CN114025421B - 天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置及方法，属于卫星通信领域。本发明中，终端开机入网后对快慢时钟进行多次校准，找出快慢时钟的换算关系；其次在每次唤醒时候读系统广播消息信道完成链路的定时和频率的估计，并且利用本次的定时估计值滑动计算睡眠期间定时漂移率；然后利用计算定时漂移率根据不同的睡眠时长补偿唤醒后的定时偏移；最后实时迭代计算睡眠后的定时飘逸率补偿值。本发明可以解决物联网终端在长时间睡眠唤醒后由于卫星漂移导致的下行定时同步问题，保证长时间低功耗睡眠后下行链路不会出现同步失败，能够立即唤醒进行物联网业务工作。

Description

天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置及方法
技术领域
本发明属于卫星移动通信技术领域，特别是指一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置及方法。
背景技术
天通卫星移动通信以地球静止轨道卫星转发器为中继站完成终端与地面站间的通信，相比较于地面通信，卫星移动通信具有上下行通信独立、传输时延大、定时漂移和频率偏移大等特点。其中，整个定时误差主要由广播信道定时检测误差、终端MES晶振稳定度以及星地相对位移引起的定时漂移组成。
由于MES的晶振模块都是直接焊接到通信模块中，并且手持终端最大发射功率可以达到2W左右，导致通信模块温度变化对晶振频率影响尤为明显。当前，天通卫星移动通信系统中一帧传输时间长度大于等于60ms，为了降低物联网功耗增加待机时间，整个物联网睡眠间隔往往会达到3.84s或者7.68s左右。所以，与地面通信系统相比，卫星移动通信中物联网终端睡眠时间大大增加，从而导致了长时间睡眠后下行同步检测出现问题。
目前，现有技术中对卫星信道低功耗睡眠方面的时钟预补偿策略还没有详细的介绍，相关定时漂移都主要依赖于高稳定度及精度的硬件时钟方案设计，设备成本比较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置及方法。本发明不依赖于硬件条件，而是采用软件算法并依据终端特性来实现唤醒时钟预补偿，可解决由于卫星相对位置而带来的定时漂移以及低功耗长时间睡眠特征下行定时同步检测的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置，包括时钟控制模块、调制解调模块、定时调整模块、中央处理器；
其中，时钟控制模块完成物联网终端入网后快慢时钟计数以及睡眠时钟控制功能；
调制解调模块完成广播信道和业务信道的解调以及下行信道的定时估计；
定时调整模块完成终端的定时调整功能；
中央处理器用于实现睡眠时间控制模块、定时飘移率计算模块以及睡眠唤醒定时预补偿量计算模块；
中央处理器利用开机状态后的快慢时钟校准关系以及终端自身的定时漂移率，计算首次睡眠唤醒后的定时补偿量，在睡眠唤醒后利用广播信道解调估计的定时偏差再反馈到下一次睡眠唤醒定时补偿量的迭代计算中，从而完成物联网终端长时间睡眠后的定时调整跟踪补偿。
一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿方法，使用如上所述的终端低功耗唤醒时钟预补偿装置实现，包括以下步骤：
(1)卫星下行信号进入调制解调模块，调制解调模块输出BCH广播信道定时估计信息Δt和频率估计信息Δf到中央处理器中的定时漂移率计算模块，定时漂移率计算模块每隔N帧对定时估计信息Δt进行一次统计平均，得到初始定时漂移率ΔTF，N≥8；
(2)中央处理器开机入网后控制时钟控制模块完成快慢时钟的校准，将快慢时钟换算关系送到中央处理器的睡眠时间控制模块；
(3)中央处理器利用初始定时漂移率ΔTF，并且设置睡眠阶段定时漂移率初始倍数为ΔTRint＝1，进行睡眠唤醒定时预补偿的计算；假设睡眠时间控制模块输出控制终端在睡眠N帧后被唤醒，中央处理器中睡眠唤醒定时预补偿量计算模块计算在N帧睡眠唤醒后定时漂移预补偿为ΔT0＝(ΔTF×ΔTRint)×N，将该值送到定时调整模块；
(4)定时调整模块完成睡眠唤醒后，以定时预补偿ΔT0值实现下行接收定时调整功能；
(5)定时调整完成后，调制解调模块负责完成唤醒后BCH广播信道接收，假设广播信道估计的实际定时估计量为Δtn，将Δtn送到中央处理器的睡眠唤醒定时预补偿量计算模块，由此计算睡眠N帧期间的实际定时漂移值ΔTsleepN为：ΔTsleepN＝ΔT0+Δtn；
同时计算N帧睡眠下的实际定时漂移率：
(6)中央处理器利用上次N帧睡眠下的实际定时漂移率计算更新睡眠期间实际定时漂移率倍数：
(7)睡眠唤醒定时预补偿量计算模块使用上次实际定时漂移率倍数ΔTRcal计算补偿下次睡眠唤醒后的定时预补偿漂移值，并送到定时调整模块；假设下次睡眠时间为M帧，则睡眠唤醒后定时预补偿漂移值为：ΔTsleepM＝(ΔTF×ΔTRcal)×M；
(8)定时调整模块在睡眠唤醒后立即启动补偿M帧睡眠后的定时漂移值ΔTsleepM，然后调制解调模块再配置接收BCH广播信号从而保证睡眠唤醒后BCH广播信道定时偏差在其解调滑动窗口内，并通过迭代不断更新实际定时漂移率倍数ΔTRcal，进而保证长时间睡眠唤醒后链路的同步。
采用上述技术方案取得的有益效果在于：
1、本发明可解决物联网终端在卫星相对位置带来的定时漂移以及低功耗长时间睡眠特征下行定时同步检测问题，保证了终端睡眠唤醒后的同步跟踪状态。
2、本发明不依赖于硬件条件，而是采用成熟软件算法和系统流程控制实现，技术成熟度比较高，实现简单可靠。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图。
图2为本发明实施例中空闲时钟漂移计算过程图。
图3为本发明实施例中睡眠唤醒时钟预补偿过程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置，如图1所示，由定时调整模块CPR、调制解调模块、时钟控制模块以及中央处理器CPU组成。其中，时钟控制模块完成物联网终端入网后快慢时钟计数以及睡眠时钟控制功能；调制解调模块完成广播信道和业务信道的解调以及下行信道的定时估计；中央处理器完成时钟校准计算、定时飘移率计算以及睡眠唤醒定时预补偿量计算，定时调整模块完成终端的定时调整功能。中央处理器利用开机状态后的快慢时钟校准关系以及终端自身的定时漂移率计算首次睡眠唤醒后的定时补量，在睡眠唤醒后利用广播信道解调估计的定时偏差再反馈到下一次睡眠唤醒定时预补偿量的迭代计算中从而完成物联网终端长时间睡眠后的定时调整跟踪预补偿。
采用该装置可实现天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿方法，该方法包括以下步骤：
(1)天通卫星物联网终端开机进行搜网，然后进入更新系统广播BCH阶段，同时利用时钟控制模块进行快慢时钟的校准工作；
(2)卫星调制解调模块进行广播信号解调，具体如图2所示，解调模块将定时估计信息Δt和频率估计信息Δf送到中央处理器(CPU)模块；由于BCH广播信道8帧(480ms)更新一次，可以利用8*K(K大于等于1)的帧间隔控制做一次定时调整来进行定时信息的统计Δt，在此阶段中央处理器需要对定时输出Δt作为本步骤的输入进行统计平均，输出完成初始定时漂移率ΔTF(单位：主钟数目/帧)计算；
ΔTF＝(Δt1+Δt2+Δt3+…+ΔtN)/N
(2)中央处理器设置睡眠阶段定时漂移率初始倍数为ΔTRint＝1，终端在发送完物联网数据采集后进行低功耗睡眠状态，假设终端会在睡眠N帧后被唤醒，中央处理器计算N帧睡眠后定时总漂移(单位：主钟数目)为：ΔT0＝(ΔTF×ΔTRint)×N；
(3)终端被睡眠唤醒后中央处理器设置定时预补偿调整ΔT0值，具体流程如图3所示，然后调制解调模块再配置接收BCH广播信道，广播信道解调估计实际定时漂移值为Δtn(单位：主钟数目)，那么睡眠N帧期间实际定时漂移值ΔTsleepN(单位：主钟数目)计算为：ΔTsleepN＝ΔT0+Δtn；
(4)中央处理器计算N帧睡眠下的实际定时漂移率(单位：主钟数目/帧)：
(5)中央处理器更新睡眠的实际定时漂移率倍数：
(6)中央处理器利用上面实际计算的定时漂移率倍数预补偿下次睡眠唤醒后的定时调整值，假设下次睡眠时间为M帧，如图3所示，那么睡眠M帧期间定时预预补偿漂移值(单位：主钟数目)为：ΔTsleepM＝(ΔTF×ΔTRcal)×M。
(7)终端睡眠唤醒后中央处理器设置定时预补偿调整ΔTsleepM值，然后再配置接收BCH广播信道，根据实际的广播解调定时估计值Δtm再迭代计算漂移率ΔTRcal。
本发明的原理如下：
终端开机入网后对快慢时钟进行多次校准，找出快慢时钟的换算关系；其次在每次唤醒时候读系统广播消息信道完成链路的定时和频率的估计，并且利用本次的定时估计值滑动计算睡眠期间定时漂移率；然后利用计算定时漂移率根据不同的睡眠时长补偿唤醒后的定时偏移；最后实时迭代计算睡眠后的定时飘移率补偿值。
总之，本发明可以解决物联网终端在长时间睡眠唤醒后由于卫星漂移导致的下行定时同步问题，保证长时间低功耗睡眠后下行链路不会出现同步失败，能够立即唤醒进行物联网业务工作。

Claims (1)

1.一种天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿方法，其特征在于，使用天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置实现，所述天通卫星物联网终端低功耗唤醒时钟预补偿装置包括时钟控制模块、调制解调模块、定时调整模块、中央处理器；
其中，时钟控制模块完成物联网终端入网后快慢时钟计数以及睡眠时钟控制功能；
调制解调模块完成广播信道和业务信道的解调以及下行信道的定时估计；
定时调整模块完成终端的定时调整功能；
中央处理器用于实现睡眠时间控制模块、定时飘移率计算模块以及睡眠唤醒定时预补偿量计算模块；
中央处理器利用开机状态后的快慢时钟校准关系以及终端自身的定时漂移率，计算首次睡眠唤醒后的定时预补偿量，在睡眠唤醒后利用广播信道解调估计的定时偏差再反馈到下一次睡眠唤醒后定时预补偿量的迭代计算中，从而完成物联网终端长时间睡眠后的定时调整跟踪补偿；
该方法包括以下步骤：
（1）卫星下行信号进入调制解调模块，调制解调模块输出BCH广播信道定时估计信息和频率估计信息Δf到中央处理器中的定时漂移率计算模块，定时漂移率计算模块每隔N帧对定时估计信息/>进行一次统计平均，得到初始定时漂移率/>，N≥8；
（2）中央处理器开机入网后控制时钟控制模块完成快慢时钟的校准，将快慢时钟换算关系送到中央处理器的睡眠时间控制模块；
（3）中央处理器利用初始定时漂移率，并且设置睡眠阶段定时漂移率初始倍数为，进行睡眠唤醒定时预补偿量的计算；假设睡眠时间控制模块输出控制终端在睡眠N帧后被唤醒，中央处理器中睡眠唤醒定时预补偿量计算模块计算在N帧睡眠唤醒后的定时预补偿量为/>，将该定时预补偿量送到定时调整模块；
（4）定时调整模块完成睡眠唤醒后，以定时预补偿量实现下行接收定时调整功能；
（5）定时调整完成后，调制解调模块负责完成唤醒后BCH广播信道接收，假设广播信道估计的实际定时估计量为，将/>送到中央处理器的睡眠唤醒定时预补偿量计算模块，由此计算睡眠N帧期间的实际定时漂移值/>为：/>；
同时计算N帧睡眠下的实际定时漂移率：；
（6）中央处理器利用上次N帧睡眠下的实际定时漂移率计算更新睡眠期间实际定时漂移率倍数：；
（7）睡眠唤醒定时预补偿量计算模块使用上次实际定时漂移率倍数计算补偿下次睡眠唤醒后的定时预补偿量，并送到定时调整模块；假设下次睡眠时间为M帧，则睡眠唤醒后定时预补偿量为：/>；
（8）定时调整模块在睡眠唤醒后立即启动补偿M帧睡眠后的定时预补偿量，然后调制解调模块再配置接收BCH广播信号从而保证睡眠唤醒后BCH广播信道定时偏差在其解调滑动窗口内，并通过迭代不断更新实际定时漂移率倍数/>，进而保证长时间睡眠唤醒后链路的同步。
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