面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法及系统
阅读说明：本技术 面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法及系统 (Multi-gateway station beam hopping synchronization method and system for high-throughput satellite ) 是由 李军 翟盛华 惠腾飞 龚险峰 王大庆 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法及系统。首先地面信关站组主要包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站,每个信关站进行业务信号以及同步控制信号的产生。然后,跳波束卫星载荷中的前向链路转发器将每个信关站发送的业务信号和控制信号分离,其中业务信号送给后端的功率放大链路,同步控制信号送给跳波束控制器进行处理,跳波束控制器对多个信关站的同步控制信号进行解析和时间比对,提取从信关站与主信关站的时间误差,同时根据解析出来的跳波束控制指令对跳波束后端的开关链路进行控制。该方法波束跳变同步流程简单,同步时间快,星上处理简单可靠,且不依赖具体的业务通信体制。(The invention discloses a multi-gateway station beam hopping synchronization method and system for a high-throughput satellite. Firstly, the ground gateway station group mainly comprises a network control center, a master gateway station and a plurality of slave gateway stations, and each gateway station generates a service signal and a synchronous control signal. Then, a forward link transponder in the beam hopping satellite load separates a service signal and a control signal sent by each gateway station, wherein the service signal is sent to a power amplification link at the rear end, a synchronous control signal is sent to a beam hopping controller for processing, the beam hopping controller analyzes and compares time of the synchronous control signals of a plurality of gateway stations, extracts time errors of a slave gateway station and a master gateway station, and controls a switch link at the rear end of the beam hopping station according to an analyzed beam hopping control instruction. The method has the advantages of simple beam hopping synchronization process, quick synchronization time, simple and reliable satellite processing and no dependence on a specific service communication system.)
技术领域
本发明涉及面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法及系统，该方法主要用于基于星上透明转发的跳波束系统，属于卫星通信
技术领域
。背景技术
随着互联网应用的发展，全球范围内对宽带卫星通信服务需求逐年增加，特别是伴随着云计算、物联网及5G等技术的应用不断深入，卫星广域覆盖的特点逐步凸现，对卫星通信系统的容量需求将呈井喷式增长，而需要支持的信息服务类型也将层出不穷。为了应对这种需求的变化，卫星通信技术正在逐步向高通量卫星(HTS，High ThroughputSatellite)通信系统方向发展。
“高通量卫星”是指通过点波束、赋形波束及频率复用等技术，在同等轨道和频谱条件下，能够提供比传统卫星高出数倍至数十倍容量的新型卫星。该类系统的典型技术特点是：卫星采用多波束技术对服务区进行波束交叠覆盖，在提高无线链路质量的同时实现了空间维度上的分割；以此为基础，系统采用多次频率复用提高单颗卫星的通信容量；信关站与用户波束簇之间紧密耦合，完成两跳通信，使得多信关站分享同一颗卫星的通信资源。形成信关站在空间上的隔离，再次实现信关站链路的频率复用。通过以上技术的使用，高通量卫星通信系统的总通信容量得到成倍、数十倍的提升，使其提供给用户的业务成本快速下降。
目前，HTS卫星通信系统的发展中面临的问题主要集中在两个方面，一是如何进一步提高系统通信容量以提供更多的通信资源；二是如何提升系统灵活性以满足各种应用场景和可能出现的各种通信应用需求。2010年欧洲航天局(ESA：European Space Agency)支持巴塞罗那自治大学联合德国宇航中心开展相关的研究工作，提出了跳波束技术的设想并从理论上证明了提升系统容量的可行性，至此，跳波束技术被广大相关研究机构关注，被确定为了新一代HTS系统的关键技术。
HTS系统中跳波束是一种特殊的载荷设计方式，星载天线是全覆盖的多波束天线，但转发器资源在多个波束之间分时共用，本质上是信号在不同波束之间按需分时跳变，从用户使用角度上看是一个跳波束系统，图1给出了典型跳波束系统及转发器工作原理示意图。
跳波束系统能够有效提升HTS系统的通信容量，并提升业务应用的灵活性，但跳波束系统效能的发挥必须解决好全系统的跳波束同步问题，具体包括信关站前向业务信号和卫星波束切换之间的同步以及多个信关站之间的跳波束时间基准同步。图2给出了信关站前向业务信号和卫星波束切换之间的失步引起的波束跳变混乱的示意，图3给出了多个信关站之间的跳波束失步时引起的波束间干扰示意。
国外相关文献重点研究跳波束的优点及其对系统容量的提升分析上，给出了较粗的转发器框图，针对HTS系统使用时多信关站之间的跳波束同步方案并没有详细研究。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法及系统，以较低的星上处理复杂度实现了波束跳变控制与时间同步的高效融合
本发明的技术解决方案是：面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法，所述高通量卫星包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站，网络控制中心与多个信关站之间具备信息互通能力，实现多个信关站之间的波束控制协调，该方法步骤如下：
S1、每个信关站根据自己的时间基准按照预设同步周期产生同步脉冲，并在同步脉冲的起始时刻通过控制信道发送带有同步信令的同步控制信号；所述同步控制信号的起始时刻与同步脉冲起始时刻严格同步；所述时间信令包括时间帧计数信息，所述时间帧计数信息为当前同步控制信号的起始时刻对应的本地同步脉冲计数值；
S2、卫星收到各个信关站的同步控制信号时，对同步控制信号进行解调和解析，得到时间帧计数信息，并且恢复出各个信关站的同步脉冲，此时同步脉冲起始沿与收到的同步控制信号起始时刻对齐；
S3、卫星根据自己的时间基准按照相同的预设同步周期，产生星上同步脉冲和时间帧计数信息；
S4、卫星根据自身的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到主信关站与星上的时间偏差；根据从信关站的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到从信关站与主信关站的时间偏差；
S5、卫星将各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差进行组帧，通过下行链路广播给各从信关站与主信关站；
S6、网络控制中心根据各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差，对各信关站的时间进行校正，使得各从信关站与主信关站同步，主信关站与星上的时间同步。
优选的，所述步骤S4中：
主信关站与星上的时间偏差具体计算方法为：
主信关站与星上同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与星上时间帧计数差×预设同步周期。
从信关站与主信关站的时间偏差具体计算方法为：
从信关站与主信关站同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与主信关站时间帧计数差×预设同步周期。
优选的，带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号共用控制信道，带有控制信令的同步控制信号用于各信关站向卫星发送波束切换控制指令，当带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号冲突时，优先发送带有控制信令的同步控制信号，带有时间信令的可不发。
优选的，带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号采用了相同的帧格式，帧格式都包括：固定PN序列和控制信息，控制信令和时间信令对应的PN码序列不同。
优选的，所述预设同步周期不高于10ms。
本发明另一个技术方案是：采用上述方法的高通量卫星通信系统，高通量卫星包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站，网络控制中心与多个信关站之间具备信息互通能力，实现多个信关站之间的波束控制协调，其特征在于卫星上包括控制信号解析模块、星上时间基准产生模块以及时间偏差比对计算模块；
每个信关站根据自己的时间基准按照预设同步周期产生同步脉冲，并在同步脉冲的起始时刻通过控制信道发送带有同步信令的同步控制信号；所述同步控制信号的起始时刻与同步脉冲起始时刻严格同步；所述时间信令包括时间帧计数信息，所述时间帧计数信息为当前同步控制信号的起始时刻对应的本地同步脉冲计数值；
控制信号解析模块，收到各个信关站的同步控制信号时，对同步控制信号进行解调和解析，得到时间帧计数信息，并且恢复出各个信关站的同步脉冲，此时同步脉冲起始沿与收到的同步控制信号起始时刻对齐；
星上时间基准产生模块，根据自己的时间基准按照相同的预设同步周期，产生星上同步脉冲和时间帧计数信息；
时间偏差比对计算模块，卫星根据自身的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到主信关站与星上的时间偏差；根据从信关站的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到从信关站与主信关站的时间偏差；将各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差进行组帧，通过下行链路广播给各从信关站与主信关站；
网络控制中心根据各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差，对各信关站的时间进行校正，使得各从信关站与主信关站同步，主信关站与星上的时间同步。
所述主信关站与星上的时间偏差具体计算方法为：
主信关站与星上同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与星上时间帧计数差×预设同步周期。
从信关站与主信关站的时间偏差具体计算方法为：
从信关站与主信关站同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与主信关站时间帧计数差×预设同步周期。
带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号共用控制信道，带有控制信令的同步控制信号用于各信关站向卫星发送波束切换控制指令，当带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号冲突时，优先发送带有控制信令的同步控制信号，带有时间信令的可不发。
带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号采用了相同的帧格式，帧格式都包括：固定PN序列和控制信息，控制信令和时间信令对应的PN码序列不同。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过每个信关站发送与业务信号时隙相关联的波束跳变控制信号以及时间信令信号的方法，在实现了星上快速可靠的波束跳变的同时也进行了时间比对，在满足不改变业务通信信号体制的前提下，简化了星地波束跳变的同步过程以及星上处理的复杂度，实现了多个信关站之间的跳波束同步。
(2)、本发明所提出的波束跳变控制信号以及时间信令信号占用相同的载波带宽，采用了相同的帧结构设计，仅通过不同的前导序列进行区分，该方法在占用较低的额外带宽资源下实现了星上的波束控制与时间比对一体化设计，且简化了星上处理复杂度，整个跳波束同步控制的实现硬件资源开销小，能够使用ACTEL等反熔丝FPGA实现，极大提高了星上波束控制的可靠性。
附图说明
图1为典型高通量卫星跳波束系统组成及载荷原理框图；
图2为本发明实施例前向业务信号和卫星波束切换失步时引起信号混乱示意图；
图3为本发明实施例多个信关站失步时的相邻波束交叠干扰示意图；
图4为本发明实施例多信关站跳波束同步系统组成示意图；
图5为本发明实施例多信关站跳波束同步系统信号流图；
图6为本发明实施例前向控制信号与业务信号的关系示意图；
图7为本发明实施例波束跳变同步控制信号示意图；
图8为本发明实施例星载跳波束控制器功能框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明结合HTS卫星通信系统的发展需求，针对提高系统容量及业务灵活性对跳波束同步的需求，提出了面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法，该方法波束跳变同步流程简单，同步时间快，星上处理简单可靠，且不依赖具体的业务通信体制。
上述面向高通量卫星的多信关站跳波束同步方法，所述高通量卫星包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站，网络控制中心与多个信关站之间具备信息互通能力，实现多个信关站之间的波束控制协调，该方法步骤如下：
S1、每个信关站根据自己的时间基准按照预设同步周期产生同步脉冲，并在同步脉冲的起始时刻通过控制信道发送带有同步信令的同步控制信号；所述同步控制信号的起始时刻与同步脉冲起始时刻严格同步；所述时间信令包括时间帧计数信息，所述时间帧计数信息为当前同步控制信号的起始时刻对应的本地同步脉冲计数值；
S2、卫星收到各个信关站的同步控制信号时，对同步控制信号进行解调和解析，得到时间帧计数信息，并且恢复出各个信关站的同步脉冲，此时同步脉冲起始沿与收到的同步控制信号起始时刻对齐；
S3、卫星根据自己的时间基准按照相同的预设同步周期，产生星上同步脉冲和时间帧计数信息；
S4、卫星根据自身的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到主信关站与星上的时间偏差；根据从信关站的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到从信关站与主信关站的时间偏差；
主信关站与星上的时间偏差具体计算方法为：
主信关站与星上同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与星上时间帧计数差×预设同步周期。
从信关站与主信关站的时间偏差具体计算方法为：
从信关站与主信关站同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与主信关站时间帧计数差×预设同步周期。
S5、卫星将各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差进行组帧，通过下行链路广播给各从信关站与主信关站；
S6、网络控制中心根据各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差，对各信关站的时间进行校正，使得各从信关站与主信关站同步，主信关站与星上的时间同步。
带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号共用控制信道，带有控制信令的同步控制信号用于各信关站向卫星发送波束切换控制指令，当带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号冲突时，优先发送带有控制信令的同步控制信号，带有时间信令的可不发。
带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号采用了相同的帧格式，帧格式都包括：固定PN序列和控制信息，控制信令和时间信令对应的PN码序列不同。
所述预设同步周期不高于10ms。
高通量卫星通信系统，高通量卫星包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站，网络控制中心与多个信关站之间具备信息互通能力，实现多个信关站之间的波束控制协调，其特征在于卫星上包括控制信号解析模块、星上时间基准产生模块以及时间偏差比对计算模块；
每个信关站根据自己的时间基准按照预设同步周期产生同步脉冲，并在同步脉冲的起始时刻通过控制信道发送带有同步信令的同步控制信号；所述同步控制信号的起始时刻与同步脉冲起始时刻严格同步；所述时间信令包括时间帧计数信息，所述时间帧计数信息为当前同步控制信号的起始时刻对应的本地同步脉冲计数值；
控制信号解析模块，收到各个信关站的同步控制信号时，对同步控制信号进行解调和解析，得到时间帧计数信息，并且恢复出各个信关站的同步脉冲，此时同步脉冲起始沿与收到的同步控制信号起始时刻对齐；
星上时间基准产生模块，根据自己的时间基准按照相同的预设同步周期，产生星上同步脉冲和时间帧计数信息；
时间偏差比对计算模块，卫星根据自身的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到主信关站与星上的时间偏差；根据从信关站的同步脉冲、时间帧计数信息与主信关站的同步脉冲、时间帧计数信息进行比对，得到从信关站与主信关站的时间偏差；将各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差进行组帧，通过下行链路广播给各从信关站与主信关站；
网络控制中心根据各从信关站与主信关站的时间偏差以及主信关站与星上的时间偏差，对各信关站的时间进行校正，使得各从信关站与主信关站同步，主信关站与星上的时间同步。
所述主信关站与星上的时间偏差具体计算方法为：
主信关站与星上同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与星上时间帧计数差×预设同步周期。
从信关站与主信关站的时间偏差具体计算方法为：
从信关站与主信关站同步脉冲起始时刻时间差+主信关站与主信关站时间帧计数差×预设同步周期。
带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号共用控制信道，带有控制信令的同步控制信号用于各信关站向卫星发送波束切换控制指令，当带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号冲突时，优先发送带有控制信令的同步控制信号，带有时间信令的可不发。
带有时间信令的同步控制信号与带有控制信令的同步控制信号采用了相同的帧格式，帧格式都包括：固定PN序列和控制信息，控制信令和时间信令对应的PN码序列不同。
实施例：
地面信关站组需要包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站。网络控制中心与多个信关站之间具备信息互通能力。系统中每个信关站根据业务信号的跳变需求产生所需要的前向控制信令信号，具体包括控制信令和时间信令；通过馈电上行链路独立的载波发送给星上，星上前向链路转发器接收该信号后进行载波分离后给跳波束控制器，跳波束控制器检测前向控制信令信号，如果是控制信令则提取控制信令中所包含的波束切换控制信息并用于波束的切换，如果是时间信令则进行时间比对提取出各从信关站和主信关站的时间差后反馈给各从信关站。
如图4和图5所示，本发明提供的一种面向高通量卫星的多信关站之间的跳波束同步方法，步骤如下：
1)、信关站组主要包括网络控制中心、主信关站和多个从信关站。网络控制中心与多个信关站之间具备信息互通能力，主要实现多个信关站之间的波束控制协调，避免在波束使用时相邻波束同时分配业务信号；主信关站是整个系统的时间基准，所有从信关站需要同步到主信关站的时间基准上。
2)、每个信关站按照NOCC分配的波束跳变策略进行业务信号以及同步控制信号的产生。
3)、跳波束卫星载荷中的前向链路转发器将每个信关站发送的业务信号和控制信号分离，其中业务信号送给后端的功率放大链路，同步控制信号送给跳波束控制器进行处理。
4)、跳波束控制器对多个信关站的同步控制信号进行解析和时间比对，提取从信关站与主信关站的时间误差，同时根据解析出来的跳波束控制指令对跳波束后端的开关链路进行控制。
由以上步骤可知，单信关站控制的用户波束为单向开环同步，同步流程简单，同步时间快；多信关站之间的时间同步为闭环同步，误差计算在跳波束控制器完成。
下面重点介绍波束跳变控制信号的优化设计和同步控制信号星上处理流程。
(1)波束跳变控制信号优化设计
为了解决多信关站之间的前向同步，本发明对同步控制信号进行了优化设计，其中整个控制信令包括固定的PN捕获序列以及控制信息。
1)、固定长度的PN序列用于星上控制信号突发检测，其要求相关性好，具体PN码长度的选择可以根据实际控制信息到达跳波束控制器的信噪比而定，为了提高捕获概率，减小误捕概率，建议PN序列的长度在128bit以上，PN序列可以采用常用的方法生成，主要保证其相关性能，例如采用小m序列、大M序列或Gold码序列等方法生成；
2)、控制信息建议采用DVB-S2X标准中RM(7,64)编码，其特点是在Es/N0＝0dB时，误码率仍优于10E-9；
3)、波束跳变同步控制信号采用DBPSK，便于星上采用简化的解调方案。
采用DBPSK调制以及高性能的RM编码方式，星上波束跳变控制信号的整个处理流程中的各模块实现简单。
由于考虑到多信关站之间的同步需求，本发明对同步控制信号进行了分类设计，主要分为控制信令和时间信令，如图6所示，其中控制信令和时间信令采用相同的帧格式，区别在于控制信令和时间信令的PN码序列不同，内部控制信息的定义不同，如图7所示。
1)、控制信令和时间信令的PN码要求正交性好，确保两个控制信息之间不产生误操作；
2)、时间信令内部的7bit有效信息用来传输时间帧计数信息，具体值从0～127，同步周期可根据系统需求自定义，建议同步周期不小于10ms。
3)、控制信令根据波束跳变需求按需发送，当波束跳变时按需提前发送控制信令帧；时间信令周期发送，发送间隔为分辨率间隔，当时间信令与控制信令冲突时优先发送控制信令，时间信令可不发。
(2)同步控制信号星上处理流程
时间同步的具体过程如下：
(1)主信关站根据自己的时间基准产生周期脉冲信号和帧计数信号，并在脉冲信号起始位置发送带时间信令的同步控制信号，时间信令的同步控制信号第一个符号的上升沿与周期脉冲信号严格同步；
(2)、从信关站根据自己的时间基准产生周期脉冲信号和帧计数信号，并在脉冲信号起始位置发送时间同步控制信号，时间同步控制信号第一个符号的上升沿与脉冲信号严格同步；
(3)、卫星根据自己的时间基准产生周期脉冲信号和帧计数信号；
(4)、跳波束控制器测量卫星自主产生的脉冲信号与解析出的主信关站信号之间的脉冲时间差以及帧计数差并计算卫星与主信关站之间的时间偏差，具体计算方法为脉冲时间差加帧计数差与分辨率的乘积。
结合图8给出的前向业务信号与控制信号的关系图，下图给出了星载跳波束控制器的处理流程，具体包括控制信号解析模块、星上时间基准产生模块以及时间偏差比对计算模块三部分，具体处理流程说明如下：
1)、控制信号解析模块分别对主信关站和多个从信关站的同步控制信号进行捕获、解调处理，当接收到控制信令时提取出跳波束控制指令信号实现对波束的控制；当接收到时间信令时，提取出时间同步脉冲信号以及时间帧计数信息送给时间偏差比对计算模块进行处理；
2)、星上时间基准产生模块按照时间信令的间隔产生星上时间同步脉冲送给时间偏差比对计算模块进行处理；
3)、时间偏差比对计算模块主要有两种功能，一是与主信关站的时间脉冲进行比对计算，计算出主信关站与星上时间的偏差；二是比对各从信关站与主信关站之间的时间偏差，包括帧计数偏差以及帧内精确时间偏差两部分内容。
4)、时间偏差比对计算模块还对各从信关站与主信关站的时间偏差及主信关站与星上的时间偏差进行组帧，通过下行链路广播给主信关站与从信关站，用于各信关站之间的时间校正。
综上所述，采用基于信令载波辅助的星上同步信关站的快速跳波束同步方式实现波束跳变与信关站业务之间的同步，通过星上时间测量及比对计算的方式实现多个信关站之间同步；采用的信令载波包括控制信令和时间信令两种信号，控制信令和时间信令采用相同的帧格式，通过不同PN码区分类型，能够以较低的星上处理复杂度实现了波束跳变控制与时间同步的高效融合。
本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。
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