卫星移动通信信号处理同步技术研究

卫星移动通信信号处理同步技术研究

王致情,罗忠超

成都国恒空间技术工程股份有限公司

摘要：卫星移动通信信号处理同步技术在实施环节上能够最大程度决定卫星信息通信质量和效果，所以本文针对目前卫星移动通信系统，信号符号长短波动幅度大、字符少等问题和特点，结合传统计算方式进行深入探索和研究，并且根据卫星移动通信信号处理特点进行线性相位内插计算方式全面分析和讨论，提出全新的线性相位内插数据计算方法。而利用数据和信息整体现状做出的频道数据估计方法，不仅有效提升频段内部数量较少情况，还经过一系列实践操作得出相关结论：经过技术改进的线性相位内插算法计算出的信号同步性更高，可以满足卫星移动通信信号处理需求。

关键词：卫星；移动通信；同步技术；通信分类

近几年我国自然灾害频繁产生，地面所建设的移动信息通信网络覆盖面积已经不能满足现代化信息时代的基础需求，所以需要积极引进卫星移动通信系统，我国现阶段根据卫星移动通信运转特点，积极研究出相匹配的信号处理同步技术，有效推进信息通信系统的建设效果和水平。

一、卫星移动通信设计必要性

由于卫星移动通信系统内部结构十分复杂，所以通信结构设计成为一整个设计的核心条件，同样成为信关站点的实体定义、功能分割、连接反感、信令适配等基础条件。所以从本质上来看卫星移动通信系统的内部结构在设计过程中需要设计综合承载业务形式、互联网地面网络结构体系以及管理制度等，整个方案设计不仅需要展现出先进性和科学性，还需要综合考虑系统方案设计中的兼容性和推演能力。所以卫星移动通信设计过程中，其内部结构设计成为了方案的重要专业技术之一。

所以技术人员需要借鉴地面蜂窝系统的基础条件上进行信关站点的内部结构设计，同时使用IP承载以及处理技术方案，有效开展一系列增值业务，所以卫星移动通信系统的硬件设备型号选择上需要基于ATCA/u TCA结构硬件设备，其设备通过高速连接互联，设备内部结构通过高速背板交换，在一定范围内完成资源之间的共享处理[1]。而在软件方面则需要通过设备管理配置连接端口针对每个处理区域进行地址编写，同时通过灵活的调整和配置，让每一套处理设备能够在作业中的任何光波束中有效处理。此种方案设计能够在一定范围内交叉互联的资源池，不仅有效提升系统使用的可行性，由增加了系统自身基础处理能力，同时利用资源共享以及软件动态化的重构不断提升信号处理的可行性，因此该系统对于卫星移动通信系统运转过程中集中化、大容量以及多技术等信息环境十分适用。

二、卫星移动通信内部构成

在卫星移动通信基础建设过程中，信关站则是系统的重要构成环节，能够为移动用户提供基础的网络服务，是建设政府应急通信网络、行业应用专网以及特种安全保密网络的基础设施，所以该系统主要由核心网络以及接入网络等部分共同构成。

卫星连接网络可以为移动终端用户提供基础的无线信号接入渠道，是信息传输以及业务数据连接的物理渠道，所以通信设备主要由天线、射频处理设备、基带处理设备以及信关控制设备等共同组成。

其中核心网络一般需要使用3GPPRelease6标准的核心网络结构模式，主要由电路设备以及分组设备两个部分共同构成，分别负责电路结构和分组结构的终端业务处理，并且通过连接口与PSTN、PLMN软交换以及网络完成互联互通。而电路部分包含MSC server、HLR等，所以电路区域部分主要完成语音和短信业务，其核心网络则需要使用IP化处理和互联系统，致使核心网络内部以及无线数据和信令交换都需要利用IP网络进一步实现。除此之外，分组业务处理设备主要包含SGSN、GGSN等设备，完成IP数据业务之间的交换、移动性管理以及路由管理[2]。

终端业务系统包含短信业务平台、短信广播服务设备和设备回传服务设备，为用户提供除了语音数据以外的增值业务，其支撑系统为运营商提供基础服务、运营管理、运行维护提供基础的服务支撑。

（一）卫星网络连接

卫星网络连接网络主要由天线子系统、射频系统以及基带处理系统等构成，其天线系统包含伺服设备以及射频设备构成，而天线则需要使用C频段口径抛物天线，其射频与基带处理子系统主要包含射频和基带处理设备，因此射频设备主要由系统功放、低噪以及上下变频设备共同构成，而基带设备主要由射频处理单元、基带处理单元等构成。

无线控制与资源调整系统主要由信关控制设备以及卫星资源分配服务器共同构成，其子系统为信关站提供时间基准和频率基准，主要由北斗原子频率施工标准、分发单元以及频率等设备共同构成。其管理维护系统则主要由射频管理、DTS管理以及GSC管理等模块，进而针对硬件设备管控，同时收集网络状态管理信息，提升支撑子系统的内部综合网络管理。

（二）核心网络

核心网络一般使用3GPPRelease6标准结构，并且按照设备功能划分为电路域以及分组域两大施工内容，其中电路域主要完成语音管理业务、传真业务以及短消息业务等，需要与本地综合管理使用TDM技术方式进行互通操作。

分组域主要完成数据信息终端业务，利用光纤的连接模式与网络进行相互连通。其中电路域部门主要包含MSC Server、MGW等网元，能够在核心网络电路结构中将负责结构控制层以及业务处理面的网元从物理系统上独立区分，并且分别由MSC-Server和MGW系统进一步完成系统建设。其中MSC-Server则为整个系统的控制核心因素，能够为语音、IP信息数据以及其他业务提供连接控制，为用户管理身份进行系统化认证，为用户的管理信息和数据提供传输、理由以及计费管理等基础功能。

在核心网络中的媒体网关主要作用于信息控制以及传输，完成媒体的格式转化，实现移动用户之间的语音和信息交换，并且完成将信令传输至其他网元的最终目标。位置归属信息储存设备则是系统的数据中心处理系统，可以有效储存所有移动用户的身份信息、系统位置数据，支持实时查询和修改用户身份信息、完成对各种终端业务的技术操作和系统管理，其中包含：用户位置更新、呼叫连续处理、它用户身份检定权利以及补充业务等。其中

GGSN在核心网络内部主要负责用户的数据信息管理、分组移动管理、交换路由选择、数据接入以及流量信息统计等。而SGSN则在核心网络内部负责对外部交换和系统管理，比如：权利检定、会话、加密和路径管理等[3]。

CG网关在核心网络主要负责分组数据和信息的计费功能，并且提供到支撑系统的连接端口。因此在信关机房内部需要安装1套GGSN设备，以此作为分组数据和信息的网关，能够与多种外部网络进行系统化的连接，主要负责卫星设备的用户移动以及网络数据的业务互动，其基础容量支持至少需要为10万用户激活，并且需要具有IP管理功能，以便于后续的终端业务处理。由于该系统在运转过程中还具有UMTSQoS协商能力，所以需要搭配一套CG设备用于信息计费功能，并且与计费中心和网关系统需要使用虚拟专线进行连接。

（三）终端业务系统

1.短信平台

终端业务系统中，短信平台主要包含短信中心和互通网关，并且在运转过程中，短信中心包含：IW/GMSC模块、数据路模块、业务处理模块以及计费模块等，并且支持短信的消息接收、储存转发、转发等通信功能，该平台在运转过程中，主要通过信令链路与HLR等网络连接模式，并且通过SMPP标准连接端口实现系统的相互连接以及计费处理分析等，同时通过互联网端口进一步实现和完成与网络平台之间的联系与沟通。除此之外，短信中心还为平台的运转提供第三方连接端口，以此支持用户内部与外部的访问，信息通信等功能。

2.播报系统

短报文广播业务是指通过卫星接入网GSC设备提供波束内的短报文广播服务，也可以为其它系统短报文广播子系统提供转发业务。短报文服务器应支持短报文消息的管理、存储、审核、调度、发送、查询、统计、加密等功能。系统支持多个授权用户的远程发布功能;支持用户书面提供信息，由信关站本地发布功能;支持对信息的安全保护。同时，短报文服务器具备短报文审核功能，并提供交互界面。

3.回传系统

视频处理和回传系统在运转过程中，是卫星移动通信系统一种基础的增值业务，是利用卫星移动网络进行信息上传和数据，并且在中央服务设备上完成信息储存和处理，为此用户能够登录系统针对数据文件和以及视频进行点播、下载和储存[4]。除此之外，回传系统的服务器还具有允许用户通过终端设备上的配置软件上传视频和信息，随后在网络访问视频，完成服务器上的信息观看、下载视频与信息等基础功能，同时系统还应该支持用户自身的重点设备配置软件，完成视频的点对点传输基础功能。

4.支撑系统

支撑系统在运转过程中主要由市场营销、资源管理、财务管理以及信息连接等系统共同构成，其中市场营销系统在管理过程中主要侧重于向用户提供基础的产品、市场销售、物品管理以及渠道管理等基础功能。而经济财务计费子系统则应用在经济的充值缴费、余额管理等功能。数据和信息连接子系统则主要由数据收集、管理平台构成，在实际运转环节上详细分析和收集的整个系统的基础运行参数，以此作为基础条件支撑各个级别、岗位人员的数据分析，完成对数据和信息的准确、全面且系统化的了解。而综合整个网络管理系统现状来说，系统通过自身网络结构，完成信息监督管理、服务保证、信息分析优化以及运营管理等功能，从根本上开拓了用户的交互范围。

三、卫星移动通信信号处理技术

（一）信号同步处理技术

1.相位关键技术

卫星移动通信信号处理技术研究过程中，虽然卫星移动通信终端设备会对信号接收频率进行估计和补偿，但是频率偏移精准性始终具有一定限制和约束，经过补偿后的信号参数始终存在着残留频道偏颇，此时则需要使用相位关键技术，最大程度减少频道所产生的偏颇问题。目前，我国常用的相位关键技术和计算方式为线性相位内插算法。此种方法主要利用卫星内部结构现有的引导频率信息进行系统化调整和处理，随后估计出各个段落的相位参数，通过对各个阶段的导频相位参数和线性关系，针对此阶段的数据和信息进行线性的补偿处理，所以，此种技术手段针对导频方式的参数精度要求较高。

经过大量仿真技术处理可知，常见导频段落的信息和数据要求在8个符号以上，而此段导频相位的精准程度才能达到标准计算方式的性能需求，当卫星移动通信信号处理过程中，物理信号结构中的导频信号数量均小于8个符号时，该段导频精准程度则无法达到标准计算方式的核心要求。

2.频率同步关键技术

由于卫星移动通信信号处理系统的多个导频段落所产生的符号数量较少，所以使用导频数据时，需要利用数据进行辅助估计和计算，卫星设备的使用性能则极大的减少，其参数估计精准程度不能满足系统的核心需求。比如：在卫星设备的DC10信道结构上，其左右的导频段落符号个数以及总数一半为21个符号，而导频段落的符号个数则需要达到96个以上才能确保系统运转稳定性，所以需要使用二次插值的FFT频域偏差数值计算方式才能彻底达到估计数值的精准要求。为此设计人员需要充分利用突发帧结构针对已知的导频段落进行偏差设计，但是由于此种设计方案十分复杂，所以一旦处理不当会导致卫星设备使用性能急剧恶化，导致频率估计精准程度不能达到后续施工要求的精度水平，为此需要使用更多的已知信息或者参数数据进行频率偏颇估计[5]。

（二）同步计算方法

1.线性相位计算

线性相位计算在实际实施数据计算时，此种传统的信息计算方式需要基于最大准则的线性内插时计算方法，由于此种计算方式针对每段特殊编码和参数个数要求普遍较低，为此想要根据卫星设备进行仿真信息测试，每段独特的编码字符数量不能小于8个符号。而传统计算方式在实施固过程中能够保持系统自身具有较高的相位同步应用性能，但是每段字符个数不小于8个符号情况下，此种参数计算方式的准确性会大幅度降低，所以在此种计算方式背景下，卫星移动通信系统的多信道字符个数不能大于8，针对此种现状，为了保证卫星移动通信系统能够正常运转，必须改进传统的计算方式。

2.频率同步计算

在突发信息通信环节上，频率同步计算方式主要根据参数修正方式，划分为开环前馈法以及闭环反馈法，并且按照辅助技术手段划分为信息数据辅助、非线性技术辅助以及编码辅助等不同技术模式，想要保证卫星移动通信信号能够始终保持同步性，应针对不同调整技术方式使用不同类型的频率同步方法。其中系统常用的计算方式为闭环信息计算方法，而常见的信息数据辅助频道偏颇计算方式主要包含：Ｋａｙ算法、Ｆｉｔｚ算法、Ｌ＆Ｒ算法等。其中Ｋａｙ算法在实际操作环节上，信息计算范围与导频符号数量没有直接关系，但是频率同步计算的估计精准程度会随着频道符号数量的增加而提升，所以此种计算方式对于渠道的信噪比要求较高。Ｆｉｔｚ算法、Ｌ＆Ｒ算法能够使用的范围相对较小，并且两种计算方式的估计范围与精准程度之间存在着相互制约关系。以上计算方式对于同步数据精准程度都会受到频道符号数量的影响，如果单纯针对卫星移动通信内部结构中的部分突发信号转变进行详细分析，则所产生的估计精度很难达到标准要求的精准程度，为此技术人员需要更多的准确数据进行频道偏移数据估计。

3.FFT频率偏向计算

FFT频率偏向计算方式从本质上来看是一种快速计算法，而传统的FFT频率偏向计算是频域中的参数估计计算法，主要技术方式则是搜索周期图形的最大峰值，由于该计算方法是一种估计范围较大的信息估算法，所以其精准程度能够达到至少50%的符号计算速率，同时FFT频率偏向计算还可以在较低的信噪比环境下开展基础工作，所以可以针对此种计算方式特点进行结构变化。

由于此种偏向计算方式自身具有显著特点，可以利用公式进行二次计算，为此技术人员需要在使用周期图形最大峰值参数的基础条件上，根据插值计算公式，针对峰值位置点曲线结构进行详细评定，同时根据FFT频率获得频谱能量的最大参数数值。

结束语：

由此可见，卫星移动通信系统在运转过程中，其终端设备主要作用则是发起信息和数据的接收与输出，所以发送业务数据成为了系统的主要功能，而在系统内部结构，卫星移动通信信号处理同步技术成为影响终端使用性能的关键因素之一，该技术的实施主要解决卫星弱信号检测、同步、跟踪、调制解调、信道编解码以及交织和去交织等问题，其突发信号解调正确的关键技术主要集中在突发信号同步技术。

参考文献：

[1]朱国富.针对低轨卫星移动通信终端的无源定位技术[J].电子设计工程,2022,30(07):185-188+193.

[2]李若可.移动互联网时代的卫星通信网络架构趋势研究[J].数字通信世界,2022(02):36-39.

[3]施艳,谢卓辰,刘会杰.国际移动通信地面基站对低轨卫星的细化干扰建模与分析[J].激光与光电子学进展,2022,59(03):132-139.

[4]张宁,赵楠,张岱岚,王坤.北京建设卫星互联网创新基地的必要性分析[J].中国工程咨询,2022(01):60-63.

[5]马凯旋.基于微服务架构的新一代卫星移动通信运营支撑系统[J].无线互联科技,2021,18(22):3-5.