基于正交频分复用的低轨卫星移动通信同步控制系统设计

韩 芳，李 资，王红梅

(新疆工程学院 信息工程学院，乌鲁木齐 830023)

0 引言

正交频分复用是一种常见的多载波调制手段，其主要应用思想为：通过通信网络均分传输信道为子信道，转换高速信号为并行或者直行的数据流，保证子信道充分接收传输信号[1]。通过信号处理技术区分接收端设备正交信号，降低子信道之间相互干扰。通常情况下，核心信道相关带宽值高于子信道带宽，子信道传输行为状态表现为平坦型衰落，这也是频分复用技术能够消除数据间干扰影响的主要原因[2]。子信道带宽与原信道带宽相比，只达到一部分，故而正交频分复用技术支持下的信道均衡处理就显得相对较为容易。

低轨卫星通信建立固定用户与移动用户、移动用户与移动用户之间的关系，与地球同步轨道相比，实际运行轨道较低[3]。传统通信控制系统无线通信数据信号传输载体为Z-Stack协议栈，通过MQ-2烟雾传感器以及温湿度传感器，结合Arduino主控中心组织服务器集群。然而此系统对于低轨卫星移动通信同步导航能力的促进作用相对有限，很难实现对传输数据信息的精准定位。为解决此问题，引入正交频分复用技术，设计一种新型的低轨卫星移动通信同步控制系统，在BDG-MF-OS型卫星终端、ZIGBEE无线数据传输模块等多个硬件设备结构体的支持下，对同步信号模型的复用保护间隔与循环前缀进行完善，再通过通信数据分包的方式，实现同步通信协议与控制应用系统之间的实用性连接。

1 低轨卫星移动通信同步控制系统硬件设计与实现

低轨卫星移动通信同步控制系统的硬件执行环境由电源管理模块、BDG-MF-OS型卫星终端、ZIGBEE无线数据传输模块、网络与显示模块共4部分共同组成，具体设计与实现流程如下。

1.1 电源管理模块

低轨卫星移动通信同步控制系统的电源管理模块以Arduino Mega 2560主控板作为核心供电设备，可在正交频分复用状态下，对电源状态进行实时显示与监控。Arduino Mega 2560主控板拥有16个完全独立的输出管脚，在用8 V、12 V并列连接的供电调试模式[4]。其中，8 V惯脚可对内部铿电池进行供电，12 V惯脚可对外部同步电池设备进行供电。LED[1，6]传输信道可同时读取低轨卫星电池内的存储电压值，并可实时显示系统现阶段所处的电量状态，当存储电量不足时，GND输出端的蜂鸣器设备会发出报警信号，以提醒移动通信网络所处的非同步传输状态，为最大限度节省系统内的传输电子量，Arduino Mega 2560主控板会在连接初期启动同步睡眠模式，平均睡眠时间可达8 s，也可在此过程中，通过串口设备将电池结构的状态实时发送给电源管理模块的主控中心。

图1 Arduino Mega 2560主控板供电形式

蜂鸣器电路作为电源管理模块的附属执行结构，可在频分信号扩大器设备的作用下，对主控板供电端输出的电子量进行整合与协调处理，再借助R、C、D、Q四类电子消耗元件，实现对正交频分复用信号的全局化调度[5]。

图2 蜂鸣器电路

1.2 BDG-MF-OS型卫星终端

BDG-MF-OS型卫星终端集电源稳压、信号定位、通信显示等多重功能于一体，可在电源管理模块的作用下，与系统控制主机建立报文通信关系。此外，由于低轨卫星定位导航功能的存在，正交频分复用信号在系统同步信道内始终不会迷失传输方向，这也是新型通信控制系统具备较强同步性能力的主要原因。在低轨卫星的作用下，BDG-MF-OS型移动通信接收站可同步调试系统下级连接的远端卫星站与近端卫星站，并可在遵循正交频分复用原理的同时，对同步通信终端的连接能力进行初步约束。BDG-MF-OS型卫星终端的移动通信接收站可借助串口对低轨卫星的通信能力进行控制，再借助同步通信协议，完善正交频分信号的复用保护间隔与循环前缀[6-7]。若从功能性角度来看，低轨卫星作为BDG-MF-OS型卫星终端的核心设备元件，可接收系统控制主机输出的同步信号，并可通过远端卫星站与近端卫星站，将信号参量平均分配至下级通信终端设备之中。由于正交频分复用原理的存在，卫星移动信号在传输过程中需要先后经历多个供电节点，出于连接稳定性考虑，节点设备可自行对传输信号中的卫星信息进行过滤。

图3 BDG-MF-OS型卫星终端示意图

1.3 ZIGBEE无线数据传输模块

ZIGBEE无线数据传输模块采用一块底层主板作为低轨卫星移动通信同步信号的采集子节点，并可在电阻与芯片设备的配合作用下，配置完整的Zigbee无线网络环境，从而实现正交频分复用信号的无线化传输。Zigbee无线网络的搭建始终遵循Zigbee协议栈的原语传输形式，可在接收正交频分复用信号的同时，按照低轨卫星所处的实时通信位置，向上层移动设备发起原语连接请求或原语指示请求，并可将所记录信息结果反馈至BDG-MF-OS型卫星终端主机之中[8-9]。由于ZIGBEE芯片设备的存在，协议栈原语的定义过程就显得极为复杂，需要Arduino Mega 2560主控板、蜂鸣器电路、应用电阻等多个设备元件的共同作用，才可实现由节点软件到执行指令的转换。因没有其他控制设备的存在，电阻结构体直接掌控ZIGBEE无线数据传输模块中的信息调度行为，但其实际电压与电流消耗能力，则始终受到系统电源管理模块的影响。根据数据ID码的不同，可分为标准帧和扩展帧两部分。用于发送节点向接收节点传输数据。其数据帧结构如图4所示。

图4 网络链路层高效传输数据帧结构

1.4 网络与显示模块

低轨卫星移动通信同步控制系统的网络与显示模块由移动通信网络同步转接板、ITDB02-4.3TFT液晶显示屏两部分共同组成。其中，移动通信网络同步转接板通过与ZIGBEE体系结合的方式，来实现正交频分复用信号的接入处理，再借助下级服务器与控制器设备，完成系统内的同步通信中心配置，可为卫星用户提供全方位的连接服务，且在此过程中，能够采集大量的传感器通信数据信息[10]。

ITDB02-4.3TFT液晶显示屏具备较强的电子感知能力，可在感知到正交频分复用信号后，以静态波的形式，显示低轨卫星移动通信同步信号已经过的传输路径，并可在BDG-MF-OS型卫星终端的作用下，对信号波峰、波谷等多处的信号表现形式进行及时调整，从而使显示屏内部的信号静态波始终表现为最佳传输形式。

对于Altera公司的FPGA，可在Altera公司的集成开发环境Quartus II中调用ALTLVDS IPCORE模块来实现，模型如图5所示。

图5 LVDS 接收模块框图

信号采集模块的主要功能是实现 AD 模块的初始化、启动转换、采样数据读取、采样率的控制以及多片AD芯片的同步。

2 正交频分复用处理的关键技术

正交频分复用指将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，减少子信道之间的相互干扰 ICI[11]。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

在低轨卫星移动通信同步控制系统硬件执行环境的支持下，联合同步信号模型，对传输信号进行最基本的调制解调，再借助复用保护间隔和循环前缀，完成正交频分复用处理的关键技术分析。

2.1 低轨卫星移动通信的同步信号模型

(1)

(2)

2.2 同步信号的调制解调

系统同步信号的调制解调处理始终对低轨卫星移动通信信号的频率偏移保持相对明暗的状态，特别是在实际应用过程中，正交频分复用信号的输出量越大，在低轨卫星移动通信中，信号结构体所面临的调制解调压力也就越大。与其他卫星信号控制指令相同，同步信号的调制解调可分为跟踪与捕获两个实际处理阶段[13]。在下行链路环节中，卫星移动基站可以向各个移动终端设备连续不断地传输同步信号，因此，下行链路的同步作用原理相对简单，比较容易实现。在上行链路环节中，来自不同通信终端的移动信号可同时到达卫星基站，且由于正交频分复用技术的连续性影响，子载波间始终保持较强的正交性交流能力[14]。在卫星基站对子载波信息进行同步提取时，调制信号可经由基站设备直接返回移动终端设备，且在此过程中，信号参量自身的时域与频域需求都能得到较好满足。设k0代表最小的正交频分信号复用调制权限，kn代表最大的正交频分信号复用调制权限，n代表同步信号的解调处理次数，联立公式(2)，可将低轨卫星移动通信同步信号的调制解调结果表示为：

(3)

2.3 复用保护间隔和循环前缀

复用保护间隔能够消除正交频分复用信号间的同步传输位移差，通常情况下，在低轨卫星移动通信环境中，与传输信号匹配的复用保护间隔时间越长，最终所获得的同步信号输出量也就越大。循环前缀是系统用于区分不同类型卫星移动信号的主要参考标准，由散点型、连线型两种形式共同组成[15]。其中，散点型主要面对短时间的复用保护间隔，连线型主要面对长时间的复用保护间隔。规定在低轨卫星移动通信环境中，正交频分复用信号的循环前缀始终保持为连线型，设|T|代表既定的间隔时长，联立公式(3)，可将复用保护间隔与循环前缀对于同步信号的控制作用原理定义为：

(4)

3 低轨卫星移动通信同步控制系统软件开发(北斗)

按照正交频分复用技术的实际应用需求，分别从通信数据分包、短报文通信模式、同步通信协议3个方面，对低轨卫星移动通信同步控制系统的各项应用软件进行针对性开发。

图6 低轨卫星移动通信同步控制

综上，建立同步信号模型，完善待处理通信信息的复用保护间隔与循环前缀，实现正交频分复用处理的关键技术研究。分包处理通信数据，借助已知的短报文通信模式，连接同步通信协议，完成低轨卫星移动通信同步控制。

3.1 通信数据分包

分包后的低轨卫星移动通信数据由响应包、报文包两种形式共同组成。其中，系统接收端在接收到卫星同步信号后，所发出的通信数据包为响应包。系统控制中心接收到响应包卫星移动同步通信信号后，首先对相关信息进行解析研究，再从中提取正交频分复用数据的包头信息，最后当数据包的内部信息容量逐渐趋近于0时，认定该类型数据包已经接收成功[16-17]。当系统环境中存在大量低轨卫星移动通信同步信号时，可被控制主机直接应用的通信数据为报文包。这类型数据信息具备较强的可分割能力，当系统剩余信息不足以满足后续信号提取需求时，BDG-MF-OS型卫星终端就会自发开启分割指令，直至将所有包状数据结构体全部切割成容量不超过5 Mb的小型传输文件。具体的通信数据分包原理如图7所示。

图7 数据帧格式图

3.2 短报文通信模式

根据正交频分复用策略的约定，低轨卫星移动终端机ID号码存在差异，但这些参量值都是唯一的，地面中心接收通信同步报文信息，才能进行后续的转发处理[18-19]。具体通信模式为：

1)低轨卫星发送终端必须将报文内容与移动终端机ID号码加密后，才能将其转发进入通信用户终端主机中。

2)正交频分复用信号由低轨卫星1发送到地面控制中心后，将信号参量统一解密后再进行加密，最后再混入出站电文中，由指定的移动通信用户终端设备接收。

3)出站后的移动通信同步信号只能被用户终端设备接收，再经过一系列的解调处理后，得到完整的出站报文，存储于地面控制中心。

图8 同步控制系统的短报文通信模式

3.3 同步通信协议

同步通信协议可维系BDG-MF-OS型卫星终端与ZIGBEE无线数据传输模块间的频分复用关系，在短报文通信模式达到稳定应用状态时，通信数据的分包需求越明显，最终所定义的低轨卫星移动通信行为也就越明显[20]。总的来说，同步通信协议并不具备明显的连接作用能力，但在低轨卫星移动通信同步控制系统中，复用信号所负载的正交频分控制量越大，通信协议的作用范围也就越广泛，反之则越局限。至此，实现各项软硬件执行环境的搭建，在正交频分复用技术的支持下，完成低轨卫星移动通信同步控制系统设计。

4 实用性分析

为验证基于正交频分复用低轨卫星移动通信同步控制系统的实际应用价值，设计如下对比实验。AD7606 提供3种接口选项：并行接口、高速串行接口、并行字节接口。所需接口模式可通过 PER/SER/BYTE SEL引脚DB15/BYTE SEL引脚进行选择。

分别使用实验组系统、对照组系统对通信运营中心进行控制，其中实验组终端搭载基于正交频分复用低轨卫星移动通信同步控制系统，对照组终端搭载北斗型通信控制系统。

图9 低轨卫星移动通信控制环境

QSE指标、USE指标均能反映低轨卫星移动通信的同步导航能力，一般情况下，QSE指标数值越低、USE指标数值越高，低轨卫星移动通信的同步导航能力也就越强，反之则越弱。

表1记录了实验组、对照组QSE指标的具体数值变化情况。

表1 指标数值对比表

随着实验时间的延长，实验组呈现上升稳定后下降的趋势，整个实验过程中的最大数值结果仅能达到30.8%。对照组呈现稳定后再持续上升的数值变化趋势，QSE指标最大值达到70.2%，高于实验组最大值39.4%，随着基于正交频分复用低轨卫星移动通信同步控制系统的应用，QSE指标的数值上升情况得到较好抑制，能够较好促进低轨卫星移动通信同步导航能力的提升。

表2记录了实验组、对照组USE指标的具体数值变化情况。

表2 USE指标数值对比表

随着实验时间的延长，实验组与对照组的USE指标最大数值结果分别达到76.1%、55.7%，实验组变化趋势呈现先下降再稳定，对照组变化趋势呈现上升、下降交替出现，对照组与实验组相比，USE指标下降20.4%。随着基于正交频分复用低轨卫星移动通信同步控制系统的应用，USE指标也确实出现了明显上升的数值变化趋势，符合提升低轨卫星移动通信同步导航能力的实际应用需求。

5 结束语

与北斗型通信控制系统相比，新型低轨卫星移动通信同步控制系统在正交频分复用技术的作用下，针对电源管理模块、BDG-MF-OS型卫星终端、ZIGBEE无线数据传输模块等硬件执行结构进行改进，又通过同步信号调制解调的方式，实现对通信数据的分包处理，从而建立完善的短报文通信模式。从实用性角度来看，QSE指标数值的下降、USE指标数值的上升，能够不断强化低轨卫星的移动通信能力，可较好满足精准定位传输数据信息的实际应用需求。