CN101895331A - 卫星移动通信的时分双工通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星移动通信的时分双工通信方法，属于卫星通信技术领域。所述方法包括：卫星向地面终端发送下行信号同时接收地面终端发送的上行信号，地面终端向卫星发送上行信号同时接收卫星发送的下行信号，所述发送和接收在同一频率信道的不同时隙进行，在所述方法中，用于卫星信号上下行的物理帧包括超帧，所述超帧包括一个或多个正常帧和一个或零个短帧，相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延，所述正常帧由多个时隙组成；所述短帧由一个或多个时隙组成，所述短帧的宽度小于所述正常帧的宽度。本发明可用于卫星移动通信。

Description

卫星移动通信的时分双工通信方法
技术领域
本发明涉及卫星移动通信，尤其涉及一种用于卫星移动通信的时分双工通信方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
时分双工模式(TDD：Time Division Duplexing)是第三代(3G)地面移动通信系统的主流工作模式之一，是一种通信系统的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与传送信道(或上下行链路)。TDD模式的移动通信系统中接收和传送在同一频率信道的不同时隙进行，用保证时间来分离接收与传送信道。由于TDD模式的移动通信系统中上下行信道采用同样的频率，因而具有上下行信道的互惠性，这给TDD模式的移动通信系统带来许多优势。
我国具有自主知识产权的TD-SCDMA标准就是基于TDD模式的技术。其3.84Mcps和1.28Mcps两种选项的物理帧结构如图1和图2所示[参见：3GPP TS 25.221 V4.8.0(2005-06)“3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network；Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels(TDD)(Release 4)”]。
近期ITU将公布第四代(4G)地面移动通信标准的最终评选结果，我国具有自主知识产权的TD-LTE-Advanced技术方案已成为国际电信联盟4G通信技术的候选方案之一，有望成为今后的4G国际技术标准。同样地，TD-LTE-Advanced方案也基于TDD模式。
在地面移动通信系统中采用TDD双工模式，相比较频分双工模式(FDD：Frequency Division Duplexing)而言具有以下的一些优势：(1)收发同频，可以节省一半的频带；(2)有利于开展上下行非对称业务；(3)终端无需使用双工器并可以共用中/射频模块，因而可以简化终端设计；(4)收发同频有利于直接利用上下行信道估计的结果，有利于上行同步、智能天线等技术的采用。
在卫星通信尤其是卫星移动通信系统中，由于存在较大的星地传输时延(例如，静止轨道GEO卫星轨道高度约为36000公里，最大单跳往返时延约有270ms)，采用TDD模式较为困难，因此相应的系统及技术研究并不多。
铱系统(Iridium)是采用低轨道(LEO)卫星星座的卫星移动通信系统[参见：Stephen R.Pratt，et al.，“AN OPERATIONAL AND PERFORMANCE OVERVIEW OF THE IRIDIUM LOW EARTH ORBIT SATELLITE SYSTEM，”IEEE Communications Surveys，Q21999]，轨道高度为780公里。铱系统基于时分多址(TDMA)的多用户方式和TDD双工方式，其帧结构如图3所示。由于LEO卫星的传输时延不算特别大，因此采用TDD-TDMA模式的帧结构设计并不复杂，相应的上、下行时隙间的保护间隔只需要0.4毫秒即可满足要求。
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[Arif Ansari，et al.，“S-WiMAX：Adaptation of IEEE 802.16e for Mobile Satellite Services，”IEEE Communications Magazine，Jun.2009]分析了在卫星移动通信中采用WiMAX技术的适应性问题。在考虑TDD模式时分析了具有不同传输时延的地面终端在上行和下行帧设计上的适应性问题，提出了一种在下行帧和上行帧尾部设置足够长保护时间(大于2倍的传输时延差)的解决方案。不过该文献中并未真正解决TDD的可行性，即未提出针对平均传输时延的星地时隙对齐问题的解决方案。
总之，考虑到兼容第三代或第四代地面移动通信技术，需要在同一上行帧或时隙内容纳多个卫星终端的上行发送信号(即采用类似CDMA或者OFDMA的多址方式信号形式)，由于卫星通信(特别是GEO卫星情况下)中存在着较大的传输时延，现有的地面或卫星TDD方案并不能很好地适用。特别地，直接采用类似于TD-SCDMA标准那样的纯TDD模式在卫星通信中并不可行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提出一种用于卫星移动通信的时分双工通信方法。
本发明针对具有较长传输时延的卫星通信系统，提供了一种可以在同一上行帧或时隙内容纳多个卫星终端上行发送信号的时分双工(TDD)模式的物理帧结构。具有这类需求的典型的上行信号包括CDMA或OFDMA等信号形式。
为了便于说明，下面描述本发明涉及的几个通用概念/术语的含义：
本发明涉及卫星通信系统中卫星波束覆盖范围内的几种卫星到终端(或相反)传输时延的定义，如图4所示。其中，
最大传输时延：是卫星波束覆盖范围内卫星到终端(或相反)具有最长路径时的传输时延，通常表示为τmax；
最小传输时延：是卫星波束覆盖范围内卫星到终端(或相反)具有最短路径时的传输时延，通常表示为τmin；
中间传输时延：是卫星波束覆盖范围内卫星到终端(或相反)具有中间路径时的传输时延，通常表示为τmean。实际上，中间传输时延是最大传输时延和最小传输时延的算术平均值，即τmean＝(τmax+τmin)/2；
最大传输时延差2X：是最大传输时延与最小传输时延的差值，即2X＝(τmax-τmin)。
除此之外，本发明还涉及到几种保护时间的定义，包括：
切换保护时间：采用时分双工方式的卫星或地面终端设备，由于需要通过切换开关来分时共用天线等模块，因此在从发送信号状态转换为接收信号状态或者从接收信号状态转换为发送信号状态时，换言之也即卫星或地面终端设备由上行信号状态切换为下行信号状态或者从下行信号状态切换为上行信号状态时，两个状态之间间隔一段时间以保证可靠、有效地切换至下一状态；
上星对齐保护时间：各地面终端由于与卫星之间具有不同的传输时延，同时又具有相同的上行信号块宽度，当以中间传输时延的终端的发送上行信号块为参照时，则具有最大传输时延的终端需要提前一个最大传输时延差2X的时间发送上行信号，这样才能保证到达卫星时与中间传输时延终端的上行信号实现对齐，因而中间传输时延终端的发送上行信号块开始之前需要保留2X的不能被使用的保护时间；相应地，具有最小传输时延的终端需要滞后一个最大传输时延差2X的时间发送上行信号，这样才能保证到达卫星时与中间传输时延终端的上行信号实现对齐，因而中间传输时延终端的发送上行信号块结束之后需要保留2X的不能被使用的保护时间。这两组因终端需要提前或滞后而保留的上行保护时间的总和，定义为上星对齐保护时间；
在本发明中，将位于上行时间窗口内的上述“切换保护时间”和“上星对齐保护时间”统称为“保护时间”。
时延变化缓冲保护时间：由于卫星存在运动或漂移，针对相应的中间传输时延发生变化时，为避免出现前后帧结构发生部分重叠而需要保留的缓冲时间间隔。
另外，所述时隙是物理帧结构中的基本(最小)信息传输单元，这也是本领域公知的术语。
本发明采用如下技术方案实现本发明的技术目的：
一种卫星移动通信的时分双工通信方法，所述方法包括：卫星向地面终端发送下行信号同时接收地面终端发送的上行信号，地面终端向卫星发送上行信号同时接收卫星发送的下行信号，所述发送和接收在同一频率信道的不同时隙进行。和现有技术不同，在所述方法中，用于卫星信号上下行的物理帧包括超帧，所述超帧包括一个或多个正常帧和一个或零个短帧，相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延，所述正常帧由多个时隙组成；所述短帧由一个或多个时隙组成，所述短帧的宽度小于所述正常帧的宽度。
进一步，所述正常帧包括至少一个下行块和至少一个上行窗口；所述短帧包括至少一个下行块、或者至少一个上行窗口、或者至少一个下行块和至少一个上行窗口；所述上行窗口包括一个上行块和位于上行块左右两侧的保护时间。
在上述方法中，超帧的宽度可以等于或者小于中间传输时延。就前者而言，超帧还包括一个填充域；就后者而言，相邻两个超帧之间包括一个填充域。事实上，上述两种情况仅仅在概念上存在区别，从整体来看，均符合相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延这一条件。
上述填充域不包含任何信息内容，宽度小于两个时隙的宽度。
本发明针对卫星通信系统提出了一种新型的物理帧结构，在卫星传输所特有的大时延下，仍然可以采用类似于地面通信的时分双工(TDD)模式进行通信，在一定程度上可以兼容第三代或第四代地面移动通信技术，这对卫星通信尤其是卫星移动通信系统的具体实施是非常有利的。
附图说明
图1是3GPP TDD模式3.84Mcps选项的帧结构示意图；
图2是3GPP TDD模式1.28Mcps选项的帧结构示意图；
图3是铱(Iridium)系统空中接口TDD帧结构示意图；
图4是卫星通信不同传输时延的示意图；
图5是本发明的超帧组成结构的一个具体实施例；
图6是本发明的正常帧组成结构的一个具体实施例；
图7是本发明的短帧组成结构的两个具体实施例；
图8是本发明的填充域组成结构的一个具体实施例；
图9是本发明的超帧组成结构的另一个具体实施例。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。
在具体实施方案中，假定卫星到终端的单程中间传输时延为135毫秒(ms)，对于多波束天线系统，典型的一个波束之内的最大传输时延差小于1.8毫秒(ms)。
一种具体的超帧组成结构方式如图5所示。超帧长度和中间传输时延相同，定为135ms。超帧包括13个正常帧(帧号#0到帧号#12)、1个短帧(帧号#0)和1个填充域。
正常帧的结构如图6所示，其长度为兼容3GPP TDD模式帧结构也选择为10ms，可包含15个时隙，每个时隙宽度约为0.67ms。正常帧包含1个下行块和1个上行窗口。其中下行块长度约为3.33ms，包含5个下行时隙(时隙号#0到#4)；上行窗口长度约为6.67ms，包含一个上行块(上行块包括5个连续上行时隙(时隙号#0到#4))和上行块左右两侧的保护时间。另外上星对齐保护时间和上行一下行块切换保护时间两者之和约为3.33ms。对于典型的约0.2ms上行和下行块之间切换保护时间而言，可以满足上星对齐保护时间大于或等于卫星到终端的最大传输时延差值1.8ms的要求。各终端发出的上行时隙组(上行块)可以根据一定的规则整体在上行窗口内滑动，以保证各终端的上行信号在到达卫星时都可以落入卫星处用于接收的相应上行窗口区间内。根据不同的发送方法，各终端的上行信号可以都落入卫星侧用于接收的位于上行窗口中间的上行块区间，也可以落入更宽的上行窗口区间。
短帧只有一个(即短帧号#0)，其结构如图7所示，其长度为4.67ms，小于正常帧，可包含7个时隙。图7示出了两种短帧组成结构例，图7.a例中短帧只包含一个下行块，由7个下行时隙组成(时隙号#0到#6)；图7.b例中短帧由一个下行块和一个上行窗口组成，下行块长度约为0.67ms，包含1个下行时隙(时隙号#0)，上行窗口长度为4ms，包含1个上行块和上行块两侧的保护时间。上行块包括1个上行时隙(时隙号#0)。另外上星对齐保护时间和上行-下行块切换保护时间两者之和跟正常帧一样约为3.33ms。而各终端发出的上行块同样可以根据一定的规则在上行窗口内滑动，以保证各终端的上行信号在到达卫星时都可以落入卫星处用于接收的相应短帧的上行窗口区间内。
填充域相对较为简单，其结构如图8所示，其长度约为0.33ms，不足一个时隙的宽度。其中，传输时延变化的缓冲保护时间设定为0.15ms。事实上，填充域不传送任何信息。
另一种等价的超帧组成结构方式如图9所示。超帧长度定为约134.82ms，包括13个正常帧(帧号#0到帧号#12)和1个短帧(帧号#0)。填充域位于相邻的两个超帧之间，长度为0.18ms。将时间轴从某一起始时刻开始以中间传输时延为单位进行划分，超帧的起始时刻顺序对齐到各中间传输时延单位的起始处，或者说相邻超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延。
以上仅仅参考特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可能对本发明进行的形式和细节上的任何修改，都应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种卫星移动通信的时分双工通信方法，所述方法包括：卫星向地面终端发送下行信号同时接收地面终端发送的上行信号，地面终端向卫星发送上行信号同时接收卫星发送的下行信号，所述发送和接收在同一频率信道的不同时隙进行，
其特征在于，在所述方法中，用于卫星信号上下行的物理帧包括超帧，所述超帧包括一个或多个正常帧和一个或零个短帧，相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延，所述正常帧由多个时隙组成；所述短帧由一个或多个时隙组成，所述短帧的宽度小于所述正常帧的宽度。
2.如权利要求1所述的卫星移动通信的时分双工通信方法，其特征在于，所述正常帧包括至少一个下行块和至少一个上行窗口，所述上行窗口包括一个上行块和位于上行块左右两侧的保护时间。
3.如权利要求1所述的卫星移动通信的时分双工通信方法，其特征在于，所述短帧包括至少一个下行块、或者至少一个上行窗口、或者至少一个下行块和至少一个上行窗口，所述上行窗口包括一个上行块和位于上行块左右两侧的保护时间。
4.如权利要求1所述的卫星移动通信的时分双工通信方法，其特征在于，所述超帧的宽度等于中间传输时延，所述超帧还包括一个填充域。
5.如权利要求1所述的卫星移动通信的时分双工通信方法，其特征在于，所述超帧的宽度小于中间传输时延，相邻两个超帧之间包括一个填充域。
6.如权利要求4或5所述的卫星移动通信的时分双工通信方法，其特征在于，所述填充域不包含任何信息内容，宽度小于两个时隙的宽度。
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