基于正交頻分復用的低軌衛星移動通信同步控制系統設計

　　摘要：低軌衛星移動通信信息存在復用保護間隔，為實現對傳輸數據信息的精準定位，設計基于正交頻分復用的低軌衛星移動通信同步控制系統;設置電源管理模塊，初步協調BDG-MF-OS型衛星終端與ZIGBEE無線數據傳輸模塊，將衛星通信信息反饋至網絡與顯示模塊，實現低軌衛星移動通信同步控制系統的硬件設計;建立同步信號模型，通過信號調制解調的方式，完善待處理通信信息的復用保護間隔與循環前綴，實現正交頻分復用處理的關鍵技術研究;分包處理通信數據，借助已知的短報文通信模式，連接同步通信協議，完成低軌衛星移動通信同步控制;與北斗型通信控制系統相比，正交頻分復用技術作用下，低軌衛星的移動通信能力得到強化，較好地滿足精準定位傳輸數據信息的實際應用需求。

　　關鍵詞：正交頻分復用;低軌衛星;移動通信;同步控制;同步信號模型;調制解調;短報文通信模式

　　引言正交頻分復用是一種常見的多載波調制手段，其主要應用思想為：通過通信網絡均分傳輸信道為子信道，轉換高速信號為并行或者直行的數據流，保證子信道充分接收傳輸信號[1]。通過信號處理技術區分接收端設備正交信號，降低子信道之間相互干擾。通常情況下，核心信道相關帶寬值高于子信道帶寬，子信道傳輸行為狀態表現為平坦型衰落，這也是頻分復用技術能夠消除數據間干擾影響的主要原因[2]。

　　子信道帶寬與原信道帶寬相比，只達到一部分，故而正交頻分復用技術支持下的信道均衡處理就顯得相對較為容易。低軌衛星通信建立固定用戶與移動用戶、移動用戶與移動用戶之間的關系，與地球同步軌道相比，實際運行軌道較低[3]。傳統通信控制系統無線通信數據信號傳輸載體為Z-Stack協議棧，通過MQ-2煙霧傳感器以及溫濕度傳感器，結合Arduino主控中心組織服務器集群。

　　然而此系統對于低軌衛星移動通信同步導航能力的促進作用相對有限，很難實現對傳輸數據信息的精準定位。為解決此問題，引入正交頻分復用技術，設計一種新型的低軌衛星移動通信同步控制系統，在BDG-MF-OS型衛星終端、ZIGBEE無線數據傳輸模塊等多個硬件設備結構體的支持下，對同步信號模型的復用保護間隔與循環前綴進行完善，再通過通信數據分包的方式，實現同步通信協議與控制應用系統之間的實用性連接。

　　1低軌衛星移動通信同步控制系統硬件設計與實現

　　低軌衛星移動通信同步控制系統的硬件執行環境由電源管理模塊、BDG-MF-OS型衛星終端、ZIGBEE無線數據傳輸模塊、網絡與顯示模塊共4部分共同組成，具體設計與實現流程如下。

　　1.1電源管理模塊

　　低軌衛星移動通信同步控制系統的電源管理模塊以Ar-duinoMega2560主控板作為核心供電設備，可在正交頻分復用狀態下，對電源狀態進行實時顯示與監控。ArduinoMega2560主控板擁有16個完全獨立的輸出管腳，在用8V、12V并列連接的供電調試模式[4]。其中，8V慣腳可對內部鏗電池進行供電，12V慣腳可對外部同步電池設備進行供電。

　　LED[1，6]傳輸信道可同時讀取低軌衛星電池內的存儲電壓值，并可實時顯示系統現階段所處的電量狀態，當存儲電量不足時，GND輸出端的蜂鳴器設備會發出報警信號，以提醒移動通信網絡所處的非同步傳輸狀態，為最大限度節省系統內的傳輸電子量，ArduinoMega2560主控板會在連接初期啟動同步睡眠模式，平均睡眠時間可達8s，也可在此過程中，通過串口設備將電池結構的狀態實時發送給電源管理模塊的主控中心。蜂鳴器電路作為電源管理模塊的附屬執行結構，可在頻分信號擴大器設備的作用下，對主控板供電端輸出的電子量進行整合與協調處理，再借助R、C、D、Q四類電子消耗元件，實現對正交頻分復用信號的全局化調度[5]。

　　1.2BDG-MF-OS型衛星終端

　　BDG-MF-OS型衛星終端集電源穩壓、信號定位、通信顯示等多重功能于一體，可在電源管理模塊的作用下，與系統控制主機建立報文通信關系。此外，由于低軌衛星定位導航功能的存在，正交頻分復用信號在系統同步信道內始終不會迷失傳輸方向，這也是新型通信控制系統具備較強同步性能力的主要原因。在低軌衛星的作用下，BDG-MF-OS型移動通信接收站可同步調試系統下級連接的遠端衛星站與近端衛星站，并可在遵循正交頻分復用原理的同時，對同步通信終端的連接能力進行初步約束。BDG-MF-OS型衛星終端的移動通信接收站可借助串口對低軌衛星的通信能力進行控制，再借助同步通信協議，完善正交頻分信號的復用保護間隔與循環前綴[67]。

　　若從功能性角度來看，低軌衛星作為BDG-MF-OS型衛星終端的核心設備元件，可接收系統控制主機輸出的同步信號，并可通過遠端衛星站與近端衛星站，將信號參量平均分配至下級通信終端設備之中。由于正交頻分復用原理的存在，衛星移動信號在傳輸過程中需要先后經歷多個供電節點，出于連接穩定性考慮，節點設備可自行對傳輸信號中的衛星信息進行過濾。

　　1.3ZIGBEE無線數據傳輸模塊

　　ZIGBEE無線數據傳輸模塊采用一塊底層主板作為低軌衛星移動通信同步信號的采集子節點，并可在電阻與芯片設備的配合作用下，配置完整的Zigbee無線網絡環境，從而實現正交頻分復用信號的無線化傳輸。Zigbee無線網絡的搭建始終遵循Zigbee協議棧的原語傳輸形式，可在接收正交頻分復用信號的同時，按照低軌衛星所處的實時通信位置，向上層移動設備發起原語連接請求或原語指示請求，并可將所記錄信息結果反饋至BDG-MF-OS型衛星終端主機之中[89]。

　　由于ZIGBEE芯片設備的存在，協議棧原語的定義過程就顯得極為復雜，需要ArduinoMega2560主控板、蜂鳴器電路、應用電阻等多個設備元件的共同作用，才可實現由節點軟件到執行指令的轉換。因沒有其他控制設備的存在，電阻結構體直接掌控ZIGBEE無線數據傳輸模塊中的信息調度行為，但其實際電壓與電流消耗能力，則始終受到系統電源管理模塊的影響。根據數據ID碼的不同，可分為標準幀和擴展幀兩部分。用于發送節點向接收節點傳輸數據。

　　1.4網絡與顯示模塊

　　低軌衛星移動通信同步控制系統的網絡與顯示模塊由移動通信網絡同步轉接板、ITDB02-4.3TFT液晶顯示屏兩部分共同組成。其中，移動通信網絡同步轉接板通過與ZIGBEE體系結合的方式，來實現正交頻分復用信號的接入處理，再借助下級服務器與控制器設備，完成系統內的同步通信中心配置，可為衛星用戶提供全方位的連接服務，且在此過程中，能夠采集大量的傳感器通信數據信息[10]。

　　ITDB02-4.3TFT液晶顯示屏具備較強的電子感知能力，可在感知到正交頻分復用信號后，以靜態波的形式，顯示低軌衛星移動通信同步信號已經過的傳輸路徑，并可在BDG-MF-OS型衛星終端的作用下，對信號波峰、波谷等多處的信號表現形式進行及時調整，從而使顯示屏內部的信號靜態波始終表現為最佳傳輸形式。對于Altera公司的FPGA，可在Altera公司的集成開發環境QuartusII中調用ALTLVDSIPCORE模塊來實現。信號采集模塊的主要功能是實現AD模塊的初始化、啟動轉換、采樣數據讀取、采樣率的控制以及多片AD芯片的同步。

　　2正交頻分復用處理的關鍵技術

　　正交頻分復用指將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，減少子信道之間的相互干擾ICI[11]。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。在低軌衛星移動通信同步控制系統硬件執行環境的支持下，聯合同步信號模型，對傳輸信號進行最基本的調制解調，再借助復用保護間隔和循環前綴，完成正交頻分復用處理的關鍵技術分析。

　　2.1低軌衛星移動通信的同步信號模型

　　在低軌衛星移動通信同步控制系統中，正交頻分復用信號的輸出量始終等于子載波信號量之和，且每一波段內的子載波調制形式都滿足相移鍵控與正交幅度原理[12]。

　　2.2同步信號的調制解調

　　系統同步信號的調制解調處理始終對低軌衛星移動通信信號的頻率偏移保持相對明暗的狀態，特別是在實際應用過程中，正交頻分復用信號的輸出量越大，在低軌衛星移動通信中，信號結構體所面臨的調制解調壓力也就越大。與其他衛星信號控制指令相同，同步信號的調制解調可分為跟蹤與捕獲兩個實際處理階段[13]。在下行鏈路環節中，衛星移動基站可以向各個移動終端設備連續不斷地傳輸同步信號，因此，下行鏈路的同步作用原理相對簡單，比較容易實現。

　　在上行鏈路環節中，來自不同通信終端的移動信號可同時到達衛星基站，且由于正交頻分復用技術的連續性影響，子載波間始終保持較強的正交性交流能力[14]。在衛星基站對子載波信息進行同步提取時，調制信號可經由基站設備直接返回移動終端設備，且在此過程中，信號參量自身的時域與頻域需求都能得到較好滿足。

　　3低軌衛星移動通信同步控制系統軟件開發(北斗)

　　按照正交頻分復用技術的實際應用需求，分別從通信數據分包、短報文通信模式、同步通信協議3個方面，對低軌衛星移動通信同步控制系統的各項應用軟件進行針對性開發。綜上，建立同步信號模型，完善待處理通信信息的復用保護間隔與循環前綴，實現正交頻分復用處理的關鍵技術研究。分包處理通信數據，借助已知的短報文通信模式，連接同步通信協議，完成低軌衛星移動通信同步控制。

　　3.1通信數據分包

　　分包后的低軌衛星移動通信數據由響應包、報文包兩種形式共同組成。其中，系統接收端在接收到衛星同步信號后，所發出的通信數據包為響應包。系統控制中心接收到響應包衛星移動同步通信信號后，首先對相關信息進行解析研究，再從中提取正交頻分復用數據的包頭信息，最后當數據包的內部信息容量逐漸趨近于0時，認定該類型數據包已經接收成功[1617]。

　　當系統環境中存在大量低軌衛星移動通信同步信號時，可被控制主機直接應用的通信數據為報文包。這類型數據信息具備較強的可分割能力，當系統剩余信息不足以滿足后續信號提取需求時，BDG-MF-OS型衛星終端就會自發開啟分割指令，直至將所有包狀數據結構體全部切割成容量不超過5Mb的小型傳輸文件。

　　3.2短報文通信模式

　　根據正交頻分復用策略的約定，低軌衛星移動終端機ID號碼存在差異，但這些參量值都是唯一的，地面中心接收通信同步報文信息，才能進行后續的轉發處理[1819]。具體通信模式為：1)低軌衛星發送終端必須將報文內容與移動終端機ID號碼加密后，才能將其轉發進入通信用戶終端主機中。2)正交頻分復用信號由低軌衛星1發送到地面控制中心后，將信號參量統一解密后再進行加密，最后再混入出站電文中，由指定的移動通信用戶終端設備接收。3)出站后的移動通信同步信號只能被用戶終端設備接收，再經過一系列的解調處理后，得到完整的出站報文，存儲于地面控制中心。

　　3.3同步通信協議同步通信協議可維系BDG-MF-OS型衛星終端與ZIGBEE無線數據傳輸模塊間的頻分復用關系，在短報文通信模式達到穩定應用狀態時，通信數據的分包需求越明顯，最終所定義的低軌衛星移動通信行為也就越明顯[20]�？偟膩碚f，同步通信協議并不具備明顯的連接作用能力，但在低軌衛星移動通信同步控制系統中，復用信號所負載的正交頻分控制量越大，通信協議的作用范圍也就越廣泛，反之則越局限。至此，實現各項軟硬件執行環境的搭建，在正交頻分復用技術的支持下，完成低軌衛星移動通信同步控制系統設計。

　　4實用性分析

　　為驗證基于正交頻分復用低軌衛星移動通信同步控制系統的實際應用價值，設計如下對比實驗。AD7606提供3種接口選項：并行接口、高速串行接口、并行字節接口。所需接口模式可通過PER/SER/BYTESEL引腳DB15/BYTESEL引腳進行選擇。分別使用實驗組系統、對照組系統對通信運營中心進行控制，其中實驗組終端搭載基于正交頻分復用低軌衛星移動通信同步控制系統，對照組終端搭載北斗型通信控制系統。QSE指標、USE指標均能反映低軌衛星移動通信的同步導航能力，一般情況下，QSE指標數值越低、USE指標數值越高，低軌衛星移動通信的同步導航能力也就越強，反之則越弱。

　　衛星設備論文： 試論多相關方衛星遙感研究項目的科學管理

　　5結束語

　　與北斗型通信控制系統相比，新型低軌衛星移動通信同步控制系統在正交頻分復用技術的作用下，針對電源管理模塊、BDG-MF-OS型衛星終端、ZIGBEE無線數據傳輸模塊等硬件執行結構進行改進，又通過同步信號調制解調的方式，實現對通信數據的分包處理，從而建立完善的短報文通信模式。從實用性角度來看，QSE指標數值的下降、USE指標數值的上升，能夠不斷強化低軌衛星的移動通信能力，可較好滿足精準定位傳輸數據信息的實際應用需求。

　　參考文獻：

　　[1]全英匯，高霞，沙明輝，等.基于期望最大化算法的捷變頻聯合正交頻分復用雷達高速多目標參數估計[J].電子與信息學報，2020，42(7)：16111618.

　　[2]張爍瑜，高軍萍，李琦，等.新型互補序列的構造及其在正交頻分復用系統中的應用[J].信息與控制，2020，49(6)：99105.

　　[3]李玖陽，胡敏，王許煜，等.基于ALPSO算法的低軌衛星小推力離軌最優控制方法[J].系統工程與電子技術，2021，43(1)：205213.

　　[4]葉剛進，王駿海，楊翾，等.分布式電源接入下基于供電需求預測的配電網網格化規劃[J].電子設計工程，2020，28(17)：189193.

　　[5]續丹，毛景祿，王斌，等.分布式電池電源模塊儲能系統的荷電狀態均衡控制[J].西安交通大學學報，2019，53(10)：8591.

　　作者：韓芳，李資，王紅梅

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jjlw/27896.html