，甚至出现无法通信的情况，能够快速、精确的实现主站与小站的全网时钟同步，实时纠正由于主站与小站时钟相互独立，相对运动等造成的定时误差，进一步实现整个卫星通信系统的全网时钟同步。
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时间较准示意图；
图3为主站和小站时钟同步过程示意图；
图4为本发明小站与主站全网时钟同步步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
实施例1
图1为MF-TDMA网络下的卫星通信系统示意图，图2为TDMA时间较准示意图，参见图1-2所示，小站通过MF-TDMA的方式将信号回传给主站，小站通过主站下发的NCR(网络时钟参考)值进行相应的计算和校准，从而保证各小站和主站时钟保持一致，使得各小站按照时隙计划表的指示在其特定突发时刻发送消息，避免因时钟不一致造成干扰。全网时钟同步(NCR)，用于保证小站发送突发的时刻与时隙计划表中包含的时刻信息保持一致，使得各小站能够按照时隙计划表中指示，在确定的时间窗口发送突发信号。
结合图2，可计算小站到主站间的总链路延时dt，值为：dt＝D+L+t，D为主站到卫星转发器的传输延时，L为小站到卫星转发器的传输延时,t为用户接收固有延时。各小站距主站距离不相等，故其链路延时不等，相对主站的距离较远其链路延时较大，接收到主站参考突发的时间较为滞后。各小站应根据自己的链路传输延时调整自己的本地时钟，小站A的调整后的本地时钟为NCR_A＝NCR+D+L1+t，小站B的调整后的本地时钟为NCR_B＝NCR+D+L2+t。
进行卫星通信时，主站和小站内部各自包含一个时钟计数器，且相互独立；通过控制小站突发发射时刻，使得各小站的突发时刻从时间上完美错开相，保证系统通过MF-TDMA的方式在一条物理信道上传送多个小站信息；小站与主站时钟同步过程如图3所示。
主站上电初始化后，时钟计数器开始计数；
主站在固定的时间间隔内，发送参考突发，T为时钟同步周期，设定为125ms；
假设主站在NCR＝NCR0时刻发射第一个参考突发，经由链路传输后突发到达小站；小站在t0时刻捕获该参考突发，解析其参考时钟NCR0并与本地比对计算出时钟偏移量t0-NCR0+dt_0，并根据时钟偏移量调整本地时钟；
假设主站在NCR＝NCR1时刻发射下一个参考突发，经由链路传输后突发到达小站。小站在t1时刻捕获该参考突发，解析其参考时钟NCR1并与本地比对计算出时钟偏移量t1-NCR1+dt_1，并根据时钟偏移量调整本地时钟；
因此，要实现全网时钟同步，主要是精准计算出小站与主站间的总链路延时dt。
一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法，所述的各小站与主站全网时钟同步；
如图3-4所示，所述的小站与主站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S1:主站上电、开机初始化后，本地时钟计数器开始计数；
S2:在NCR＝NCR0时刻，主站发送第0个参考突发，参考突发中插入的参考时钟为NCR0；
S3:小站上电、开机初始化后，本地时钟计数器开始计数，且系统物理层工作处在捕获状态；
S4:在t0时刻捕获到主站发送参考突发，并解析出该参考突发中参考时钟NCR0及时隙分配表，获得空闲信道参数；
根据步骤S4中获得主站参考时钟NCR0，得出小站本地时间与主站NCR时间的差值为：
Δt0＝NCR0-t0+dt0＝TIME+dt0(其中，TIME＝NCR0-t0，表示本地时刻与主站的初始钟差，为固定值)；
那么，在第n个同步周期发送第n个参考突发时，帧计划表中的参考时钟为NCRn，小站本地时间与主站NCR时间的差值为Δtn＝NCRn-(TIME+tn)+dtn，其中dtn为第n个参考突发从主站到小站的传播延时；
由于钟偏、多普勒及主站与小站的相对运动等因素，卫星提前测量小站与主站间的传输延时dt不准确。本发明中，采用自动精确延时估计算法，即通过在空闲信道上发射一个长重复周期的伪码突发中频信号，在小站接收端自动检测相对延时，并记录该延时，用以校正小站与主站的时钟误差；
S5:小站在步骤S4确定的空闲信道中发送检验突发，并将小站发送时刻点t_tx插入校验突发中；
S6:小站接收到校验突发，并记录下接收时刻点t_rx；
S7:假设链路完全对称，根据校验突发计算出当前时刻主站与小站的传输延时dt'为：
dt′＝(t_rx-t_tx)/2；
小站收到校验突发后，根据计算出此时刻小站与主站间的传输延时与卫星测量的传输延时相比较，计算出一个时间校正量dt'，那么时间校正误差为dt'-dt，该值用于修正dt及小站的本地时钟值t0；
同时，由于主站与小站的时钟相互独立，因此在这里需要引入一个钟偏系数K，k可按下式计算：
k＝(t1-t0)/(NCR1-NCR0)；
S8:因此，小站调整后的本地时刻为：
tn'＝(TIME+tn)+k(NCRn-NCR(n-1))+dt'；
S9:将校正误差累加至小站传输延时，得到精确的小站传输延时；
S10:环路滤波，跟踪小站与主站传播延时变化规律，预计下一周期小站与主站间的传输延时。
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。通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达到预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制因此，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 (2)

1.一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法，用于保证小站发送突发的时刻与时隙计划表中包含的时刻信息保持一致，使得各小站能够按照时隙计划表中指示，在确定的时间窗口发送突发信号；其特征在于：所述的主站与小站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S1:主站上电、开机初始化，本地时钟计数器NCR开始计数；
S2:在设定的固定时间间隔内，主站在前向控制链路中发送参考突发，其包括参考时钟NCR和时隙分配计划表；
S3:小站上电、开机初始化，本地时钟计数器NCR开始计数；
S4:小站捕获主站发送的参考突发，从该突发中获得主站的参考时钟NCR和空闲信道，用来发送校验突发；
S5:在步骤S4确定的空闲信道发送校验突发,并将小站发送时刻点插入校验突发中；
S6:小站接收到校验突发，并记录下接收时刻点，计算出此时刻小站与主站间的传输延时；
S7:将卫星提前测量小站与主站间的传输延时和校验突发测的传输延时进行比对，计算出小站时钟偏移量；
S8:根据步骤S7得到小站时钟偏移量，调整小站突发发射时刻；
S9:根据步骤S7得到检验值累加至小站传输延时，得到精确的小站传输延时；
S10:环路滤波，跟踪小站传播延时变化规律，预计下一次主站发送参考突发的时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于MF-TDMA体制的卫星通信系统时钟同步方法，其特征在于：所述的校验突发是指通过在空闲信道上发射一个长重复周期的伪码突发中频信号；S10中所述的环路滤波采用二阶环路滤波器单元实现。
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