CN101951286B

CN101951286B - 一种基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法

Info

Publication number: CN101951286B
Application number: CN 201010249571
Authority: CN
Inventors: 栾西; 吴建军; 任术波; 徐晓燕; 程宇新
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN101951286A

Abstract

本发明公开了一种基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，属于卫星通信技术领域。所述上行信号包括无线帧，所述无线帧包括下行块和上行窗口，所述上行窗口包括上行块和宽度相等的第一和第二保护时间；将卫星波束覆盖范围分成中间传输时延区，大传输时延区和小传输时延区，所述三个时延区的时延依次在[τ_mean-Δ₂，τ_mean+Δ₁]，(τ_mean+Δ₁，τ_max]，和[τ_min，τ_mean-Δ₂)的范围内；Δ₁和Δ₂各自在(0，(τ_max-τ_min)/4]的范围内；在中间传输时延区，第一和第二保护时间分别位于上行块的两侧；在大传输时延区，第一和第二保护时间均位于上行块的右侧；在小传输时延区，第一和第二保护时间均位于上行块的左侧。本发明可用于卫星移动通信。

Description

一种基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法

技术领域

本发明涉及卫星通信中时分双工模式下的一种基于终端位置分区的上行信号对齐方法，属于卫星通信技术领域。

背景技术

第三代(3G)地面移动通信系统包括频分双工(FDD：Frequency Division Duplexing)和时分双工(TDD：Time Division Duplexing)两类体制，我国具有自主知识产权的TD-SCDMA标准即属于3G标准中基于TDD类型的通信体制。[3GPP TS 25.221V4.8.0(2005-06)“3rdGeneration Partnership Project；Technical Specification Group Radio AccessNetwork；Physical channels and mapping of transport channels onto physicalchannels(TDD)(Release 4)”]。

近期我国具有自主知识产权的TD-LTE-Advanced技术方案已成为了国际电信联盟(ITU-R)的4G通信技术候选方案之一，有望成为今后4G的国际技术标准。同样地，TD-LTE-Advanced方案也是基于TDD模式。

在地面移动通信系统中采用TDD双工模式，相比FDD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资源；(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，目前除铱系统外，绝大多数卫星通信系统均未考虑TDD双工方式，并且相关研究也较少。

[Wolfgang Kogler，et al.，“Timing Synchronization in MF-TDMA Systems forGeostationary Satellites，”IEEE Communications Magazine，Dec.2007]分析了静止轨道卫星(GEO)系统中多频时分多址(MF-TDMA)方式下，因大的传输时延引起的各终端所产生的时隙对齐问题，提出了高层和低层两种定时同步调整方案。

[HULBERT，et al.，EU Patent EP 1 698 075 B1，“A METHOD OF COMMUNICATION INA TIME DIVISION DUPLEX(TDD)SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM，”Jan.2008]公开了一种时分双工卫星通信系统的通信方法，以时隙为基本单位，考虑了卫星传输时延影响下的TDD双方的时隙对齐问题，提出了基于细小时隙的TDD方案。

[Rec.ITU-R M.1457-6，“Detailed specifications of the radio interfaces ofInternational Mobile Telecommunications-2000(IMT-2000)，”2006]描述了一种用于IMT-2000的FDD/TDD卫星通信的B类卫星无线接口W-C/TDMA标准，其帧结构是基于一种包含9个20ms帧的多帧结构。该文献中并未给出具体的帧结构细节，并且也未给出相应的传输时延影响的分析和设计。

[Arif Ansari，et al.，“S-WiMAX：Adaptation of IEEE 802.16e for MobileSatellite Services，”IEEE Communications Magazine，Jun.2009]分析了在卫星通信中采用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。但是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，也未针对卫星波束提出具体适应方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提出一种基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法。

本方法能够使时分双工卫星通信系统解决一个波束内传输延迟差不同的问题，为不同位置的终端信号提供一种上行信号对齐的解决方案，避免数据丢失。该方法适用于具有CDMA或OFDMA等信号形式的多卫星终端系统。

本发明涉及到卫星波束覆盖范围内的几种卫星与终端之间的传输时延的定义，如图1所示。

最大传输时延：卫星波束覆盖范围内卫星与具有最长路径的终端之间的传输时延；通常表示为τ_max；

最小传输时延：是卫星波束覆盖范围内卫星与具有最短路径的终端之间的传输时延；通常表示为τ_min；

中间传输时延：卫星波束覆盖范围内卫星与具有中间路径的终端之间的传输时延，该值大约是最大和最小传输时延的算术平均值，即τ_mean＝(τ_max+τ_min)/2；

最大传输时延差：最大传输时延与最小传输时延的差值，即τ_max-τ_min。

单边最大传输时延差：中间传输时延与最大或最小传输时延的差值，即(τ_max-τ_min)/2。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，所述方法包括：

卫星向地面终端发送下行信号，接收地面终端发送的上行信号，所述发送和接收在同一频率信道的不同时隙进行；

地面终端向卫星发送上行信号，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，

也就是说，卫星在某时隙向地面终端发送下行信号，必须在其他时隙接收地面终端发送的上行信号，终端在某时隙接收卫星发送的下行信号，必须在其他时隙向卫星发送上行信号，即卫星侧与终端侧的发送和接收都是在不同时隙进行的，但发送和接收可利用相同频率的信道，

和现有技术的区别在于，

所述上行信号包括无线帧，所述无线帧包括下行块和上行窗口，所述上行窗口包括上行块和宽度相等的第一和第二保护时间；

此外，在本发明方法中，根据终端所处区域的不同传输时延，将卫星波束覆盖范围分成三个波束子区域，即中间传输时延区，大传输时延区和小传输时延区：

a)中间传输时延区：一个卫星波束覆盖范围内，包含中间传输时延点的特定的波束子区域，其发送信号到达卫星的传输时延处于中间水平，具体来说，其传输时延在[τ_mean-Δ2，τ_mean+Δ₁]的范围内，因此，“τ_mean-Δ₂”和“τ_mean+Δ₁”是中间传输时延区的时延边界，具体的数值可以根据卫星与波束相对位置，切换频率等因素进行具体调整，不适合统一限定；

b)大传输时延区：一个卫星波束覆盖范围内，发送信号到达卫星的传输时延大于中间传输时延区的波束子区域，具体来说，其传输时延在(τ_mean+Δ₁，τ_max]的范围内；

c)小传输时延区：一个卫星波束覆盖范围内，发送信号到达卫星的传输时延小于中间传输时延区的波束子区域，具体来说，其传输时延在[τ_min，τ_mean-Δ₂)的范围内。

其中：τ_max表示最大传输时延，τ_min表示最小传输时延，τ_mean表示中间传输时延；Δ₁和Δ₂各自在(0，(τ_max-τ_min)/4]的范围内，相互之间既可以相同也可以不同。

当地面终端在中间传输时延区时，所述第一和第二保护时间分别位于上行块的两侧；在大传输时延区时，所述第一和第二保护时间均位于上行块的右侧；在小传输时延区时，所述第一和第二保护时间均位于上行块的左侧。

地面终端可通过测距或定位等方式，确定当前位置所处的波束子区域，然后按照上述规则采用相应的无线帧配置方式进行通信。

优选地，所述第一保护时间的宽度大于(τ_max-τ_min)/2。

优选地，Δ₁＝(τ_max-τ_min)/4，Δ₂＝(τ_max-τ_min)/4。

优选地，所述无线帧由15个时隙组成，其中下行块可以由7个时隙组成，上行块可以由6个时隙组成，则在此情况下，第一和第二保护时间各由1个时隙组成。

通过上述描述可知，在本发明方法中，地面终端的上行块发送时间以下行块的接收结束时间为基准。在一个无线帧内，当终端完整接收一个下行块后，立刻进入上行时间窗口，按照三种不同的无线帧配置进行发送，实现上行信号对齐。在本发明方法中，无线帧内的上行时隙并非在上行块窗口内连续滑动，并且上行块发送无绝对时间标准点，因此终端仅需基于本地接收的下行信号确定发送时间，而无需与卫星取得精确定时信息。所有处于不同位置的终端，各自上行信息起始发送的绝对时间点均不同。

附图说明

图1是卫星通信不同传输时延的示意图；

图2-4是本发明的时分双工无线帧的三种固定配置方式的示意图；

图5是本发明的卫星波束覆盖范围分区方式的示意图；

图6是本发明方法的原理示意图。

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。

考虑多波束天线系统中，一个最大传输时延差大约为1.3毫秒(ms)的典型卫星波束覆盖范围。

本发明所设置的三种无线帧配置结构如图2-4所示。为兼容现有3G标准，无线帧的总长度为10ms，分为15个时隙。其中上下行块的长度比例可调整，本实施例中规定，无线帧下行块长度约为4.67ms，即包含7个下行时隙；上行块长度约为5.33ms，包含6个连续上行时隙和2段星上对齐保护时间。假设波束内最大传输时延差为1.3ms，则单边最大传输时延差，也即每段星上对齐保护时间应不小于0.65ms，因此为每段星上对齐保护时间分配1个时隙数(1个时隙为0.67ms)。而对于图2-4三种无线帧配置，星上对齐保护时间所处的位置不同。

如图3所示，一个卫星波束覆盖范围可分为大传输时延区、小传输时延区及中间传输时延区三个波束子区域，分别对应图2-4三种无线帧配置。本实施例选取图3中所示的A、B、C、D、E五个特殊位置点说明该上行信号对齐过程的原理，如图4所示。

上行块发送时间基准点：要实现星上对齐保护，首先需要选择上行块的发送时间点。本发明的地面终端的上行块发送时间以下行块的接收结束时间为基准。任何位置的终端，在一个无线帧内，当其判断已完整接收一个下行块后，立刻进入上行时间窗口，按照三种不同的上行块结构进行发送。这样终端在发送时无需根据卫星时钟进行精确的时间校准。

C点：若终端定位在C点(即中间传输时延点)，由于该点处于中间传输时延区，采用图4的无线帧配置方式。卫星在初始发送下行块后，经过一次完整的上下行传输，C点的第一个上行块可对齐在两个超帧后的相同位置上行块内。由于星上对齐保护时间内无数据传输，因此允许往返共有1/2单边最大传输时延差，仍可保证上行信号在星上对齐，也即在中间传输时延区其他位置均可采用图2中(c)配置方式。

A点、E点：若终端分别定位在A点和E点，由于分别处于大传输时延区和小传输时延区，因此分别采用图2中(a)和(b)的无线帧配置。由于A点和E点相对C点而言，双向传输后分别滞后和提前了两倍的单边最大传输时延差值(即2X)。由于A和E点的两种无线帧配置中，星上对齐保护时间分别共同置于上行时隙之后和之前，而该保护时间内无数据传输，因此，虽然上行块在两个超帧之后到达卫星有2X的拖尾，但不会造成上行数据丢失。同时，由于A和E点分别是两个区的端点，因此具有最大和最小的传输时延，(a)和(b)配置可满足A和E点的对齐要求，则也可区内任意非最大和最小传输时延点的对齐要求。

B点、D点：若终端分别定位在B点和D点，同样分别采用图2中(a)和(b)的无线帧配置。与A点和E点相比，B点和D点双向传输的滞后与提前的传输时延只有一倍的单边最大传输时延差(即X)。因此B、C点之间的任一点，采用图2中(a)或(c)配置方式均可保证上行信号在星上对齐无丢失；D、C点之间的任一点，采用图2中(b)或(c)配置方式均可保证上行信号在星上对齐无丢失。因此当两条分界线Y₁和Y₂分别介于B和C，D和C之间时，越区切换不会存在干扰或数据丢失问题。

本发明提出了在一种时分双工方式的卫星通信系统中，基于位置分区的无线帧配置方式，以及相应的上行信号对齐方法。该方法是基于终端通过测距或定位等方式获取位置信息来实现的。该方法在为具有大传输时延的卫星通信系统采用时分双工方式提供了一种解决方案，一定程度上可为卫星通信系统与地面第三代或第四代地面移动通信技术相兼容提供依据。

以上虽然仅仅是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

1.一种基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，所述方法包括：卫星向地面终端发送下行信号，接收地面终端发送的上行信号，所述发送和接收在同一频率信道的不同时隙进行；地面终端向卫星发送上行信号，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，

将卫星波束覆盖范围分成中间传输时延区，大传输时延区和小传输时延区，所述三个时延区的时延依次在[τ_mean-Δ₂，τ_mean+Δ₁]，(τ_mean+Δ₁，τ_max]，和[τ_min，τ_mean-Δ₂)的范围内，其中τ_max表示最大传输时延，τ_min表示最小传输时延，τ_mean表示中间传输时延；Δ₁和Δ₂各自在(0，(τ_max-τ_min)/4]的范围内；所述中间传输时延是卫星波覆盖范围内卫星到地面终端的最大传输时延和最小传输时延的算术平均值；所述Δ₁表示中间传输时延区和大传输时延区分界线上的时延与中间传输时延的差值；所述Δ₂表示中间传输时延与中间传输时延区和小传输时延区分界线上的时延的差值；

在中间传输时延区，所述第一和第二保护时间分别位于上行块的两侧；

在大传输时延区，所述第一和第二保护时间均位于上行块的右侧；

在小传输时延区，所述第一和第二保护时间均位于上行块的左侧。

2.如权利要求1所述的基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，其特征在于，所述第一保护时间的宽度大于(τ_max-τ_min)/2。

3.如权利要求1所述的基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，其特征在于，Δ₁=(τ_max-τ_min)/4。

4.如权利要求1所述的基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，其特征在于，Δ₂=(τ_max-τ_min)/4。

5.如权利要求1所述的基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，其特征在于，所述无线帧由15个时隙组成。

6.如权利要求5所述的基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，其特征在于，所述下行块由7个时隙组成。

7.如权利要求6所述的基于位置分区的时分双工卫星通信上行信号对齐方法，其特征在于，所述上行块由6个时隙组成，所述第一和第二保护时间各由1个时隙组成。