KR20160101479A

KR20160101479A - 위성 통신망 클럭 및 시간 동기 제어 방법

Info

Publication number: KR20160101479A
Application number: KR1020150024107A
Authority: KR
Inventors: 홍현하; 신민수; 오덕길
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-08-25

Abstract

본 발명에 따른 위성 통신망 클럭 및 시간 동기 제어 방법은 위성을 이용한 중심국과 단말국 간의 위성 통신 망의 클럭 및 시간 동기 제어 방법에 있어서, 상기 중심국으로부터 수신한 NCR(Network clock reference) 패킷과 NCR/SoF(start of frame) 트리거 신호를 이용하여 주파수 동기를 수행하는 단계; 및 NCR 값에 대한 지터 검사를 기반으로 시간 동기를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

위성 통신망 클럭 및 시간 동기 제어 방법{Method for synchronizing a clock and timing in satellite communication network}

본 발명은 위성 통신망 클럭 및 시간 동기 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TDM(time division multiplexing) 기반의 위성 통신 시스템에서 중심국과 단말국간 통신을 위한 NCR(Network clock reference) 기반의 클럭 및 타이밍 동기 제어 기술에 관한 것이다.

일반적으로 위성 통신망은 위성체 및 중심국과 다수의 단말국으로 구성된다. 위성 통신 서비스는 단말국과 중심국 간 성형(star) 연결 혹은 단말국 간 메쉬(mesh) 연결을 통하여 이루어진다. 양방향 위성 통신을 위하여 중심국에서 단말국방향으로 DVB-S2(Digital Video Broadcasting - Satellite - Second Generation) 기반의 TDM(time division multiplexing) 포워드 링크가 이용되며, 단말국에서 중심국 방향으로는 DVB-RCS(digital video broadcasting-return channel by satellite) 기반의 MF-TDMA(Multi Frequency-Time Division Multiple Access) 리턴 링크 전송 방식이 이용된다.

위성 통신 시스템은 중심국에서 모든 단말국으로 전송되는 NCR 패킷인 타임스탬프 정보를 이용하여 중심국과 단말국 간의 주파수/시간 동기를 수행한다. 이때, 각 단말국은 NCR 패킷인 타임스탬프를 이용하여 로컬 오실레이터(local oscillator)를 조정함으로써 지속적으로 중심국과 동기를 유지한다.

NCR 패킷은 중심국에서 주기적(40~150 ms 등)으로 출력되며, 특히 VCM/ACM 기반의 TDM 포워드 링크로 전송되는 경우 도 1과 같이 각 프레임 길이는 서로 다르므로 n+2 번째 SoF(start of frame) 내에 삽입되는 n 번째 SoF 시점에 해당되는 NCR 패킷의 전송 시점은 시간축 상에서 일정하지 않고 변하게 된다. 따라서 단말국은 NCR 지터 발생 상황에서 여러 개의 SoF으로 부터 NCR 패킷에 대응되는 SoF을 찾아 내어 클럭 및 타이밍 복원을 수행한다.

이처럼 NCR 기반의 동기 제어를 위한 종래 기술로 PCR(Program Clock Reference) 기반의 클럭 동기 제어 기법과 PCR/심볼 기반의 개별적인 주파수/시간 동기 제어 기법을 이용한 중심국 및 단말국 간 동기 기술 등이 있다.

첫째, 종래의 PCR 기반의 클럭 동기 제어 기술은 동기 회로 구현이 용이한 장점을 가진다. 즉, 수신장치가 MPEG 스트림을 통하여 PCR 타임스탬프를 주기적으로 수신하고, 연속 PCR간 차이값과 이에 대응되는 연속 로컬 카운터(local counter) 값 간 차이값에 대한 에러 계산과 저역 필터링을 거쳐 VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator)를 제어한다. 로컬 카운터는 VCXO에 의하여 조정 구동되어 PLL(Phase-locked loop) 기반으로 클럭 동기를 송수신 장치 간에 수행함으로써 동기 회로 구현이 용이하다. 그러나, PCR 타임 스탬프 간 간격이 일정해야되므로 PCR 지터에 영향을 많이 받는다는 문제점이 있다.

둘째, 종래의 PCR/심볼 기반의 개별적인 주파수/시간 동기 제어 기술은 기존 PCR 기반 주파수/시간 동기 방식에 비하여 안정 시간(settling time)이 몇초 정도로 빠르고 저가 OSC 로 구현이 가능한 장점을 가진다. 즉, 주파수 동기가 PCR 타임스탬프 대신에 TDM 복조기의 심볼 타이밍 루프 에러를 검출하고 필터링 후 오실레이터를 제어하여 수행된다. 또한, 시간 동기는 PCR 타임스탬프 값과 단말 카운터 값 사이의 에러를 계산하고 필터링 후 단말 카운터 값을 제어함으로써 수행된다. 이에, 기존 PCR 기반 주파수/시간 동기 방식에 비하여 안정 시간(settling time)이 몇 초 정도로 빠르고 저가 OSC(Oscillator)로 구현이 가능한 장점이 있다. 그러나 주파수/시간 동기 회로의 별도 구현으로 회로가 복잡해지는 단점이 있다.

특허공개번호 KR 1994-0025850호

본 발명의 실시예는 NCR 패킷과 NCR/SoF 트리거 신호를 이용하여 주파수 동기를 수행하고 NCR 값에 대한 지터 검사를 기반으로 시간 동기를 수행함으로써, 위상잡음 및 NCR 지터에 강인한 위성 통신망 클럭 및 시간 동기 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 기술은 단말에서 NCR 타임 스탬프 이외에 NCR/SoF 트리거 신호를 이용하여 로컬 카운터 값을 선택하고 에러 계산과 필터링을 거쳐 PLL 기반으로 주파수 동기를 우선 수행하고, 시간 동기는 NCR 값에 대한 지터를 검사하고 로컬 카운터 값에 시간 오프셋을 적용하여 시간 동기를 수행함으로써, 단말국의 클럭/타이밍 동기 회로를 간단하고 저렴한 비용으로 구현하여 VCM/ACM 기반의 적응형 대용량 위성 통신 서비스를 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 NCR 패킷의 프레임 길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NCR 패킷 기반의 TDM 위성 통신망 동기 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 NCR 기반 주파수/시간 동기 제어 시스템의 구성도이다.
도 4는 도 3의 LMC 선택부의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 NCR 기반 주파수/시간 동기 제어 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 TDM 방식의 위성 통신망을 위한 NCR 기반의 주파수/시간 동기 제어 기술에 관한 것이다. 즉 NCR 값과 NCR/SoF 트리거 신호를 이용하여 주파수 동기를 수행하고 NCR 값에 대한 지터 검사를 기반으로 시간 동기를 수행함으로써, VCM/ACM 기반의 적응형 위성 통신 시스템에 적합한 단일 오실레이터 사용과 위상잡음 및 NCR 지터에 강인한 주파수(클럭) 및 타이밍(시간) 동기 기법을 개시한다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NCR 패킷 기반의 TDM 위성 통신망 동기 개념을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 NCR 패킷 기반의 TDM 위성 통신망은 위성(10), 중심국(20), 단말국(30a, 30b)으로 구성된다.

이때, 위성 통신을 위해 중심국(20)은 위성(10)을 통해 모든 단말국(30a, 30b)으로 NCR 패킷을 전송하는데, 단말국(30a, 30b)의 단말(미도시)은 NCR 패킷인 타임 스탬프 정보를 이용하여 중심국(20)과 단말국(30a, 30b) 간의 주파수/시간 동기를 수행한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NCR 기반 주파수/시간 동기 제어 시스템의 구성도이다. 본 발명의 실시예에 따른 NCR 기반 주파수/시간 동기 제어 시스템은 단말국(30a, 30b)의 단말(미도시)을 의미한다.

본 발명의 실시예에 따른 NCR 기반 주파수/시간 동기 제어 시스템은 복조/NCR 검출부(110), LMC 선택부(120), 감산기(130), 저역 필터(140), VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator; 150), 로컬 카운터(160), 지터 산출부(170), 가산기(180), 지터 산출부(170), 가산기(180)를 구비한다. 이때, VCXO(150)의 출력신호가 로컬 카운터(160)로 인가되고 로컬 카운터(160)의 출력신호가 LMC 선택부(120) 및 가산기(180)에 인가되어 PLL 구조를 이룬다.

이때, 복조/NCR 검출부(110), LMC 선택부(120), 감산기(130), 저역 필터(140), VCXO(150)는 주파수 동기를 수행하고, 지터 산출부(170) 및 가산기(180)는 시간 동기를 수행한다.

복조/NCR 검출부(110)는 중심국(20)으로부터 TDM 순방향 신호를 수신하고 수신한 TDM 순방향 신호로부터 NCR 패킷을 검출하여 감산기(130)로 전달하고, NCR 트리거 신호와 프레임 단위로 검출되는 SoF(start of frame) 트리거신호를 LMC 선택부(120)로 전송한다.

LMC 선택부(120)는 복조/NCR 검출부(110)로부터 수신한 NCR 트리거 신호와 프레임 단위로 검출되는 SoF(start of frame) 트리거신호를 기반으로 NCR 패킷에 대응되는 로컬 카운터(160)의 출력값 중 로컬 카운팅 값(LMC_m)를 선택하여 감산기(130)로 전달한다.

감산기(130)는 복조/NCR 검출부(110)로부터 수신한 NCR 패킷과 LMC 선택부(120)로부터 수신한 선택된 로컬 카운팅 값(LMC_n)의 차이값을 계산하여 에러값(NCR-LMC_n)을 출력한다.

저역 필터(140)는 감산기(130)로부터 출력된 에러값(NCR-LMC_n)을 필터링하여 VCXO(150)로 전달한다.

VCXO(150)는 전압제어 수정 발진기로서, 입력전압에 의해 발진 주파수를 가변한다. 즉, VCXO(150)는 저역 필터(140)의 출력값에 따라 주파수를 가변하여 출력한다.

로컬 카운터(160)는 VCXO(150)의 출력값에 따라 카운팅 증감율을 변화시켜 로컬 카운터 값(LMC_m)을 순차적으로 LMC 선택부(120)로 전달한다. 이에, LMC 선택부(120)는 다음번의 NCR 패킷이 입력되면 로컬 카운터(160)로부터 순차적으로 입력되는 로컬 카운터 값(LMC_m) 중 NCR n 트리거신호에 따라 로컬 카운터값(LMC_n)을 선택하여 감산기(130)로 출력한다. 그 후 감산기(130)가 NCR 값에 대한 에러값(NCR-LMC_n)을 산출한 후 저역 필터(140)로 에러값을 출력하여, PLL 기반으로 NCR 패킷에 연동된 로컬 클럭(local clock)을 복원한다. 즉 PLL 루프 기반으로 주기적인 에러(NCR-LMC_n)값에 대한 저역 필터(140)의 출력값을 이용하여 NCR 과 LMC_n 값의 차이가 최소가 되도록 VCXO(150)의 주파수를 제어한다.

일반적으로 NCR 기반의 클럭 동기 제어 기법에서 VCXO(150) 에 대한 주파수 안정도는 VCXO(150) 자체 위상잡음 이외에 NCR 지터에 따라 영향을 받을 수 있다. 본 발명은 NCR/SoF 트리거 신호를 이용한 NCR에 대응되는 LMC 값 선택과 에러값에 대한 저역 필터링을 통하여 지터의 영향을 최소화 할 수 있다.

또한 VCXO(150)는 저역 필터(140)를 기반으로 주파수를 제어함으로써 위상 잡음(~30PPM)을 최소화할 수 있으며 정상상태에서는 NCR 패킷 과 선택된 로컬 카운트값(LMC_n) 간에 정적(static) 오프셋만큼 클럭 차이가 발생한다.

상기 구성을 이용하여 NCR 기반으로 주파수 동기를 우선 수행하고 이하 지터 산출부(170) 및 가산기(180)를 이용하여 시간 동기 제어를 수행한다.

지터 산출부(170)는 감산기(130)로부터 출력된 에러값(NCR-LMC_n)을 수신하여 지터((NCRn-LMC_nn)-(NCRm-LMC_nm))를 반복 계산한다. 즉, 지터는 n번째 에러값에서 n+1번째 에러값을 차감하여 산출되며 이를 m번째까지 반복 계산한다. 지터 산출부(170)는 지터 산출부(170)의 지터값이 기준값 이하인 정상상태(steady state)에 도달하는지를 판단하고 지터값이 정상상태에 도달하는 시점의 에러값(NCRn-LMC_nn)을 오프셋으로 출력한다.

가산기(180)는 오프셋(NCRn-LMC_nn)과 LMC 값을 합산하여 로컬 타임(local time)정보를 출력함으로써 시간 동기를 수행한다.

도 3은 도 2의 LMC 선택부(120)의 세부 구성도이다.

도 3을 참조하면 LMC 선택부(120)는 역다중화부(121), 래치(latch)부(122), 최소 LMC 출력부(123)를 구비한다.

도 2의 순방향 링크 프레임 구조에서 알 수 있듯이 n 번째 SoF 시점의 NCR 타임 스탬프는 n+2 번째 SoF(start of frame) 내에 삽입되어 전송된다.

역다중화부(121)는 복조/NCR 검출부(110)로부터 n번째, n+1번째, n+2번째 SoF 트리거 직렬 신호를 연속적으로 수신하고 병렬로 역다중한 후 각각 래치(122a, 122b, 122c)로 전달한다.

래치(latch)부(122)는 복수개의 래치(122a, 122b, 122c)가 병렬로 연결되어 구비되며, 각 래치(122a, 122b, 122c) 역다중화부(121)로부터 출력된 신호에 의해 각각 제어되어, 로컬 카운터(160)로부터 출력된 로컬 카운터값(LMC_n)을 각각 일시 저장한다.

최소 LMC 출력부(123)는 복조/NCR 검출부(110)로부터 n 번째 NCR 트리거 신호를 수신하면 래치부(122)에 저장되어 있는 LMC 값들 중에서 가장 작은 n 번째 LMC 값을 선택하여 감산기(130)로 출력한다. 따라서 단말국은 VCM/ACM 과 같이 프레임 길이가 변하는 상황에서도 n번째 NCR 타임 스탬프에 대응되는 n번째 LMC 값을 찾아 내고 차이값인 에러값(NCRn-LMC_nn)을 이용하여 클럭/시간 동기를 수행할 수 있게 된다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 NCR 기반 주파수/시간 동기 제어 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 주파수 동기 제어를 위하여 위성 통신 시스템(단말국)의 복조/NCR 검출부(110)는 순방향 TDM 신호를 수신하고 복조를 수행한다(S101).

그 후, 복조/NCR 검출부(110)는 NCR 패킷을 검출하고 LMC 선택부(120)는 NCR/SoF 트리거 신호를 이용하여 NCR에 대응되는 LMC 값을 선택한다(S102).

이어서, 감산기(130)는 NCR 패킷과 LMC값의 차이값(NCR-LMC_n)으로부터 에러값을 계산하고, 저역 필터(140)를 거쳐 VCXO(150)의 제어를 수행한다(S103).

그 후, 로컬 카운터(160)는 VCXO(150)로부터 출력되는 로컬 클럭신호를 이용하여 로컬 카운팅값(LMC_m)을 출력하고, LMC 선택부(120)는 로컬 카운터(160)로부터 출력된 로컬 카운팅값(LMC_m) 중 하나의 로컬 카운팅값(LMC_n)를 선택하여 감산기(130)로 전달한다(S104). 감산기(130)에서의 에러값이 최소화될때까지 PLL 루프를 반복하여 수행함으로써, TDM 순방향 링크를 통하여 전송된 중심국 NCR 타임 스탬프에 동기된 클럭 동기신호를 얻는다.

한편, 시간 동기 제어를 위하여, 위성 통신 시스템(단말국)의 지터 산출부(170)는 감산기(130)로부터 출력된 에러값(NCR-LMC_n)을 수신하여 지터((NCRn-LMC_nn)-(NCRm-LMC_nm))를 산출한다(S105). 이어서, 지터 산출부(170)는 에러값에 대한 지터가 기준값 이하를 만족할 때까지 반복 검사하고(S106), 조건을 충족하는 경우 가산기(180)로 정적 오프셋(static offset)을 출력한다.

이에, 가산기(180)는 로컬 카운터(160)로부터 출력된 로컬 카운팅값(LMC_n)에 정적 오프셋을 합산 보정하여 시간 동기를 수행한다.

이와 같이 본 발명은 간단한 회로 구현으로 위성 통신 시스템(단말국)의 클럭(주파수) 및 타이밍(시간) 동기를 수행하고 위상잡음과 NCR 지터에도 강인한 동기 제어 특성을 갖는다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

위성을 이용한 중심국과 단말국 간의 위성 통신 망의 클럭 및 시간 동기 제어 방법에 있어서,
상기 중심국으로부터 수신한 NCR(Network clock reference) 패킷과 NCR/SoF(start of frame) 트리거 신호를 이용하여 주파수 동기를 수행하는 단계; 및
NCR 값에 대한 지터 검사를 기반으로 시간 동기를 수행하는 단계
를 포함하는 위성 통신망 클럭 및 시간 동기 제어 방법.