基于正交頻分復(fù)用的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信信息存在復(fù)用保護(hù)間隔，為實(shí)現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)定位，設(shè)計(jì)基于正交頻分復(fù)用的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng);設(shè)置電源管理模塊，初步協(xié)調(diào)BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端與ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將衛(wèi)星通信信息反饋至網(wǎng)絡(luò)與顯示模塊，實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì);建立同步信號模型，通過信號調(diào)制解調(diào)的方式，完善待處理通信信息的復(fù)用保護(hù)間隔與循環(huán)前綴，實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)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(bào)文通信模式，連接同步通信協(xié)議，完成低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制;與北斗型通信控制系統(tǒng)相比，正交頻分復(fù)用技術(shù)作用下，低軌衛(wèi)星的移動(dòng)通信能力得到強(qiáng)化，較好地滿足精準(zhǔn)定位傳輸數(shù)據(jù)信息的實(shí)際應(yīng)用需求。

　　關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用;低軌衛(wèi)星;移動(dòng)通信;同步控制;同步信號模型;調(diào)制解調(diào);短報(bào)文通信模式

　　引言正交頻分復(fù)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(fù)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(dá)到一部分，故而正交頻分復(fù)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(dòng)用戶、移動(dòng)用戶與移動(dòng)用戶之間的關(guān)系，與地球同步軌道相比，實(shí)際運(yùn)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(dòng)通信同步導(dǎo)航能力的促進(jìn)作用相對有限，很難實(shí)現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)定位。為解決此問題，引入正交頻分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)一種新型的低軌衛(wèi)星移動(dòng)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(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的支持下，對同步信號模型的復(fù)用保護(hù)間隔與循環(huán)前綴進(jìn)行完善，再通過通信數(shù)據(jù)分包的方式，實(shí)現(xiàn)同步通信協(xié)議與控制應(yīng)用系統(tǒng)之間的實(shí)用性連接。

　　1低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　低軌衛(wèi)星移動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)流程如下。

　　1.1電源管理模塊

　　低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)的電源管理模塊以Ar-duinoMega2560主控板作為核心供電設(shè)備，可在正交頻分復(fù)用狀態(tài)下，對電源狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控。ArduinoMega2560主控板擁有16個(gè)完全獨(dú)立的輸出管腳，在用8V、12V并列連接的供電調(diào)試模式[4]。其中，8V慣腳可對內(nèi)部鏗電池進(jìn)行供電，12V慣腳可對外部同步電池設(shè)備進(jìn)行供電。

　　LED[1，6]傳輸信道可同時(shí)讀取低軌衛(wèi)星電池內(nèi)的存儲(chǔ)電壓值，并可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)現(xiàn)階段所處的電量狀態(tài)，當(dāng)存儲(chǔ)電量不足時(shí)，GND輸出端的蜂鳴器設(shè)備會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，以提醒移動(dòng)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，ArduinoMega2560主控板會(huì)在連接初期啟動(dòng)同步睡眠模式，平均睡眠時(shí)間可達(dá)8s，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(shí)時(shí)發(fā)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(zhí)行結(jié)構(gòu)，可在頻分信號擴(kuò)大器設(shè)備的作用下，對主控板供電端輸出的電子量進(jìn)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(shí)現(xiàn)對正交頻分復(fù)用信號的全局化調(diào)度[5]。

　　1.2BDG-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(jī)建立報(bào)文通信關(guān)系。此外，由于低軌衛(wèi)星定位導(dǎo)航功能的存在，正交頻分復(fù)用信號在系統(tǒng)同步信道內(nèi)始終不會(huì)迷失傳輸方向，這也是新型通信控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)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(dòng)通信接收站可同步調(diào)試系統(tǒng)下級連接的遠(yuǎn)端衛(wèi)星站與近端衛(wèi)星站，并可在遵循正交頻分復(fù)用原理的同時(shí)，對同步通信終端的連接能力進(jìn)行初步約束。BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端的移動(dòng)通信接收站可借助串口對低軌衛(wèi)星的通信能力進(jìn)行控制，再借助同步通信協(xié)議，完善正交頻分信號的復(fù)用保護(hù)間隔與循環(huán)前綴[67]。

　　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(jī)輸出的同步信號，并可通過遠(yuǎn)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(fù)用原理的存在，衛(wèi)星移動(dòng)信號在傳輸過程中需要先后經(jīng)歷多個(gè)供電節(jié)點(diǎn)，出于連接穩(wěn)定性考慮，節(jié)點(diǎn)設(shè)備可自行對傳輸信號中的衛(wèi)星信息進(jìn)行過濾。

　　1.3ZIGBEE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(dòng)通信同步信號的采集子節(jié)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)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(fù)用信號的同時(shí)，按照低軌衛(wèi)星所處的實(shí)時(shí)通信位置，向上層移動(dòng)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(jī)之中[89]。

　　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(fù)雜，需要ArduinoMega2560主控板、蜂鳴器電路、應(yīng)用電阻等多個(gè)設(shè)備元件的共同作用，才可實(shí)現(xiàn)由節(jié)點(diǎn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩部分。用于發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

　　1.4網(wǎng)絡(luò)與顯示模塊

　　低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與顯示模塊由移動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)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(qiáng)的電子感知能力，可在感知到正交頻分復(fù)用信號后，以靜態(tài)波的形式，顯示低軌衛(wèi)星移動(dòng)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(jìn)行及時(shí)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QuartusII中調(diào)用ALTLVDSIPCORE模塊來實(shí)現(xiàn)。信號采集模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)AD模塊的初始化、啟動(dòng)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(fù)用處理的關(guān)鍵技術(shù)

　　正交頻分復(fù)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(gè)子信道上進(jìn)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(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)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(gè)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(dòng)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(jìn)行最基本的調(diào)制解調(diào)，再借助復(fù)用保護(hù)間隔和循環(huán)前綴，完成正交頻分復(fù)用處理的關(guān)鍵技術(shù)分析。

　　2.1低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信的同步信號模型

　　在低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)中，正交頻分復(fù)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(nèi)的子載波調(diào)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(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(dòng)通信信號的頻率偏移保持相對明暗的狀態(tài)，特別是在實(shí)際應(yīng)用過程中，正交頻分復(fù)用信號的輸出量越大，在低軌衛(wèi)星移動(dòng)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(gè)實(shí)際處理階段[13]。在下行鏈路環(huán)節(jié)中，衛(wèi)星移動(dòng)基站可以向各個(gè)移動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

　　在上行鏈路環(huán)節(jié)中，來自不同通信終端的移動(dòng)信號可同時(shí)到達(dá)衛(wèi)星基站，且由于正交頻分復(fù)用技術(shù)的連續(xù)性影響，子載波間始終保持較強(qiáng)的正交性交流能力[14]。在衛(wèi)星基站對子載波信息進(jìn)行同步提取時(shí)，調(diào)制信號可經(jīng)由基站設(shè)備直接返回移動(dòng)終端設(shè)備，且在此過程中，信號參量自身的時(shí)域與頻域需求都能得到較好滿足。

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

　　按照正交頻分復(fù)用技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需求，分別從通信數(shù)據(jù)分包、短報(bào)文通信模式、同步通信協(xié)議3個(gè)方面，對低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用軟件進(jìn)行針對性開發(fā)。綜上，建立同步信號模型，完善待處理通信信息的復(fù)用保護(hù)間隔與循環(huán)前綴，實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)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(bào)文通信模式，連接同步通信協(xié)議，完成低軌衛(wèi)星移動(dòng)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(dòng)通信數(shù)據(jù)由響應(yīng)包、報(bào)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(dòng)同步通信信號后，首先對相關(guān)信息進(jìn)行解析研究，再從中提取正交頻分復(fù)用數(shù)據(jù)的包頭信息，最后當(dāng)數(shù)據(jù)包的內(nèi)部信息容量逐漸趨近于0時(shí)，認(rèn)定該類型數(shù)據(jù)包已經(jīng)接收成功[1617]。

　　當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境中存在大量低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步信號時(shí)，可被控制主機(jī)直接應(yīng)用的通信數(shù)據(jù)為報(bào)文包。這類型數(shù)據(jù)信息具備較強(qiáng)的可分割能力，當(dāng)系統(tǒng)剩余信息不足以滿足后續(xù)信號提取需求時(shí)，BDG-MF-OS型衛(wèi)星終端就會(huì)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5Mb的小型傳輸文件。

　　3.2短報(bào)文通信模式

　　根據(jù)正交頻分復(fù)用策略的約定，低軌衛(wèi)星移動(dòng)終端機(jī)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(bào)文信息，才能進(jìn)行后續(xù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理[1819]。具體通信模式為：1)低軌衛(wèi)星發(fā)送終端必須將報(bào)文內(nèi)容與移動(dòng)終端機(jī)ID號碼加密后，才能將其轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)入通信用戶終端主機(jī)中。2)正交頻分復(fù)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(jìn)行加密，最后再混入出站電文中，由指定的移動(dòng)通信用戶終端設(shè)備接收。3)出站后的移動(dòng)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(bào)文，存儲(chǔ)于地面控制中心。

　　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(fù)用關(guān)系，在短報(bào)文通信模式達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)用狀態(tài)時(shí)，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(dòng)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(dòng)通信同步控制系統(tǒng)中，復(fù)用信號所負(fù)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(shí)現(xiàn)各項(xiàng)軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在正交頻分復(fù)用技術(shù)的支持下，完成低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4實(shí)用性分析

　　為驗(yàn)證基于正交頻分復(fù)用低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信同步控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。AD7606提供3種接口選項(xiàng)：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/BYTESEL引腳DB15/BYTESEL引腳進(jìn)行選擇。分別使用實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)、對照組系統(tǒng)對通信運(yùn)營中心進(jìn)行控制，其中實(shí)驗(yàn)組終端搭載基于正交頻分復(fù)用低軌衛(wèi)星移動(dòng)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)。QSE指標(biāo)、USE指標(biāo)均能反映低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信的同步導(dǎo)航能力，一般情況下，QSE指標(biāo)數(shù)值越低、USE指標(biāo)數(shù)值越高，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信的同步導(dǎo)航能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。

　　衛(wèi)星設(shè)備論文： 試論多相關(guān)方衛(wèi)星遙感研究項(xiàng)目的科學(xué)管理

　　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(dòng)通信同步控制系統(tǒng)在正交頻分復(fù)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(jìn)行改進(jìn)，又通過同步信號調(diào)制解調(diào)的方式，實(shí)現(xiàn)對通信數(shù)據(jù)的分包處理，從而建立完善的短報(bào)文通信模式。從實(shí)用性角度來看，QSE指標(biāo)數(shù)值的下降、USE指標(biāo)數(shù)值的上升，能夠不斷強(qiáng)化低軌衛(wèi)星的移動(dòng)通信能力，可較好滿足精準(zhǔn)定位傳輸數(shù)據(jù)信息的實(shí)際應(yīng)用需求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]全英匯，高霞，沙明輝，等.基于期望最大化算法的捷變頻聯(lián)合正交頻分復(fù)用雷達(dá)高速多目標(biāo)參數(shù)估計(jì)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2020，42(7)：16111618.

　　[2]張爍瑜，高軍萍，李琦，等.新型互補(bǔ)序列的構(gòu)造及其在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)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(wèi)星小推力離軌最優(yōu)控制方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2021，43(1)：205213.

　　[4]葉剛進(jìn)，王駿海，楊翾，等.分布式電源接入下基于供電需求預(yù)測的配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28(17)：189193.

　　[5]續(xù)丹，毛景祿，王斌，等.分布式電池電源模塊儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)均衡控制[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，53(10)：8591.

　　作者：韓芳，李資，王紅梅

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/27896.html