INMARSAT航空卫星通信系统及其频率校正
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图 2 A ES 为主叫的通话过程示意图
上分配 AE S 到 GES 之间通信的前向和后向 C 信 道的信道号 , AE S 收到分配的信道后 , 在后向 C 信 道的子带数据信道发送呼叫信息 , 主要包括 AE S ID 、 GE S ID 、 被叫地址等信息。GES 收到呼叫信息 后发送到地面网络, GE S 和地面网络之间的交互完 全符合地面网络的协议, 在等待地面网络送来应答 信号的过程中, G ES 和 AE S 之间在 C 信道子带数 据信道发送测试信号 , 这时 AES 和 G ES 之间的话 音通路也是导通的 , AES 用户可在其中听到回铃 音 ; G ES 在收到地面用户摘机信号后 , 向 AE S 发送 线路接通信号, AE S 收到后向 GE S 发送证实信号 , 这时双方可以开始通话过程。通话完毕后 , 可以是 AE S 主挂也可是地面用户主挂。当 AE S 主挂时 , AE S 通过后向 C 子带数据信道向 GE S 发挂机信 号 , 同时关闭载波, GE S 收到挂机信号或 AE S 载波 关闭后 , GES 停止发送并通过地面网络通知地面用 户 , 完成通话过程。 当地面用户主挂时 , GE S 收到挂 机后, 向 A ES 发送挂机信息 , 同时关闭载波 , AE S 收到挂机信息后 , 向 GE S 发挂机证实同时关闭载 波 , 完成通话过程。
ຫໍສະໝຸດ BaiduCC
差 值, M 为修 正因 子, M = F A U + FPC 3. 2 AD ) . AES 中的频率校正
A D / ( F PL
图 4 A ES 多普勒频移的形成
当飞机的飞行方向与卫星的漂移方向相向或相 对时 , 卫星漂移造成的多普勒频移和飞机飞行造成 的多普勒频移正好相加 , 这时 A ES 收到信号的 频 率偏差也最大, 如图 4所示。 在 IN M ARSA T 航空卫 星通信系 统中 AE S 收到信号的最大多普勒频移可达到 3 000 H z, 对于像 R 信道这样带宽只有 2. 5 kH z 信 号 , 如果 A ES 发不采取校正措施 , 那么转发器上信 号必然重叠 , GE S 不能正确接收。 IN M ARSAT 航空卫星通信系统中, 可采用两 种方法完成频率校正 , 由于 P 信道是一条连续的广 播信道 , 各 A ES 都可以收到, 而且要想进入系统的
因子有关的量 , 在系统中不同位置的 G ES 所对 应 的 M 值由系统给出。 GES 收频率校正是通过接收 L 波段到 C 波段 的导频来完成的。由 IN M ARSAT 指定的 GE S 发 送L - C 导频, 其它各 GES 站的 C 波段导频接收机 接收此信号 , 并检测其与标称值的差 , 以此为依据来 纠正 C 波通信信号的收频率, 使接收正确进入解调 滤波器内。 此频差主要是由于卫星本身相对于 GE S 的 多普 勒频 移和 L- C 转 发器 的频 率漂 移所 引 起 的。 GES 收 频 的 校 频 方法 是 一 样 的 , 校 正 量 为 F M , F 为 C 波段 L- C 导频相对标称值的偏
F
F CC
A D / ( F PC
A U + FPL
A D)
式中 F CC 为 C 波段标称通信信号发送频率 , 在 IN M ARSAT 航 空 卫 星 通 信系 统 中 定 义 正 因 子 M = F CC 校正量为 A D / ( F PC F A U + F PL A D ) , 因此实 际 M。 M 是一个同上行和下行多普勒
1997 年 7 月 第 13 卷第 7 期
T EL ECOM M UN IC AT IONS S CIE NCE
电 信 科 学
Vol. 13 No. 7 July 1997
INMARSAT 航空卫星通信系统及其频率校正
刘爱军 杨喜根 张更新 吕 晶
(通信工程学院 南京 210016 )
摘要
IN M A RSA T 航空卫星通信系统是 90 年代投入实用的第一个面向机上用户的移动卫星通信系统, 其成 功
(收稿日期: 1996 - 09 - 02, 改定日期: 1997 - 01 - 25 )
t he fr ame relay technolo g ical pr ospects in t he teleco mmunicatio n netw or k ar ena are envisio ned.
IN M ARSAT 航空卫星通信 系统由分布于 世 界各地的若干 GE S 和数目众多的 AE S 组成 , 如图 1 所示。 AE S 通过 GE S 接入地面公用网络 , GE S 在 航空系统中起网络控制作用 , 也相当于一个网 关 站。 按照 GE S 和 AES 之间的关系 , 航空系统中总 共可分为 4 种信道: ( 1) P 信道 P 信道是由 GES 发出的连续 T DM 信道 , 网中
的应用对未来卫星移动通信的发展提供了宝贵经验。本文对该系统的组成、 典型工作过程, 以及系统中频率校正方法 作了讨论, 并给出了我们研制的单收系统的解决方案。 关键词 航空卫星通信系统 多普勒频偏 频率校正
国际海事卫星组织 IN M ARSA T 创建于 1979 年, 早期主要提供全球的岸 船、船 船之间的通 信, 是进行卫星移动通信开发与应用的先驱 , 现改称 为国际移动卫星通信组织, 其未来的 IC O 系统不仅 仅限于为车、 船、 飞机提供通信 , 其目的将是满足全 球范围内个人通信的需求。 I NM A RSAT 航空卫 星通信系统是 一个面向 机上用户 , 以提供话音和数据通信业务为主的移动 卫星通信系统 , 另外它还可以传输更加可靠的空中 交通管理 ( AT M : Aer onaut ical T r af f ic M ana g e m ent ) 、自动相关监测 ( ADS: Aut o mut i c Depen dence Surv eillance) 和其它有关飞行操作控制信 息。在全球范围内 , 已有十多个地面地球站 ( G ES) 在工作, 有近千架飞机装有机载地球站 ( A ES) , 我 国南方航空公司新采购的波音 777 客机上就装有 AE S 。
3
航空卫星通信中的频率校正
航空卫星通信系统中 , 飞机是高速移动的通信
平台 , 多普勒效应非常严重 , 再加上卫星的漂移 , 多 普勒频偏最大可大于 3 kH z 。 对于以 2. 5 kH z 为信道 间隔的 P , R 信道 , 如果不采取校正措施 , 是不可能
第7期
刘爱军等: INM A RS AT 航空卫星通信系统及其频率校正
1
航空卫星通信系统的组成 参 考 文 献
2 1995
图1
INM A RS AT 航空卫星通信系统
Pres ton D . Fr am e rela y in th eor y an d p ractice . B ritis y T eleco m mu nication s E n gineer in g, 1994, 13 ( Par t 2)
2
航空卫星通信系统的典型工作过程
下面我们以机上乘客呼叫地面用户为例来介绍
航空系统的典型工作过程( 目前, 该系统出于管理和 安全方面的考虑, 禁止地面用户呼叫机上用户 ) , 如 图 2 所 示。要想 进入该系 统的 AE S 必 须向某 一 GE S 进行注册, 注册时 AES 首先在 GES 的 Rsmc 信道上发出注册请求, 并在该 GES 的 P smc 信道上 等待 GES 的证实信息, 该证实信息包括 AE S 可工 作的 Rd 信道和 P d 信道的信道号 , A ES 一旦收到 证实信 号后就 在分配 的 Rd 信道 和 Pd 信道上 和 GE S 进行确认 , 完成确认后该 AE S 进入 工作状 态。检测到用户摘机拨号信号后, A ES 在 Rd 上向 GE S 发送话音信道申请, GES 收到以后在 P d 信道
20
电 信
科
学
1997 年
GE S 至少有一条 P 信道 , 所传送的主要内容有系统 表、 信道分配信息等。 P 信道在逻辑上可分为管理信 道 ( P sm c) 和数据信道 ( P d) , Psm c 和 Pd 在物理上 可以是同一条信道 , 也可以是分立的信道。 ( 2) R 信道 R 信道是时隙随机访问信道 ( S - A L OH A) , 是 由 AE S 发往 GES 的后向信道 , 所传送的主要内容 有 A ES 申请信道信息和短突发数据。 R 信道在逻 辑上 可 分为 管 理信 道 ( Rsm c) 和 数 据信 道 ( Rd) , Rsm c 和 Rd 在物理上可以 是同一条信道 , 也可以 是分立的信道。 ( 3) T 信道 T 信道是预约时分多址信道 ( R - T DM A ) , 是由 AES 发往 GES 的后向信道, 所传送的信息主要是 数据。 ( 4) C 信道 C 信道 是按申 请分 配的 单路 单载 波信 道 ( SC P C/ DA) , 该信道由逻辑上的两条信道复用, 一 条用来传送空地之间话音, 一条用来传送子带数据 业务。 C 信道是双向信道 , GE S 发往 A ES 称为前向 C 信道 , A ES 到 GE S 称为后向 C 信道 , 前向 C 工 作在话音激活模式 , 后向 C 工作在连续模式。 在系统中 GES 到卫星 之间采用 C 波段传 送 ( 收 3 600 GH z ~ 3 629 GH z, 发 6 425 GH z ~ 6 454 GH z) , A ES 到 卫 星 之 间 采 用 L 波 段 ( 收 1 530 GH z ~ 1 559 GH z, 发 1 626 . 5 GH z ~ 1 660 . 5 GH z) 。
21
正确发送和接收的 ; 即使是间隔为 17. 5 kH z 的话音 C 信道, 为了提高信噪比 , 避免邻道干扰 , 也必须对 发送和接收频率进行校正。 下面我们主要介绍由多 普勒效应所引起频偏的校正。 多普勒频率校正分为 发频率和收频率校正 , 发频率校正是使发射频谱正 确落在转发器的预定位置使得各站发送信号互不干 扰; 收频率校正是调整本地频率合成器 , 使得目标接 收信号能够完全进入信道的滤波器内。 下面我们分 别讨论 GE S 和 AES 中的频率校正。 3. 1 GES 中的频率校正 GE S 发频率校正是通过接收 C 波段到 L 波段 的导频来完成的。由 I NM A RSAT 指定的 GES 发 送C - L 导频 , 其它各 GE S 站的 L 波段导频接收机 接收此信号, 并检测其与标称值的差, 以此为依据来 纠正 C 波段通信信号的发送频率。 此频差主要是由 于卫星本身相对于 GE S 的多普勒频移和 C - L 转发 器的频率漂移所引起的。 对于 GES 来讲 , 接收到 的频差并不能直接用 来进行频率校正 , 下面我们用图3 来说明。 对于发送 导频的 GES 来讲 , 导频在上行和下行链路经历相 同的多普勒因子 , 而对于其它各接收此导频的 GES 来讲, 导频在上行链路和下行链路上所经历的多普 勒因子是不一样的。 在图 3中假设 GES1 为发送导频 的 GE S, 在 GE S2 测 得导频 的偏差 为 为 F = F PC V co s( ) / c FPL V cos( )/c 式中 F P C 为 C 波段导频频率 , F PL 为 L 波段导 频频率, c 为光速。 定义 A U = V cos( ) / c 为上 行链路的多 普勒 因子, 而 A D = V co s( 为 F CC V co s( )/ c = F FCC AD/ F= ) / c 为下行链路的多普勒因 子 , GE S2 要校正其发送频率的话, 其所要校正的量 F, 则 F
1
薛兴华. 计算机 通信网 络及组 网方式 . 北 京: 机 械工业 出版社 ,
FR Technol ogy of Broadband Tel ecommunication Network
Xue Xinghua
(Jiangsu Pos ts and T eleco mmun ications A dmin istration, Nan jing 210003 )
Abstract Key words
T he r ationale feat ur es, im plementa tio n and app lica tio ns o f f ram e r elay t echno log y ar e intr oduced in t his p ap er and fra me r elay , br oa dband serv ice , L A N , W A N
上分配 AE S 到 GES 之间通信的前向和后向 C 信 道的信道号 , AE S 收到分配的信道后 , 在后向 C 信 道的子带数据信道发送呼叫信息 , 主要包括 AE S ID 、 GE S ID 、 被叫地址等信息。GES 收到呼叫信息 后发送到地面网络, GE S 和地面网络之间的交互完 全符合地面网络的协议, 在等待地面网络送来应答 信号的过程中, G ES 和 AE S 之间在 C 信道子带数 据信道发送测试信号 , 这时 AES 和 G ES 之间的话 音通路也是导通的 , AES 用户可在其中听到回铃 音 ; G ES 在收到地面用户摘机信号后 , 向 AE S 发送 线路接通信号, AE S 收到后向 GE S 发送证实信号 , 这时双方可以开始通话过程。通话完毕后 , 可以是 AE S 主挂也可是地面用户主挂。当 AE S 主挂时 , AE S 通过后向 C 子带数据信道向 GE S 发挂机信 号 , 同时关闭载波, GE S 收到挂机信号或 AE S 载波 关闭后 , GES 停止发送并通过地面网络通知地面用 户 , 完成通话过程。 当地面用户主挂时 , GE S 收到挂 机后, 向 A ES 发送挂机信息 , 同时关闭载波 , AE S 收到挂机信息后 , 向 GE S 发挂机证实同时关闭载 波 , 完成通话过程。
ຫໍສະໝຸດ BaiduCC
差 值, M 为修 正因 子, M = F A U + FPC 3. 2 AD ) . AES 中的频率校正
A D / ( F PL
图 4 A ES 多普勒频移的形成
当飞机的飞行方向与卫星的漂移方向相向或相 对时 , 卫星漂移造成的多普勒频移和飞机飞行造成 的多普勒频移正好相加 , 这时 A ES 收到信号的 频 率偏差也最大, 如图 4所示。 在 IN M ARSA T 航空卫 星通信系 统中 AE S 收到信号的最大多普勒频移可达到 3 000 H z, 对于像 R 信道这样带宽只有 2. 5 kH z 信 号 , 如果 A ES 发不采取校正措施 , 那么转发器上信 号必然重叠 , GE S 不能正确接收。 IN M ARSAT 航空卫星通信系统中, 可采用两 种方法完成频率校正 , 由于 P 信道是一条连续的广 播信道 , 各 A ES 都可以收到, 而且要想进入系统的
因子有关的量 , 在系统中不同位置的 G ES 所对 应 的 M 值由系统给出。 GES 收频率校正是通过接收 L 波段到 C 波段 的导频来完成的。由 IN M ARSAT 指定的 GE S 发 送L - C 导频, 其它各 GES 站的 C 波段导频接收机 接收此信号 , 并检测其与标称值的差 , 以此为依据来 纠正 C 波通信信号的收频率, 使接收正确进入解调 滤波器内。 此频差主要是由于卫星本身相对于 GE S 的 多普 勒频 移和 L- C 转 发器 的频 率漂 移所 引 起 的。 GES 收 频 的 校 频 方法 是 一 样 的 , 校 正 量 为 F M , F 为 C 波段 L- C 导频相对标称值的偏
F
F CC
A D / ( F PC
A U + FPL
A D)
式中 F CC 为 C 波段标称通信信号发送频率 , 在 IN M ARSAT 航 空 卫 星 通 信系 统 中 定 义 正 因 子 M = F CC 校正量为 A D / ( F PC F A U + F PL A D ) , 因此实 际 M。 M 是一个同上行和下行多普勒
1997 年 7 月 第 13 卷第 7 期
T EL ECOM M UN IC AT IONS S CIE NCE
电 信 科 学
Vol. 13 No. 7 July 1997
INMARSAT 航空卫星通信系统及其频率校正
刘爱军 杨喜根 张更新 吕 晶
(通信工程学院 南京 210016 )
摘要
IN M A RSA T 航空卫星通信系统是 90 年代投入实用的第一个面向机上用户的移动卫星通信系统, 其成 功
(收稿日期: 1996 - 09 - 02, 改定日期: 1997 - 01 - 25 )
t he fr ame relay technolo g ical pr ospects in t he teleco mmunicatio n netw or k ar ena are envisio ned.
IN M ARSAT 航空卫星通信 系统由分布于 世 界各地的若干 GE S 和数目众多的 AE S 组成 , 如图 1 所示。 AE S 通过 GE S 接入地面公用网络 , GE S 在 航空系统中起网络控制作用 , 也相当于一个网 关 站。 按照 GE S 和 AES 之间的关系 , 航空系统中总 共可分为 4 种信道: ( 1) P 信道 P 信道是由 GES 发出的连续 T DM 信道 , 网中
的应用对未来卫星移动通信的发展提供了宝贵经验。本文对该系统的组成、 典型工作过程, 以及系统中频率校正方法 作了讨论, 并给出了我们研制的单收系统的解决方案。 关键词 航空卫星通信系统 多普勒频偏 频率校正
国际海事卫星组织 IN M ARSA T 创建于 1979 年, 早期主要提供全球的岸 船、船 船之间的通 信, 是进行卫星移动通信开发与应用的先驱 , 现改称 为国际移动卫星通信组织, 其未来的 IC O 系统不仅 仅限于为车、 船、 飞机提供通信 , 其目的将是满足全 球范围内个人通信的需求。 I NM A RSAT 航空卫 星通信系统是 一个面向 机上用户 , 以提供话音和数据通信业务为主的移动 卫星通信系统 , 另外它还可以传输更加可靠的空中 交通管理 ( AT M : Aer onaut ical T r af f ic M ana g e m ent ) 、自动相关监测 ( ADS: Aut o mut i c Depen dence Surv eillance) 和其它有关飞行操作控制信 息。在全球范围内 , 已有十多个地面地球站 ( G ES) 在工作, 有近千架飞机装有机载地球站 ( A ES) , 我 国南方航空公司新采购的波音 777 客机上就装有 AE S 。
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航空卫星通信中的频率校正
航空卫星通信系统中 , 飞机是高速移动的通信
平台 , 多普勒效应非常严重 , 再加上卫星的漂移 , 多 普勒频偏最大可大于 3 kH z 。 对于以 2. 5 kH z 为信道 间隔的 P , R 信道 , 如果不采取校正措施 , 是不可能
第7期
刘爱军等: INM A RS AT 航空卫星通信系统及其频率校正
1
航空卫星通信系统的组成 参 考 文 献
2 1995
图1
INM A RS AT 航空卫星通信系统
Pres ton D . Fr am e rela y in th eor y an d p ractice . B ritis y T eleco m mu nication s E n gineer in g, 1994, 13 ( Par t 2)
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航空卫星通信系统的典型工作过程
下面我们以机上乘客呼叫地面用户为例来介绍
航空系统的典型工作过程( 目前, 该系统出于管理和 安全方面的考虑, 禁止地面用户呼叫机上用户 ) , 如 图 2 所 示。要想 进入该系 统的 AE S 必 须向某 一 GE S 进行注册, 注册时 AES 首先在 GES 的 Rsmc 信道上发出注册请求, 并在该 GES 的 P smc 信道上 等待 GES 的证实信息, 该证实信息包括 AE S 可工 作的 Rd 信道和 P d 信道的信道号 , A ES 一旦收到 证实信 号后就 在分配 的 Rd 信道 和 Pd 信道上 和 GE S 进行确认 , 完成确认后该 AE S 进入 工作状 态。检测到用户摘机拨号信号后, A ES 在 Rd 上向 GE S 发送话音信道申请, GES 收到以后在 P d 信道
20
电 信
科
学
1997 年
GE S 至少有一条 P 信道 , 所传送的主要内容有系统 表、 信道分配信息等。 P 信道在逻辑上可分为管理信 道 ( P sm c) 和数据信道 ( P d) , Psm c 和 Pd 在物理上 可以是同一条信道 , 也可以是分立的信道。 ( 2) R 信道 R 信道是时隙随机访问信道 ( S - A L OH A) , 是 由 AE S 发往 GES 的后向信道 , 所传送的主要内容 有 A ES 申请信道信息和短突发数据。 R 信道在逻 辑上 可 分为 管 理信 道 ( Rsm c) 和 数 据信 道 ( Rd) , Rsm c 和 Rd 在物理上可以 是同一条信道 , 也可以 是分立的信道。 ( 3) T 信道 T 信道是预约时分多址信道 ( R - T DM A ) , 是由 AES 发往 GES 的后向信道, 所传送的信息主要是 数据。 ( 4) C 信道 C 信道 是按申 请分 配的 单路 单载 波信 道 ( SC P C/ DA) , 该信道由逻辑上的两条信道复用, 一 条用来传送空地之间话音, 一条用来传送子带数据 业务。 C 信道是双向信道 , GE S 发往 A ES 称为前向 C 信道 , A ES 到 GE S 称为后向 C 信道 , 前向 C 工 作在话音激活模式 , 后向 C 工作在连续模式。 在系统中 GES 到卫星 之间采用 C 波段传 送 ( 收 3 600 GH z ~ 3 629 GH z, 发 6 425 GH z ~ 6 454 GH z) , A ES 到 卫 星 之 间 采 用 L 波 段 ( 收 1 530 GH z ~ 1 559 GH z, 发 1 626 . 5 GH z ~ 1 660 . 5 GH z) 。
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正确发送和接收的 ; 即使是间隔为 17. 5 kH z 的话音 C 信道, 为了提高信噪比 , 避免邻道干扰 , 也必须对 发送和接收频率进行校正。 下面我们主要介绍由多 普勒效应所引起频偏的校正。 多普勒频率校正分为 发频率和收频率校正 , 发频率校正是使发射频谱正 确落在转发器的预定位置使得各站发送信号互不干 扰; 收频率校正是调整本地频率合成器 , 使得目标接 收信号能够完全进入信道的滤波器内。 下面我们分 别讨论 GE S 和 AES 中的频率校正。 3. 1 GES 中的频率校正 GE S 发频率校正是通过接收 C 波段到 L 波段 的导频来完成的。由 I NM A RSAT 指定的 GES 发 送C - L 导频 , 其它各 GE S 站的 L 波段导频接收机 接收此信号, 并检测其与标称值的差, 以此为依据来 纠正 C 波段通信信号的发送频率。 此频差主要是由 于卫星本身相对于 GE S 的多普勒频移和 C - L 转发 器的频率漂移所引起的。 对于 GES 来讲 , 接收到 的频差并不能直接用 来进行频率校正 , 下面我们用图3 来说明。 对于发送 导频的 GES 来讲 , 导频在上行和下行链路经历相 同的多普勒因子 , 而对于其它各接收此导频的 GES 来讲, 导频在上行链路和下行链路上所经历的多普 勒因子是不一样的。 在图 3中假设 GES1 为发送导频 的 GE S, 在 GE S2 测 得导频 的偏差 为 为 F = F PC V co s( ) / c FPL V cos( )/c 式中 F P C 为 C 波段导频频率 , F PL 为 L 波段导 频频率, c 为光速。 定义 A U = V cos( ) / c 为上 行链路的多 普勒 因子, 而 A D = V co s( 为 F CC V co s( )/ c = F FCC AD/ F= ) / c 为下行链路的多普勒因 子 , GE S2 要校正其发送频率的话, 其所要校正的量 F, 则 F
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薛兴华. 计算机 通信网 络及组 网方式 . 北 京: 机 械工业 出版社 ,
FR Technol ogy of Broadband Tel ecommunication Network
Xue Xinghua
(Jiangsu Pos ts and T eleco mmun ications A dmin istration, Nan jing 210003 )
Abstract Key words
T he r ationale feat ur es, im plementa tio n and app lica tio ns o f f ram e r elay t echno log y ar e intr oduced in t his p ap er and fra me r elay , br oa dband serv ice , L A N , W A N