CN116017675A - 一种基于卫星tdma通讯体制下的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于卫星通讯技术领域，公开了一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，包括主站建立下行载波，发送高层和物理层的广播消息，端站配置下行载波接收通道，接收下行信道的广播信息，端站提取上行载波的发送频点，完成下行信道的时间同步，端站发起随机接入突发信号，提出无线资源申请请求，主站计算出当前端站需要调整的时间值，并传递给端站，端站进行解析，下发对时动作到FPGA单元，FPGA单元对时间戳进行微调，完成上行信道的时间同步。本发明采用FDD+TDMA的模式，并且在上下行载波中又划分了不同的时隙，在此基础上建立卫星无线信道，并承载用户的业务数据，实现端站的入网和数据通讯功能，进一步提升了整个系统网络运行的稳定性和用户的使用体验。

Description

一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法

技术领域

本申请涉及卫星通讯技术领域，更具体地说，涉及一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法。

背景技术

当前卫星通讯的应用逐步由点对点的孤立方式演进为点对多点的组网方式。如图1-2所示，卫星TDMA系统一般由一个主站系统和若干个端站系统构成，对于每个具体的设备来说，主要由三个子系统组成：基带信号处理、控制面数据处理、中频信号处理。其中基带的信号处理由FPGA单元来处理，中频信号处理部分由AD9361单元来处理，控制面的事务由CPU单元处理。FPGA实现业务封装、信源编码、空口成帧、调制解调、时间同步等功能。AD9361实现数模转换、信号混频、模拟滤波等功能。CPU完成控制面数据的同步、时间戳的计算，对时功能的下发等。

从控制面的数据来划分，分为物理层的控制面和高层的控制面，其中物理层的控制面主要负责：时间同步、功率控制、物理层广播等功能；而高层的控制面负责：无线资源的请求和分配、无线状态的管理、设备链路状态的维护等功能，系统中所有的端站都需要事先接入到主站系统中来，才能提供后续的服务，即需要入网时做初始化功率设置，否则不光会影响主站端的信号接收，也更严重的情况下会影响到全网设备的正常工作。在入网接入的这个过程中，时间同步技术的性能指标好坏会严重影响到整个系统网络运行的稳定性和用户的使用体验。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于FPGA可编程架构下实现在卫星无线信道下实现点对多点的TDMA通讯系统下的时间同步方法，满足在卫星无线信道下的点对多点星状网下的突发时隙同步过程。

本申请提供的一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法采用如下的技术方案：

一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，所述方法包括以下步骤：

S1.主站建立下行载波，发送高层和物理层的广播消息；

S2.端站配置下行载波接收通道，接收下行信道的广播信息；

S3.端站提取上行载波的发送频点，完成下行信道的时间同步；

S4.端站发起随机接入突发信号，提出无线资源申请请求，等待主站应答；

S5.主站计算出当前端站需要调整的时间值，并传递给端站；

S6.端站进行解析，下发对时动作到FPGA单元；

S7.FPGA单元对时间戳进行微调，完成上行信道的时间同步。

进一步的，所述S4中端站发起随机接入的突发信号的节点在时隙0。

进一步的，所述S3中的下行时间同步包括：

端站以RX收到的时隙戳作为基准调整TX的发送时间，使得主站于中频收发位置发送时隙边沿和接收时隙边沿对齐，通过调整公式调整T_adjust值以完成下行同步，所述调整公式为：

Delay_Air*2+S_RX_Delay-PreHeader_Delay+S_TX_Delay+Delay_R2T+T_adjust＝T_slot*8*N；

Delay_R2T＝TimeStamp_TX_Slot0_S-TimeStamp_RX_Slot0；

式中Delay_Air为上下行卫星链路延时的总和，T_slot为一个时隙周期的时间。

进一步的，所述S5中的计算方法包括：

S501.主站解调每个端站的突发数据帧，并对每个端站的数据流进行数据流同步；

S502.主站监听端站的无线资源请求报文，并作出资源应答响应；

S503.主站对每个端站的无线突发信号做实时测量，获取每个突发帧相对于标准时刻的偏移量；

S504.CPU单元进行计算，获取需要调整的时间值。

进一步的，所述S7中的上行时间同步包括：

主站侧以TX发送的时隙戳作为基准，比较RX收到的时间戳，得到结果后调整远端站的TX发送时间，使得在主站的中频收发位置处，发送时隙边沿和接收时隙边沿对齐，通过公式计算T_adjust的值，所述计算公式为：

(TimeStamp_RX_SlotX-SlotX*T_slot-TimeStamp_TX_Slot0_M)+T_adjus t＝(M_RX_Delay-M_TX_Delay)；

式中SlotX表示当前端站分配的时隙ID。

综上所述，本申请包括以下至少一个有益技术效果：

本发明整个系统是一个星型的网络，主站是工作在一发多收的工作模式，所有的端站先接收主站的下行信号，然后进行下行信道的时间同步，再按需在上行信道中进行突发信号的发送，主站会对每个端站的突发信号进行同步解调并进行实时测量，并根据实时测量的结果，反馈下发到指定的端站进行时间戳调整，完成上行信道的时间同步功能。本发明采用FDD+TDMA的模式，即下行和上行采用不同频点的载波，并且在上下行载波中又划分了不同的时隙，主站将按照系统的无线资源分配机制获得一个时隙资源下发到指定的端站，在此基础上建立卫星无线信道，并承载用户的业务数据，实现端站的入网和数据通讯功能，进一步提升了整个系统网络运行的稳定性和用户的使用体验。

附图说明

图1为卫星TDMA系统示意图；

图2为实施例中设备功能单元逻辑框图；

图3为基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法流程示意图；

图4为S5中计算方法示意图；

图5为实施例中空口大帧和超帧组成示意图；

图6为实施例中上下行时间戳同步过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

以下结合附图1-6对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，如图3所示，同步方法包括以下步骤：

S1.主站建立下行载波，发送高层和物理层的广播消息；

S2.端站配置下行载波接收通道，接收下行信道的广播信息；

S3.端站提取上行载波的发送频点，完成下行信道的时间同步；

S4.端站发起随机接入突发信号，提出无线资源申请请求，等待主站应答；

S5.主站计算出当前端站需要调整的时间值，并传递给端站；

S6.端站进行解析，下发对时动作到FPGA单元；

S7.FPGA单元对时间戳进行微调，完成上行信道的时间同步。

进一步的，所述S4中端站发起随机接入的突发信号的节点在时隙0。

进一步的，如图6所示，所述S3中的下行时间同步包括：

端站以RX收到的时隙戳作为基准调整TX的发送时间，使得主站于中频收发位置发送时隙边沿和接收时隙边沿对齐，通过调整公式调整T_adjust值以完成下行同步，所述调整公式为：

Delay_Air*2+S_RX_Delay-PreHeader_Delay+S_TX_Delay+Delay_R2T+T_adjust＝T_slot*8*N；

Delay_R2T＝TimeStamp_TX_Slot0_S-TimeStamp_RX_Slot0；

式中N＝4，Delay_Air为上下行卫星链路延时的总和，T_slot为一个时隙周期的时间。当T_adjust>0，表示发送过快，帧发送的控制计数器需要滞后，计数器相减，调整的标志则为0。当T_adjust<0：表示发送过慢，帧发送的控制计数器需要超前，计数器相加，调整的标志则为1。

进一步的，如图4所示，所述S5中的计算方法包括：

S501.主站解调每个端站的突发数据帧，并对每个端站的数据流进行数据流同步；

S502.主站监听端站的无线资源请求报文，并作出资源应答响应；

S503.主站对每个端站的无线突发信号做实时测量，获取每个突发帧相对于标准时刻的偏移量；

S504.CPU单元进行计算，获取需要调整的时间值。

需要说明的是，本实施例中的时间测量机制为：

首先，每个空口的物理帧都是按10ms进行设计的，在每个帧的GAP区域内是帧的保护时间，即在GAP这个时间内，关闭了无线发射开关，即使当前帧和其他端站发送的数据帧有轻微的时间上的重叠，不会影响主站系统的正确接收。基于此，一般GAP的保护间隔时间设定在64us即可。另外，对于时间戳的测量，是由FPGA在数字基带侧进行测量，并非在实际的空口进行测量，即从基带的数据到模拟的空口存在固定的时间差异。

其次，主站和端站之间的信号经过卫星转发带来的时间延时远大于无线帧的10ms周期，所以在定义帧编号的周期总时长一定要大于卫星延时的时长。如图5所示，在本发明中，采用FDD+TDMA的机制，即定义超帧为64个时隙，即时隙编号为0～63。但实际使用时是16个时隙，即大帧为16个时隙，即可以满足16个用户同时在线使用。上下行帧编号整体延时为2个大帧时长。

在主站和端站的基带部分内，都维护一个32Bit的计数器，用于抓取发送和接收空口数据帧在某个特定时刻的时间计数值，作为后续时间同步计算的依据。空口同步的目的不是为了使得这两个计数器的计数值保持同步，而是使的端站发送过来的数据帧到达主站的时刻，落在合理的区间范围内，即当整个系统的端站都实现时间同步后，可以保证主站在接收多个端站信号是不会引起冲突。

进一步的，在下行同步完成之后，端站按照自己的时隙分配结果，会在相应的时隙周期上发送突发数据帧到主站侧。在主站侧，解调完对应的数据后，将获得此数据是来自哪个时隙，并根据实时测量的结果去实时去微调当前的端站的发送时间，保证系统在长期运行过程中的稳定性。因此如图6所示，S7中所述的上行时间同步包括：

主站侧以TX发送的时隙戳作为基准，比较RX收到的时间戳，得到结果后调整远端站的TX发送时间，使得在主站的中频收发位置处，发送时隙边沿和接收时隙边沿对齐，通过公式计算T_adjust的值，所述计算公式为：

(TimeStamp_RX_SlotX-SlotX*T_slot-TimeStamp_TX_Slot0_M)+T_adjus t＝(M_RX_Delay-M_TX_Delay)；

式中SlotX表示当前端站分配的时隙ID。当T_adjust>0，表示RX过快，即远端的TX发送需要滞后，帧发送的控制计数器需要滞后，计数器相减，调整的标志则为0。当T_adjust<0，表示RX过慢，即远端的TX发送需要超前，帧发送的控制计数器需要超前，计数器相加，调整的标志则为1。

在主站侧，物理层的控制面通过计算得到T_adjust，以及对应的端站时隙ID，然后在下行信道中通过单播消息机制把数据传递到端站，端站在收到这个时隙调整的消息后，确认是自己的时隙ID后，由CPU单元触发FPGA单元进行计数器的调整，从而调整发送空口帧时间，达到时间同步的目的。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1.主站建立下行载波，发送高层和物理层的广播消息；

S2.端站配置下行载波接收通道，接收下行信道的广播信息；

S3.端站提取上行载波的发送频点，完成下行信道的时间同步；

S4.端站发起随机接入突发信号，提出无线资源申请请求，等待主站应答；

S5.主站计算出当前端站需要调整的时间值，并传递给端站；

S6.端站进行解析，下发对时动作到FPGA单元；

S7.FPGA单元对时间戳进行微调，完成上行信道的时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，其特征在于：所述S4中端站发起随机接入的突发信号的节点在时隙0。

3.根据权利要求1所述的一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，其特征在于：所述S3中的下行时间同步包括：

端站以RX收到的时隙戳作为基准调整TX的发送时间，使得主站于中频收发位置发送时隙边沿和接收时隙边沿对齐，通过调整公式调整T_adjust值以完成下行同步，所述调整公式为：

Delay_Air*2+S_RX_Delay-PreHeader_Delay+S_TX_Delay+Delay_R2T+T_adjust＝T_slot*8*N；

Delay_R2T＝TimeStamp_TX_Slot0_S-TimeStamp_RX_Slot0；

式中Delay_Air为上下行卫星链路延时的总和，T_slot为一个时隙周期的时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，其特征在于：所述S5中的计算方法包括：

S501.主站解调每个端站的突发数据帧，并对每个端站的数据流进行数据流同步；

S502.主站监听端站的无线资源请求报文，并作出资源应答响应；

S503.主站对每个端站的无线突发信号做实时测量，获取每个突发帧相对于标准时刻的偏移量；

S504.CPU单元进行计算，获取需要调整的时间值。

5.根据权利要求1所述的一种基于卫星TDMA通讯体制下的时间同步方法，其特征在于：所述S7中的上行时间同步包括：

主站侧以TX发送的时隙戳作为基准，比较RX收到的时间戳，得到结果后调整远端站的TX发送时间，使得在主站的中频收发位置处，发送时隙边沿和接收时隙边沿对齐，通过公式计算T_adjust的值，所述计算公式为：

(TimeStamp_RX_SlotX-SlotX*T_slot-TimeStamp_TX_Slot0_M)+T_adjust＝(M_RX_Delay-M_TX_Delay)；

式中SlotX表示当前端站分配的时隙ID。

Images