韓 芳，李 資，王紅梅

(新疆工程學院 信息工程學院，烏魯木齊 830023)

0 引言

正交頻分復用是一種常見的多載波調(diào)制手段，其主要應(yīng)用思想為：通過通信網(wǎng)絡(luò)均分傳輸信道為子信道，轉(zhuǎn)換高速信號為并行或者直行的數(shù)據(jù)流，保證子信道充分接收傳輸信號[1]。通過信號處理技術(shù)區(qū)分接收端設(shè)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(guān)帶寬值高于子信道帶寬，子信道傳輸行為狀態(tài)表現(xiàn)為平坦型衰落，這也是頻分復用技術(shù)能夠消除數(shù)據(jù)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(shù)支持下的信道均衡處理就顯得相對較為容易。

低軌衛(wèi)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(guān)系，與地球同步軌道相比，實際運行軌道較低[3]。傳統(tǒng)通信控制系統(tǒng)無線通信數(shù)據(jù)信號傳輸載體為Z-Stack協(xié)議棧，通過MQ-2煙霧傳感器以及溫濕度傳感器，結(jié)合Arduino主控中心組織服務(wù)器集群。然而此系統(tǒng)對于低軌衛(wèi)星移動通信同步導航能力的促進作用相對有限，很難實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)信息的精準定位。為解決此問題，引入正交頻分復用技術(shù)，設(shè)計一種新型的低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)，在BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端、ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的支持下，對同步信號模型的復用保護間隔與循環(huán)前綴進行完善，再通過通信數(shù)據(jù)分包的方式，實現(xiàn)同步通信協(xié)議與控制應(yīng)用系統(tǒng)之間的實用性連接。

1 低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由電源管理模塊、BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端、ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)與顯示模塊共4部分共同組成，具體設(shè)計與實現(xiàn)流程如下。

1.1 電源管理模塊

低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的電源管理模塊以Arduino Mega 2560主控板作為核心供電設(shè)備，可在正交頻分復用狀態(tài)下，對電源狀態(tài)進行實時顯示與監(jiān)控。Arduino Mega 2560主控板擁有16個完全獨立的輸出管腳，在用8 V、12 V并列連接的供電調(diào)試模式[4]。其中，8 V慣腳可對內(nèi)部鏗電池進行供電，12 V慣腳可對外部同步電池設(shè)備進行供電。LED[1，6]傳輸信道可同時讀取低軌衛(wèi)星電池內(nèi)的存儲電壓值，并可實時顯示系統(tǒng)現(xiàn)階段所處的電量狀態(tài)，當存儲電量不足時，GND輸出端的蜂鳴器設(shè)備會發(fā)出報警信號，以提醒移動通信網(wǎng)絡(luò)所處的非同步傳輸狀態(tài)，為最大限度節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)的傳輸電子量，Arduino Mega 2560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8 s，也可在此過程中，通過串口設(shè)備將電池結(jié)構(gòu)的狀態(tài)實時發(fā)送給電源管理模塊的主控中心。

圖1 Arduino Mega 2560主控板供電形式

蜂鳴器電路作為電源管理模塊的附屬執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可在頻分信號擴大器設(shè)備的作用下，對主控板供電端輸出的電子量進行整合與協(xié)調(diào)處理，再借助R、C、D、Q四類電子消耗元件，實現(xiàn)對正交頻分復用信號的全局化調(diào)度[5]。

圖2 蜂鳴器電路

1.2 BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端

BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端集電源穩(wěn)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(tǒng)控制主機建立報文通信關(guān)系。此外，由于低軌衛(wèi)星定位導航功能的存在，正交頻分復用信號在系統(tǒng)同步信道內(nèi)始終不會迷失傳輸方向，這也是新型通信控制系統(tǒng)具備較強同步性能力的主要原因。在低軌衛(wèi)星的作用下，BDG-MF-OS型移動通信接收站可同步調(diào)試系統(tǒng)下級連接的遠端衛(wèi)星站與近端衛(wèi)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(wèi)星終端的移動通信接收站可借助串口對低軌衛(wèi)星的通信能力進行控制，再借助同步通信協(xié)議，完善正交頻分信號的復用保護間隔與循環(huán)前綴[6-7]。若從功能性角度來看，低軌衛(wèi)星作為BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端的核心設(shè)備元件，可接收系統(tǒng)控制主機輸出的同步信號，并可通過遠端衛(wèi)星站與近端衛(wèi)星站，將信號參量平均分配至下級通信終端設(shè)備之中。由于正交頻分復用原理的存在，衛(wèi)星移動信號在傳輸過程中需要先后經(jīng)歷多個供電節(jié)點，出于連接穩(wěn)定性考慮，節(jié)點設(shè)備可自行對傳輸信號中的衛(wèi)星信息進行過濾。

圖3 BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端示意圖

1.3 ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用一塊底層主板作為低軌衛(wèi)星移動通信同步信號的采集子節(jié)點，并可在電阻與芯片設(shè)備的配合作用下，配置完整的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而實現(xiàn)正交頻分復用信號的無線化傳輸。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的搭建始終遵循Zigbee協(xié)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(wèi)星所處的實時通信位置，向上層移動設(shè)備發(fā)起原語連接請求或原語指示請求，并可將所記錄信息結(jié)果反饋至BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端主機之中[8-9]。由于ZIGBEE芯片設(shè)備的存在，協(xié)議棧原語的定義過程就顯得極為復雜，需要Arduino Mega 2560主控板、蜂鳴器電路、應(yīng)用電阻等多個設(shè)備元件的共同作用，才可實現(xiàn)由節(jié)點軟件到執(zhí)行指令的轉(zhuǎn)換。因沒有其他控制設(shè)備的存在，電阻結(jié)構(gòu)體直接掌控ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中的信息調(diào)度行為，但其實際電壓與電流消耗能力，則始終受到系統(tǒng)電源管理模塊的影響。根據(jù)數(shù)據(jù)ID碼的不同，可分為標準幀和擴展幀兩部分。用于發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)鏈路層高效傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

1.4 網(wǎng)絡(luò)與顯示模塊

低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與顯示模塊由移動通信網(wǎng)絡(luò)同步轉(zhuǎn)接板、ITDB02-4.3TFT液晶顯示屏兩部分共同組成。其中，移動通信網(wǎng)絡(luò)同步轉(zhuǎn)接板通過與ZIGBEE體系結(jié)合的方式，來實現(xiàn)正交頻分復用信號的接入處理，再借助下級服務(wù)器與控制器設(shè)備，完成系統(tǒng)內(nèi)的同步通信中心配置，可為衛(wèi)星用戶提供全方位的連接服務(wù)，且在此過程中，能夠采集大量的傳感器通信數(shù)據(jù)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(tài)波的形式，顯示低軌衛(wèi)星移動通信同步信號已經(jīng)過的傳輸路徑，并可在BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端的作用下，對信號波峰、波谷等多處的信號表現(xiàn)形式進行及時調(diào)整，從而使顯示屏內(nèi)部的信號靜態(tài)波始終表現(xiàn)為最佳傳輸形式。

對于Altera公司的FPGA，可在Altera公司的集成開發(fā)環(huán)境Quartus II中調(diào)用ALTLVDS IPCORE模塊來實現(xiàn)，模型如圖5所示。

圖5 LVDS 接收模塊框圖

信號采集模塊的主要功能是實現(xiàn) AD 模塊的初始化、啟動轉(zhuǎn)換、采樣數(shù)據(jù)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(guān)鍵技術(shù)

正交頻分復用指將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)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(guān)技術(shù)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(guān)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(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下，聯(lián)合同步信號模型，對傳輸信號進行最基本的調(diào)制解調(diào)，再借助復用保護間隔和循環(huán)前綴，完成正交頻分復用處理的關(guān)鍵技術(shù)分析。

2.1 低軌衛(wèi)星移動通信的同步信號模型

(1)

(2)

2.2 同步信號的調(diào)制解調(diào)

系統(tǒng)同步信號的調(diào)制解調(diào)處理始終對低軌衛(wèi)星移動通信信號的頻率偏移保持相對明暗的狀態(tài)，特別是在實際應(yīng)用過程中，正交頻分復用信號的輸出量越大，在低軌衛(wèi)星移動通信中，信號結(jié)構(gòu)體所面臨的調(diào)制解調(diào)壓力也就越大。與其他衛(wèi)星信號控制指令相同，同步信號的調(diào)制解調(diào)可分為跟蹤與捕獲兩個實際處理階段[13]。在下行鏈路環(huán)節(jié)中，衛(wèi)星移動基站可以向各個移動終端設(shè)備連續(xù)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(xiàn)。在上行鏈路環(huán)節(jié)中，來自不同通信終端的移動信號可同時到達衛(wèi)星基站，且由于正交頻分復用技術(shù)的連續(xù)性影響，子載波間始終保持較強的正交性交流能力[14]。在衛(wèi)星基站對子載波信息進行同步提取時，調(diào)制信號可經(jīng)由基站設(shè)備直接返回移動終端設(shè)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。設(shè)k0代表最小的正交頻分信號復用調(diào)制權(quán)限，kn代表最大的正交頻分信號復用調(diào)制權(quán)限，n代表同步信號的解調(diào)處理次數(shù)，聯(lián)立公式(2)，可將低軌衛(wèi)星移動通信同步信號的調(diào)制解調(diào)結(jié)果表示為：

(3)

2.3 復用保護間隔和循環(huán)前綴

復用保護間隔能夠消除正交頻分復用信號間的同步傳輸位移差，通常情況下，在低軌衛(wèi)星移動通信環(huán)境中，與傳輸信號匹配的復用保護間隔時間越長，最終所獲得的同步信號輸出量也就越大。循環(huán)前綴是系統(tǒng)用于區(qū)分不同類型衛(wèi)星移動信號的主要參考標準，由散點型、連線型兩種形式共同組成[15]。其中，散點型主要面對短時間的復用保護間隔，連線型主要面對長時間的復用保護間隔。規(guī)定在低軌衛(wèi)星移動通信環(huán)境中，正交頻分復用信號的循環(huán)前綴始終保持為連線型，設(shè)|T|代表既定的間隔時長，聯(lián)立公式(3)，可將復用保護間隔與循環(huán)前綴對于同步信號的控制作用原理定義為：

(4)

3 低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)軟件開發(fā)(北斗)

按照正交頻分復用技術(shù)的實際應(yīng)用需求，分別從通信數(shù)據(jù)分包、短報文通信模式、同步通信協(xié)議3個方面，對低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的各項應(yīng)用軟件進行針對性開發(fā)。

圖6 低軌衛(wèi)星移動通信同步控制

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(huán)前綴，實現(xiàn)正交頻分復用處理的關(guān)鍵技術(shù)研究。分包處理通信數(shù)據(jù)，借助已知的短報文通信模式，連接同步通信協(xié)議，完成低軌衛(wèi)星移動通信同步控制。

3.1 通信數(shù)據(jù)分包

分包后的低軌衛(wèi)星移動通信數(shù)據(jù)由響應(yīng)包、報文包兩種形式共同組成。其中，系統(tǒng)接收端在接收到衛(wèi)星同步信號后，所發(fā)出的通信數(shù)據(jù)包為響應(yīng)包。系統(tǒng)控制中心接收到響應(yīng)包衛(wèi)星移動同步通信信號后，首先對相關(guān)信息進行解析研究，再從中提取正交頻分復用數(shù)據(jù)的包頭信息，最后當數(shù)據(jù)包的內(nèi)部信息容量逐漸趨近于0時，認定該類型數(shù)據(jù)包已經(jīng)接收成功[16-17]。當系統(tǒng)環(huán)境中存在大量低軌衛(wèi)星移動通信同步信號時，可被控制主機直接應(yīng)用的通信數(shù)據(jù)為報文包。這類型數(shù)據(jù)信息具備較強的可分割能力，當系統(tǒng)剩余信息不足以滿足后續(xù)信號提取需求時，BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端就會自發(fā)開啟分割指令，直至將所有包狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體全部切割成容量不超過5 Mb的小型傳輸文件。具體的通信數(shù)據(jù)分包原理如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)幀格式圖

3.2 短報文通信模式

根據(jù)正交頻分復用策略的約定，低軌衛(wèi)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(xù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理[18-19]。具體通信模式為：

1)低軌衛(wèi)星發(fā)送終端必須將報文內(nèi)容與移動終端機ID號碼加密后，才能將其轉(zhuǎn)發(fā)進入通信用戶終端主機中。

2)正交頻分復用信號由低軌衛(wèi)星1發(fā)送到地面控制中心后，將信號參量統(tǒng)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(shè)備接收。

3)出站后的移動通信同步信號只能被用戶終端設(shè)備接收，再經(jīng)過一系列的解調(diào)處理后，得到完整的出站報文，存儲于地面控制中心。

圖8 同步控制系統(tǒng)的短報文通信模式

3.3 同步通信協(xié)議

同步通信協(xié)議可維系BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端與ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊間的頻分復用關(guān)系，在短報文通信模式達到穩(wěn)定應(yīng)用狀態(tài)時，通信數(shù)據(jù)的分包需求越明顯，最終所定義的低軌衛(wèi)星移動通信行為也就越明顯[20]?？偟膩碚f，同步通信協(xié)議并不具備明顯的連接作用能力，但在低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)中，復用信號所負載的正交頻分控制量越大，通信協(xié)議的作用范圍也就越廣泛，反之則越局限。至此，實現(xiàn)各項軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在正交頻分復用技術(shù)的支持下，完成低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)設(shè)計。

4 實用性分析

為驗證基于正交頻分復用低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，設(shè)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(jié)接口。所需接口模式可通過 PER/SER/BYTE SEL引腳DB15/BYTE SEL引腳進行選擇。

分別使用實驗組系統(tǒng)、對照組系統(tǒng)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(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)，對照組終端搭載北斗型通信控制系統(tǒng)。

圖9 低軌衛(wèi)星移動通信控制環(huán)境

QSE指標、USE指標均能反映低軌衛(wèi)星移動通信的同步導航能力，一般情況下，QSE指標數(shù)值越低、USE指標數(shù)值越高，低軌衛(wèi)星移動通信的同步導航能力也就越強，反之則越弱。

表1記錄了實驗組、對照組QSE指標的具體數(shù)值變化情況。

表1 指標數(shù)值對比表

隨著實驗時間的延長，實驗組呈現(xiàn)上升穩(wěn)定后下降的趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達到30.8%。對照組呈現(xiàn)穩(wěn)定后再持續(xù)上升的數(shù)值變化趨勢，QSE指標最大值達到70.2%，高于實驗組最大值39.4%，隨著基于正交頻分復用低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的應(yīng)用，QSE指標的數(shù)值上升情況得到較好抑制，能夠較好促進低軌衛(wèi)星移動通信同步導航能力的提升。

表2記錄了實驗組、對照組USE指標的具體數(shù)值變化情況。

表2 USE指標數(shù)值對比表

隨著實驗時間的延長，實驗組與對照組的USE指標最大數(shù)值結(jié)果分別達到76.1%、55.7%，實驗組變化趨勢呈現(xiàn)先下降再穩(wěn)定，對照組變化趨勢呈現(xiàn)上升、下降交替出現(xiàn)，對照組與實驗組相比，USE指標下降20.4%。隨著基于正交頻分復用低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)的應(yīng)用，USE指標也確實出現(xiàn)了明顯上升的數(shù)值變化趨勢，符合提升低軌衛(wèi)星移動通信同步導航能力的實際應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

與北斗型通信控制系統(tǒng)相比，新型低軌衛(wèi)星移動通信同步控制系統(tǒng)在正交頻分復用技術(shù)的作用下，針對電源管理模塊、BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端、ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)進行改進，又通過同步信號調(diào)制解調(diào)的方式，實現(xiàn)對通信數(shù)據(jù)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(shù)值的下降、USE指標數(shù)值的上升，能夠不斷強化低軌衛(wèi)星的移動通信能力，可較好滿足精準定位傳輸數(shù)據(jù)信息的實際應(yīng)用需求。