CN115103436A - 一种卫星移动通信系统的时频同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星移动通信系统的时频同步方法及装置，整个系统的参考源由信关站的主时钟单元提供，卫星转发器作为定时和频率的同步参考点。MES开机后通过搜索FCCH信号和监听BCCH信号完成初始时频同步；对RACH信号发送时间频率预补偿、接收AGCH信号完成MES初始接入过程中的时频同步；通话过程中MES通过接收DTCH信号保证下行时间频率同步，信关站将检测到的MES时偏和频偏发送给MES，MES更新校正值完成上行时频同步。本发明提供了卫星移动通信系统中MES开机、MES初始接入、MES寻呼待机状态下和MES通话过程的MES和信关站时频同步方法，使MES和信关站接收机可有效地对接收信号进行解调。

Description

一种卫星移动通信系统的时频同步方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种卫星移动通信系统的时频同步方法及装置。

背景技术

卫星移动通信系统组成如图1所示，系统包括通信卫星、运控分系统、应用分系统三部分。通信卫星由平台和有效载荷两部分组成，卫星用户链路天线采用多波束天线技术，形成上百个固定点波束。运控分系统是系统管理控制中心，完成对卫星监视、转发器控制和应用系统的管理，业务测控站在运控分系统中直接对卫星进行操控，主要完成遥测遥控、载波监视等功能。应用系统由分布在卫星覆盖范围内的各类固定、移动地球站（MES，MobileEarth Station）组成，包括信关站和终端等。

如图1所示，用户链路是指卫星与终端之间的链路，馈电链路是指卫星与信关站之间的链路。前向链路是指由信关站发送经卫星转发到终端接收的链路，反向链路是指由终端发送经卫星转发到信关站接收的链路。

在卫星移动通信系统中无线空中接口包括业务信道和控制信道两个逻辑信道。业务信道主要用于承载话音、短信、分组数据等业务信息，控制信道主要是承载信令或用于系统同步的数据，具体的逻辑信道功能和作用如下所示：

（1）频率校正信道（FCCH）承载频率校正信息，为单向下行链路广播，由MES接收并进行频率校正，FCCH同时为MES周期性接收系统广播消息提供同步定时机制。

（2）广播控制信道（BCCH）主要用于向MES广播系统消息，为单向下行链路广播。随机接入信道（RACH）用于用户终端随机竞争接入，请求消息包括建立原因（如呼叫请求、寻呼、位置更新请求及短消息请求等等）。

（3）接入许可信道（AGCH）用于应答用户终端发出的RACH，向MES分配DTCH或PDTCH信道，或者在网络忙时向用户终端发送排队消息或拒绝消息。

（4）寻呼控制信道（PCH）为单向下行链路，点对多点传播方式，用于寻呼MES。当网络与某个用户终端建立通信时，它就会在PCH信道上对该用户终端进行寻呼。

（5）随路控制信道（SACCH）伴随专用业务信道同时分配，在反向链路它主要传递无线测量报告等消息；在前向链路主要传递系统消息，包括小区选择、功率控制等。

（6）专用控制信道（DACCH）以抢占的方式占用业务信道，主要用于信道切换、再分配、定时频率校正等信令信息传输。

（7）专用业务信道（DTCH）主要用于承载话音或用户数据，所有的业务信道都是双向的。

由于卫星与MES相对移动情况发生变化、频率跟踪误差、MES参考时钟产生漂移等，MES需要不断地跟踪系统信号来维持同步。在一个多波束、多载波的TDMA（时分多址，TimeDivision Multiple Access）卫星通信系统中各通信模块之间的同步是系统可靠工作的前提。

对于透明转发卫星通信系统，单向传播时延是馈电链路传播时延和用户链路传播时延的总和，由于不同终端所处波束位置不同，终端与信关站之间的传输时延不同。以国际海事卫星通信系统（Inmarsat）为例，由于卫星运动产生多普勒频差为±250Hz，由于用户运动产生多普勒频差为±210Hz，MES接收到的载波信号偏离标称频率最大频差达±460Hz。同时，一般情况下MES时钟源的长期稳定度优于1ppm，如果没有任何补偿情况下，L频段的频差将达到1.6KHz。

由于卫星与MES相对移动位置发生变化、频率跟踪误差、MES参考时钟产生漂移等因素影响，MES需要不断地跟踪信关站信号来维持时间和频率同步。文献检索发现：专利CN111541475A公开了一种卫星移动通信系统话音业务中时频同步方法，该方法下行链路使用开环同步结构，上行链路使用闭环同步结构，使用慢速随路控制信道下发链路校正消息，实现时频同步。然而，上述方法没有实现终端与信关站完整通信流程的时频同步，并且采用慢速随路控制信道进行话音业务校正，存在随路控制信息速率低，发送周期长，时频同步校正时效性不佳的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星移动通信系统的时频同步方法及装置，解决多波束卫星移动通信系统终端与信关站的无线空口同步问题，使终端和信关站接收机可有效地对接收信号进行解调。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种卫星移动通信系统的时频同步方法，首先整个卫星移动通信系统的参考源由信关站的主时钟单元提供；卫星转发器作为定时和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输出端口作为前向链路时间和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输入端口作为反向链路时间和频率的同步参考点；

信关站对前向链路信号进行定时补偿，使前向链路信号的定时同步在卫星用户链路天线输出端口对齐；信关站对前向链路信号进行发送频率补偿，使前向链路信号发送频率在卫星天线输出端口达到系统规定的标称频率；

MES根据接收信关站发送的FCCH信号和BCCH信号，建立MES本地时间和频率，MES本地时间、频率分别与卫星定时、频率的同步参考点保持一致；MES的帧号根据BCCH信号中携带的帧号信息确定，MES的时隙号根据BCCH信号中携带的时隙编号信息确定，MES时隙内的符号同步根据捕获到的FCCH信号来确定；其中MES表示移动地球站，FCCH信号表示频率校正信道信号，BCCH信号表示广播控制信道信号。

一种卫星移动通信系统的时频同步装置，具体包括：

参考源模块，整个卫星移动通信系统的参考源由信关站的主时钟单元提供；

同步参考点模块，卫星转发器作为定时和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输出端口作为前向链路时间和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输入端口作为反向链路时间和频率的同步参考点；

前向链路同步模块，信关站对前向链路信号进行定时补偿，使前向链路信号的定时同步在卫星用户链路天线输出端口对齐；信关站对前向链路信号进行发送频率补偿，使前向链路信号发送频率在卫星天线输出端口达到系统规定的标称频率；

MES与信关站的时频同步模块，MES根据接收信关站发送的FCCH信号和BCCH信号，建立MES本地时间和频率，MES本地时间、频率分别与卫星定时、频率的同步参考点保持一致；MES的帧号根据BCCH信号中携带的帧号信息确定，MES的时隙号根据BCCH信号中携带的时隙编号信息确定，MES时隙内的符号同步根据捕获到的FCCH信号来确定；其中MES为移动地球站，FCCH信号表示频率校正信道信号，BCCH信号表示广播控制信道信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）解决了多波束卫星移动通信系统终端与信关站的无线空口同步问题，实现了多波束卫星移动通信系统中终端与信关站无线空口中的同步；（2）可以使终端快速与信关站进行同步，同时可以使终端在空闲状态下和业务状态下长期与信关站保持同步，使终端和信关站接收机能够有效地对接收信号进行解调。

附图说明

图1是卫星移动通信系统的组成示意图。

图2是MES上行初始定时同步时序图。

图3是RACH信号定时关系图。

图4是通话过程中的频率同步示意图。

具体实施方式

由于卫星与MES相对移动位置发生变化、频率跟踪误差、MES参考时钟产生漂移等，MES需要不断地跟踪信关站信号来维持同步。为解决上述问题，本发明提供一种卫星移动通信系统的时频同步方法及装置。

本发明一种卫星移动通信系统的时频同步方法，首先整个卫星移动通信系统的参考源由信关站的主时钟单元提供；卫星转发器作为定时和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输出端口作为前向链路时间和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输入端口作为反向链路时间和频率的同步参考点；

信关站对前向链路信号进行定时补偿，使前向链路信号的定时同步在卫星用户链路天线输出端口对齐；信关站对前向链路信号进行发送频率补偿，使前向链路信号发送频率在卫星天线输出端口达到系统规定的标称频率，例如系统规定的一个信号的发送频率为1980MHz，可以将1980MHz称为标称频率；

MES根据接收信关站发送的FCCH信号和BCCH信号，建立MES本地时间和频率，MES本地时间、频率分别与卫星定时、频率的同步参考点保持一致；MES的帧号根据BCCH信号中携带的帧号信息确定，MES的时隙号根据BCCH信号中携带的时隙编号信息确定，时隙号为0~39，MES时隙内的符号同步根据捕获到的FCCH信号来确定，符号时间单位为62.5us；其中FCCH信号表示频率校正信道信号，BCCH信号表示广播控制信道信号。

作为一种具体示例，所述的卫星移动通信系统的时频同步方法，分为MES与信关站的时间同步和MES与信关站的频率同步两个处理过程，其中：

MES与信关站的时间同步包括MES开机时间同步、MES初始接入时间同步和MES通话过程时间同步；

MES与信关站的频率同步包括MES开机频率同步、MES初始接入频率同步、MES寻呼待机状态下频率同步和MES通话过程频率同步。

作为一种具体示例，所述MES与信关站的时间同步包括MES开机时间同步、MES初始接入时间同步和MES通话过程时间同步，具体如下：

（1.1）MES开机时间同步：MES开机后，首先搜索并捕获MES所在点波束的FCCH信号，并通过监听BCCH信号完成初始定时同步；MES入网成功后进入空闲工作状态，在空闲工作状态下MES不断跟踪FCCH信号或BCCH信号来维持下行同步；

（1.2）MES初始接入时间同步：MES初始接入时，为使RACH信号落入指定卫星定时的窗口，MES根据信关站发送的定时校正传输因子完成粗定时对齐；所述定时校正传输因子是根据每一个点波束中心所在位置与卫星之间的距离预先计算出的一个偏移值，MES从接收到的BCCH信号中获取定时校正传输因子；其中RACH表示随机接入信道；

信关站通过检测MES的RACH信号，计算出MES位置与波束中心位置差所带来的路径往返时差TC，将路径往返时差TC通过AGCH发送给MES，MES在收到路径往返时差TC后进行定时调整，使得MES上行突发信号定时在卫星上对齐；AGCH表示接入许可信道；

（1.3）MES通话过程时间同步：MES通话过程中，MES的下行时间同步根据接收的DTCH信号完成定时偏移检测和跟踪；MES的上行时间同步为：信关站检测到的定时偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，当上行定时偏差不小于预定门限A时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行定时偏差小于预定门限A时，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行定时同步调整；其中，DTCH表示专用业务信道，DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

作为一种具体示例，所述MES与信关站的频率同步包括MES开机频率同步、MES初始接入频率同步、MES寻呼待机状态下频率同步和MES通话过程频率同步，具体如下：

（2.1）MES开机频率同步：MES开机后，MES通过搜索捕获最大信号电平的FCCH信号/BCCH信号完成初始频率同步；捕获完成后，MES将收到的FCCH信号/BCCH信号频率作为参考频率并一直跟踪锁定在FCCH信号/BCCH信号载波上；

（2.2）MES初始接入频率同步：MES初始接入时，MES在发送RACH信号之前，首先通过相应波束的BCCH逻辑信道来获取RACH信号的发送频率、波束中心点的往返多普勒频移信息；信关站根据接收的RACH信号估计出MES相对于标称频率的频移，通过AGCH将频率偏差发送给MES，MES在后续的发送中就使用新的频率校正值；其中RACH表示随机接入信道，AGCH表示接入许可信道；

（2.3）MES寻呼待机状态下频率同步：MES在寻呼待机状态下，MES通过接收FCCH信号已获取了频率同步信息；之后MES通过监听PCH或BCCH保持MES与控制信道的频率同步；其中PCH表示寻呼控制信道；

（2.4）MES通话过程频率同步：MES通话过程中，经过校频之后MES频率同步保持以MES内部的参考时钟为基准；MES通过接收DTCH信号，利用DTCH信号中的同步序列进行频偏估计，保证下行频率同步；其中DTCH表示专用业务信道；

MES通话过程中，MES的上行频率同步根据信关站检测到的频率偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，MES更新频率校正值，MES完成上行频率同步；当上行频率偏差不小于预定门限B时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行频率偏差小于预定门限B，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行频率同步调整；其中DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

作为一种具体示例，（1.2）中，MES根据信关站发送的定时校正传输因子完成粗定时对齐，具体为：

MES根据定时校正传输因子计算RACH_SYMBOL_OFFSET，RACH_SYMBOL_OFFSET表示MES的RACH信号发送时刻与前向链路时隙0起始时刻之间的定时偏移，公式如下：

RACH_SYMBOL_OFFSET=SB_SYMBOL_OFFSET+Num_SYMBOL*(SB_FRAME_TS_OFFSET+RACH_TS_OFFSET+R)

式中，SB_FRAME_TS_OFFSET表示MES所在波束中心点处前向链路的第N帧时隙0与反向链路第N+5帧时隙0之间的时隙偏移，该参数以时隙为单位，取值范围是[0,63]；

SB_SYMBOL_OFFSET表示MES所在波束中心点的符号偏移，该参数以符号数为单位，取值范围是[-32,31]；

RACH_TS_OFFSET为MES表示RACH信号的窗口起始位置与BCCH信号的窗口起始位置之间的时隙偏移，取值范围是[0,39]；

Num_SYMBOL表示一个时隙对应的符号数，为了将占用K个时隙的RACH信号落在占用M个时隙的RACH检测窗口的中心位置，引入参数R，参数R、K和M之间的关系为R=(M-K)/2。

本发明一种卫星移动通信系统的时频同步装置，具体包括：

参考源模块，整个卫星移动通信系统的参考源由信关站的主时钟单元提供；

同步参考点模块，卫星转发器作为定时和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输出端口作为前向链路时间和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输入端口作为反向链路时间和频率的同步参考点；

前向链路同步模块，信关站对前向链路信号进行定时补偿，使前向链路信号的定时同步在卫星用户链路天线输出端口对齐；信关站对前向链路信号进行发送频率补偿，使前向链路信号发送频率在卫星天线输出端口达到系统规定的标称频率；

MES与信关站的时频同步模块，MES根据接收信关站发送的FCCH信号和BCCH信号，建立MES本地时间和频率，MES本地时间、频率分别与卫星定时、频率的同步参考点保持一致；MES的帧号根据BCCH信号中携带的帧号信息确定，MES的时隙号根据BCCH信号中携带的时隙编号信息确定，MES时隙内的符号同步根据捕获到的FCCH信号来确定；其中MES为移动地球站，FCCH信号表示频率校正信道信号，BCCH信号表示广播控制信道信号。

作为一种具体示例，所述的卫星移动通信系统的时频同步装置，MES与信关站的时频同步模块包括MES与信关站的时间同步模块和MES与信关站的频率同步模块，其中：

MES与信关站的时间同步模块包括MES开机时间同步单元、MES初始接入时间同步单元和MES通话过程时间同步单元；

MES与信关站的频率同步模块包括MES开机频率同步单元、MES初始接入频率同步单元、MES寻呼待机状态下频率同步单元和MES通话过程频率同步单元。

作为一种具体示例，所述MES与信关站的时间同步模块包括MES开机时间同步单元、MES初始接入时间同步单元和MES通话过程时间同步单元，各单元具体工作如下：

MES开机时间同步单元：MES开机后，首先搜索并捕获MES所在点波束的FCCH信号，并通过监听BCCH信号完成初始定时同步；MES入网成功后进入空闲工作状态，在空闲工作状态下MES不断跟踪FCCH信号或BCCH信号来维持下行同步；

MES初始接入时间同步单元：MES初始接入时，为使RACH信号落入指定卫星定时的窗口，MES根据信关站发送的定时校正传输因子完成粗定时对齐；所述定时校正传输因子是根据每一个点波束中心所在位置与卫星之间的距离预先计算出的一个偏移值，MES从接收到的BCCH信号中获取定时校正传输因子；信关站通过检测MES的RACH信号，计算出MES位置与波束中心位置差所带来的路径往返时差TC，将路径往返时差TC通过AGCH发送给MES，MES在收到路径往返时差TC后进行定时调整，使得MES上行突发信号定时在卫星上对齐；其中RACH表示随机接入信道，AGCH表示接入许可信道；

MES通话过程时间同步单元：MES通话过程中，MES的下行时间同步根据接收的DTCH信号完成定时偏移检测和跟踪；MES的上行时间同步为：信关站检测到的定时偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，当上行定时偏差不小于预定门限A时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行定时偏差小于预定门限A时，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行定时同步调整；其中，DTCH表示专用业务信道，DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

作为一种具体示例，所述MES与信关站的频率同步模块包括MES开机频率同步单元、MES初始接入频率同步单元、MES寻呼待机状态下频率同步单元和MES通话过程频率同步单元，各单元具体工作如下：

MES开机频率同步单元：MES开机后，MES通过搜索捕获最大信号电平的FCCH信号/BCCH信号完成初始频率同步；捕获完成后，MES将收到的FCCH信号/BCCH信号频率作为参考频率并一直跟踪锁定在FCCH信号/BCCH信号载波上；

MES初始接入频率同步单元：MES初始接入时，MES在发送RACH信号之前，首先通过相应波束的BCCH逻辑信道来获取RACH信号的发送频率、波束中心点的往返多普勒频移信息；信关站根据接收的RACH信号估计出MES相对于标称频率的频移，通过AGCH将频率偏差发送给MES，MES在后续的发送中就使用新的频率校正值；其中RACH表示随机接入信道，AGCH表示接入许可信道；

MES寻呼待机状态下频率同步单元：MES在寻呼待机状态下，MES通过接收FCCH信号已获取了频率同步信息；之后MES通过监听PCH或BCCH保持MES与控制信道的频率同步；其中PCH表示寻呼控制信道；

MES通话过程频率同步单元：MES通话过程中，经过校频之后MES频率同步保持以MES内部的参考时钟为基准；MES通过接收DTCH信号，利用DTCH信号中的同步序列进行频偏估计，保证下行频率同步；MES通话过程中，MES的上行频率同步根据信关站检测到的频率偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，MES更新频率校正值，MES完成上行频率同步；当上行频率偏差不小于预定门限B时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行频率偏差小于预定门限B，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行频率同步调整；其中DTCH表示专用业务信道，DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

作为一种具体示例，MES初始接入时间同步单元中设置定时偏移计算子单元，定时偏移计算子单元根据定时校正传输因子计算RACH_SYMBOL_OFFSET，RACH_SYMBOL_OFFSET表示MES的RACH信号发送时刻与前向链路时隙0起始时刻之间的定时偏移，公式如下：

RACH_SYMBOL_OFFSET=SB_SYMBOL_OFFSET+Num_SYMBOL*(SB_FRAME_TS_OFFSET+RACH_TS_OFFSET+R)

式中，SB_FRAME_TS_OFFSET表示MES所在波束中心点处前向链路的第N帧时隙0与反向链路第N+5帧时隙0之间的时隙偏移，该参数以时隙为单位，取值范围是[0,63]；

SB_SYMBOL_OFFSET表示MES所在波束中心点的符号偏移，该参数以符号数为单位，取值范围是[-32,31]；

RACH_TS_OFFSET为MES表示RACH信号的窗口起始位置与BCCH信号的窗口起始位置之间的时隙偏移，取值范围是[0,39]；

Num_SYMBOL表示一个时隙对应的符号数，为了将占用K个时隙的RACH信号落在占用M个时隙的RACH检测窗口的中心位置，引入参数R，参数R、K和M之间的关系为R=(M-K)/2。

以下结合附图对本发明实施例进行详细说明，以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，结合图2和图3，MES初始接入同步过程分RACH信号发送、信关站检测和反馈定时校正信息三步进行，其时序关系如图2所示。MES初始接入上行定时同步过程如下：

1）公共控制信道按系统定时从卫星用户链路天线发射，经传播延迟T _o 后达到波束中心点，而到达MES的传播延迟为T _u 。

2）如图3所示，MES按照参考帧起始位置在RACH上设置偏移RACH_SYMBOL_OFFSET。RACH_SYMBOL_OFFSET值是MES根据BCCH信道接收到的相关参数计算。

参数RACH_SYMBOL_OFFSET表示MES的RACH信号发送时刻与前向链路时隙0起始时刻之间的定时偏移，以符号数为单位，按照下述公式计算：

RACH_SYMBOL_OFFSET=SB_SYMBOL_OFFSET+Num_SYMBOL*(SB_FRAME_TS_OFFSET+RACH_TS_OFFSET+R)

其中，SB_FRAME_TS_OFFSET表示MES所在波束中心点处前向链路的第N帧时隙0与反向链路第N+5帧时隙0之间的时隙偏移，该参数以时隙为单位，在0到63之间变化。SB_SYMBOL_OFFSET表示MES所在波束中心点的符号偏移，该参数以符号数为单位，在-32到31之间变化。参数RACH_TS_OFFSET为MES指示RACH窗口起始位置与BCCH窗口起始位置之间的时隙偏移，其取值范围是[0，39]。Num_SYMBOL表示一个时隙对应的符号数。为了将RACH信号（占用K个时隙）落在RACH检测窗口（M个时隙）的中心位置，引入参数R，参数R、K和M之间的关系为R=(M-K)/2。

图3中FN表示帧号，FN₀表示参考基准帧号，FN_-n表示参考基准帧号-n，FN_+m表示参考基准帧号+m。

3）当MES不在波束中心点时，RACH信号到达卫星天线的时刻存在2[T _u －T _o ]的定时误差，称其为用户相对于波束中心点的往返延迟差。

4）信关站检测RACH信号实际到达时刻与期望到达时刻之间的差值2[T _u －T _o ]，期望到达时刻即为当MES位于波束中心点时RACH信号到达卫星天线的时刻。然后将差值2[T _u －T _o ]作为直接分配消息中定时误差项，通过AGCH信道下发给MES。

5）MES将DACCH/DTCH信号的发送时刻延迟2[T _u －T _o ]时刻，可实现移动地球站上行链路的定时同步。

在另一个实施例中，如图4所示，在呼叫过程中，经过校频之后MES精确频率同步的保持是以其内部的参考时钟为基准。由于卫星与MES相对移动情况发生变化、频率跟踪误差、MES参考时钟产生漂移等，MES需采用频率检测技术以保证精确的频率同步。

在上行链路，频率同步是通过闭环方式来实现，MES发送频率校正步骤如下：

1）在RACH过程后，MES的接收频率为F _R +dF _U ，发送频率为F _T －ε·dF _U ，从卫星接收的MES发送信号频率为标称频率F _T ，F _R 为接收标称频率，ε=F _RH /F _B ，F _RH 表示RACH信号的标称发送频率，F _B 表示BCCH的标称接收频率，dF _U 表示MES接收检测到的总多普勒频移。

2）假设一段时间后，MES接收机频率发生漂移，其大小为ΔdF _U =ΔdF _U1+ΔdF _U2，其中ΔdF _U1是由于其本地时钟漂移和接收跟踪误差引起的漂移，ΔdF _U2为下行多普勒频移变化引起的漂移。

3）由于MES的发送频率是以接收机频率为参考的，故其发送频率偏移也为ΔdF _U =ΔdF _U1+ΔdF _U2，其实际发送频率为F _T ’=F _T －ε·dF _U +ΔdF _U1+ΔdF _U2。

4）在经历上行多普勒频移ε·(dF _U +ΔdF _U2)后，到达卫星时的信号频率为F _T +ΔdF _U1+(1+ε)ΔdF _U2，相对于标称频率的频差为dF=ΔdF _U1+(1+ε)ΔdF _U2。

5）网络不断监测实际信号频率与标称频率的频差dF，一旦发现频差dF超过一预定门限，则在DACCH或SACCH信道上通过链路校正消息将该频差即频率校正参数FC通知给MES。

6）在接收到频率校正参数FC后，MES将调整其发送频率为F _T ’－dF，即为F _T －ε·(dF _U +ΔdF _U2)。为了保证接收端能很好跟踪频率变化，发送端频率调整以一种渐进的方式进行。

7）在经历上行多普勒频移ε·(dF _U +ΔdF _U2)后，到达卫星的信号频率为标称频率F _T 。

综上所述，本发明解决了多波束卫星移动通信系统终端与信关站的无线空口同步问题，实现了多波束卫星移动通信系统中终端与信关站无线空口中的同步；本发明可以使终端快速与信关站进行同步，同时可以使终端在空闲状态下和业务状态下长期与信关站保持同步，使终端和信关站接收机能够有效地对接收信号进行解调。

Claims (10)

1.一种卫星移动通信系统的时频同步方法，其特征在于，首先整个卫星移动通信系统的参考源由信关站的主时钟单元提供；卫星转发器作为定时和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输出端口作为前向链路时间和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输入端口作为反向链路时间和频率的同步参考点；

信关站对前向链路信号进行定时补偿，使前向链路信号的定时同步在卫星用户链路天线输出端口对齐；信关站对前向链路信号进行发送频率补偿，使前向链路信号发送频率在卫星天线输出端口达到系统规定的标称频率；

MES根据接收信关站发送的FCCH信号和BCCH信号，建立MES本地时间和频率，MES本地时间、频率分别与卫星定时、频率的同步参考点保持一致；MES的帧号根据BCCH信号中携带的帧号信息确定，MES的时隙号根据BCCH信号中携带的时隙编号信息确定，MES时隙内的符号同步根据捕获到的FCCH信号来确定；其中MES表示移动地球站，FCCH信号表示频率校正信道信号，BCCH信号表示广播控制信道信号。

2.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统的时频同步方法，其特征在于，该时频同步方法分为MES与信关站的时间同步和MES与信关站的频率同步两个处理过程，其中：

MES与信关站的时间同步包括MES开机时间同步、MES初始接入时间同步和MES通话过程时间同步；

MES与信关站的频率同步包括MES开机频率同步、MES初始接入频率同步、MES寻呼待机状态下频率同步和MES通话过程频率同步。

3.根据权利要求2所述的卫星移动通信系统的时频同步方法，其特征在于，所述MES与信关站的时间同步包括MES开机时间同步、MES初始接入时间同步和MES通话过程时间同步，具体如下：

（1.1）MES开机时间同步：MES开机后，首先搜索并捕获MES所在点波束的FCCH信号，并通过监听BCCH信号完成初始定时同步；MES入网成功后进入空闲工作状态，在空闲工作状态下MES不断跟踪FCCH信号或BCCH信号来维持下行同步；

（1.2）MES初始接入时间同步：MES初始接入时，为使RACH信号落入指定卫星定时的窗口，MES根据信关站发送的定时校正传输因子完成粗定时对齐；所述定时校正传输因子是根据每一个点波束中心所在位置与卫星之间的距离预先计算出的一个偏移值，MES从接收到的BCCH信号中获取定时校正传输因子；其中RACH表示随机接入信道；

信关站通过检测MES的RACH信号，计算出MES位置与波束中心位置差所带来的路径往返时差TC，将路径往返时差TC通过AGCH发送给MES，MES在收到路径往返时差TC后进行定时调整，使得MES上行突发信号定时在卫星上对齐；AGCH表示接入许可信道；

（1.3）MES通话过程时间同步：MES通话过程中，MES的下行时间同步根据接收的DTCH信号完成定时偏移检测和跟踪；MES的上行时间同步为：信关站检测到的定时偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，当上行定时偏差不小于预定门限A时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行定时偏差小于预定门限A时，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行定时同步调整；其中，DTCH表示专用业务信道，DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

4.根据权利要求2所述的卫星移动通信系统的时频同步方法，其特征在于，所述MES与信关站的频率同步包括MES开机频率同步、MES初始接入频率同步、MES寻呼待机状态下频率同步和MES通话过程频率同步，具体如下：

（2.1）MES开机频率同步：MES开机后，MES通过搜索捕获最大信号电平的FCCH信号/BCCH信号完成初始频率同步；捕获完成后，MES将收到的FCCH信号/BCCH信号频率作为参考频率并一直跟踪锁定在FCCH信号/BCCH信号载波上；

（2.2）MES初始接入频率同步：MES初始接入时，MES在发送RACH信号之前，首先通过相应波束的BCCH逻辑信道来获取RACH信号的发送频率、波束中心点的往返多普勒频移信息；信关站根据接收的RACH信号估计出MES相对于标称频率的频移，通过AGCH将频率偏差发送给MES，MES在后续的发送中就使用新的频率校正值；其中RACH表示随机接入信道，AGCH表示接入许可信道；

（2.3）MES寻呼待机状态下频率同步：MES在寻呼待机状态下，MES通过接收FCCH信号已获取了频率同步信息；之后MES通过监听PCH或BCCH保持MES与控制信道的频率同步；其中PCH表示寻呼控制信道；

（2.4）MES通话过程频率同步：MES通话过程中，经过校频之后MES频率同步保持以MES内部的参考时钟为基准；MES通过接收DTCH信号，利用DTCH信号中的同步序列进行频偏估计，保证下行频率同步；其中DTCH表示专用业务信道；

MES通话过程中，MES的上行频率同步根据信关站检测到的频率偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，MES更新频率校正值，MES完成上行频率同步；当上行频率偏差不小于预定门限B时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行频率偏差小于预定门限B，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行频率同步调整；其中DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

5.根据权利要求3所述的卫星移动通信系统的时频同步方法，其特征在于，（1.2）中，MES根据信关站发送的定时校正传输因子完成粗定时对齐，具体为：

MES根据定时校正传输因子计算RACH_SYMBOL_OFFSET，RACH_SYMBOL_OFFSET表示MES的RACH信号发送时刻与前向链路时隙0起始时刻之间的定时偏移，公式如下：

RACH_SYMBOL_OFFSET=SB_SYMBOL_OFFSET+Num_SYMBOL*(SB_FRAME_TS_OFFSET+RACH_TS_OFFSET+R)

式中，SB_FRAME_TS_OFFSET表示MES所在波束中心点处前向链路的第N帧时隙0与反向链路第N+5帧时隙0之间的时隙偏移，SB_FRAME_TS_OFFSET以时隙为单位，取值范围是[0,63]；

SB_SYMBOL_OFFSET表示MES所在波束中心点的符号偏移，SB_SYMBOL_OFFSET以符号数为单位，取值范围是[-32,31]；

RACH_TS_OFFSET为MES表示RACH信号的窗口起始位置与BCCH信号的窗口起始位置之间的时隙偏移，取值范围是[0,39]；

Num_SYMBOL表示一个时隙对应的符号数，为了将占用K个时隙的RACH信号落在占用M个时隙的RACH检测窗口的中心位置，引入参数R，参数R、K和M之间的关系为R=(M-K)/2。

6.一种卫星移动通信系统的时频同步装置，其特征在于，具体包括：

参考源模块，整个卫星移动通信系统的参考源由信关站的主时钟单元提供；

同步参考点模块，卫星转发器作为定时和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输出端口作为前向链路时间和频率的同步参考点，卫星用户链路天线的输入端口作为反向链路时间和频率的同步参考点；

前向链路同步模块，信关站对前向链路信号进行定时补偿，使前向链路信号的定时同步在卫星用户链路天线输出端口对齐；信关站对前向链路信号进行发送频率补偿，使前向链路信号发送频率在卫星天线输出端口达到系统规定的标称频率；

MES与信关站的时频同步模块，MES根据接收信关站发送的FCCH信号和BCCH信号，建立MES本地时间和频率，MES本地时间、频率分别与卫星定时、频率的同步参考点保持一致；MES的帧号根据BCCH信号中携带的帧号信息确定，MES的时隙号根据BCCH信号中携带的时隙编号信息确定，MES时隙内的符号同步根据捕获到的FCCH信号来确定；其中MES为移动地球站，FCCH信号表示频率校正信道信号，BCCH信号表示广播控制信道信号。

7.根据权利要求6所述的卫星移动通信系统的时频同步装置，其特征在于，MES与信关站的时频同步模块包括MES与信关站的时间同步模块和MES与信关站的频率同步模块，其中：

MES与信关站的时间同步模块包括MES开机时间同步单元、MES初始接入时间同步单元和MES通话过程时间同步单元；

MES与信关站的频率同步模块包括MES开机频率同步单元、MES初始接入频率同步单元、MES寻呼待机状态下频率同步单元和MES通话过程频率同步单元。

8.根据权利要求7所述的卫星移动通信系统的时频同步装置，其特征在于，所述MES与信关站的时间同步模块包括MES开机时间同步单元、MES初始接入时间同步单元和MES通话过程时间同步单元，各单元具体工作如下：

MES开机时间同步单元：MES开机后，首先搜索并捕获MES所在点波束的FCCH信号，并通过监听BCCH信号完成初始定时同步；MES入网成功后进入空闲工作状态，在空闲工作状态下MES不断跟踪FCCH信号或BCCH信号来维持下行同步；

MES初始接入时间同步单元：MES初始接入时，为使RACH信号落入指定卫星定时的窗口，MES根据信关站发送的定时校正传输因子完成粗定时对齐；所述定时校正传输因子是根据每一个点波束中心所在位置与卫星之间的距离预先计算出的一个偏移值，MES从接收到的BCCH信号中获取定时校正传输因子；信关站通过检测MES的RACH信号，计算出MES位置与波束中心位置差所带来的路径往返时差TC，将路径往返时差TC通过AGCH发送给MES，MES在收到路径往返时差TC后进行定时调整，使得MES上行突发信号定时在卫星上对齐；其中RACH表示随机接入信道，AGCH表示接入许可信道；

MES通话过程时间同步单元：MES通话过程中，MES的下行时间同步根据接收的DTCH信号完成定时偏移检测和跟踪；MES的上行时间同步为：信关站检测到的定时偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，当上行定时偏差不小于预定门限A时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行定时偏差小于预定门限A时，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行定时同步调整；其中，DTCH表示专用业务信道，DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

9.根据权利要求7所述的卫星移动通信系统的时频同步装置，其特征在于，所述MES与信关站的频率同步模块包括MES开机频率同步单元、MES初始接入频率同步单元、MES寻呼待机状态下频率同步单元和MES通话过程频率同步单元，各单元具体工作如下：

MES开机频率同步单元：MES开机后，MES通过搜索捕获最大信号电平的FCCH信号/BCCH信号完成初始频率同步；捕获完成后，MES将收到的FCCH信号/BCCH信号频率作为参考频率并一直跟踪锁定在FCCH信号/BCCH信号载波上；

MES初始接入频率同步单元：MES初始接入时，MES在发送RACH信号之前，首先通过相应波束的BCCH逻辑信道来获取RACH信号的发送频率、波束中心点的往返多普勒频移信息；信关站根据接收的RACH信号估计出MES相对于标称频率的频移，通过AGCH将频率偏差发送给MES，MES在后续的发送中就使用新的频率校正值；其中RACH表示随机接入信道，AGCH表示接入许可信道；

MES寻呼待机状态下频率同步单元：MES在寻呼待机状态下，MES通过接收FCCH信号已获取了频率同步信息；之后MES通过监听PCH或BCCH保持MES与控制信道的频率同步；其中PCH表示寻呼控制信道；

MES通话过程频率同步单元：MES通话过程中，经过校频之后MES频率同步保持以MES内部的参考时钟为基准；MES通过接收DTCH信号，利用DTCH信号中的同步序列进行频偏估计，保证下行频率同步；MES通话过程中，MES的上行频率同步根据信关站检测到的频率偏差大小通过DACCH或者SACCH发送给MES，MES更新频率校正值，MES完成上行频率同步；当上行频率偏差不小于预定门限B时，通过DACCH发送给MES，抢占DTCH，1个TDMA帧完成上行定时同步调整；当上行频率偏差小于预定门限B，通过SACCH发送，伴随DTCH，MES连续接收20个TDMA帧后完成上行频率同步调整；其中DTCH表示专用业务信道，DACCH表示专用控制信道，SACCH表示随路控制信道。

10.根据权利要求8所述的卫星移动通信系统的时频同步装置，其特征在于，MES初始接入时间同步单元中设置定时偏移计算子单元，定时偏移计算子单元根据定时校正传输因子计算RACH_SYMBOL_OFFSET，RACH_SYMBOL_OFFSET表示MES的RACH信号发送时刻与前向链路时隙0起始时刻之间的定时偏移，公式如下：

RACH_SYMBOL_OFFSET=SB_SYMBOL_OFFSET+Num_SYMBOL*(SB_FRAME_TS_OFFSET+RACH_TS_OFFSET+R)

式中，SB_FRAME_TS_OFFSET表示MES所在波束中心点处前向链路的第N帧时隙0与反向链路第N+5帧时隙0之间的时隙偏移，SB_FRAME_TS_OFFSET以时隙为单位，取值范围是[0,63]；

SB_SYMBOL_OFFSET表示MES所在波束中心点的符号偏移，SB_SYMBOL_OFFSET以符号数为单位，取值范围是[-32,31]；

RACH_TS_OFFSET为MES表示RACH信号的窗口起始位置与BCCH信号的窗口起始位置之间的时隙偏移，取值范围是[0,39]；

Num_SYMBOL表示一个时隙对应的符号数，为了将占用K个时隙的RACH信号落在占用M个时隙的RACH检测窗口的中心位置，引入参数R，参数R、K和M之间的关系为R=(M-K)/2。

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