CN101980457B

CN101980457B - 自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法

Info

Publication number: CN101980457B
Application number: CN 201010515961
Authority: CN
Inventors: 任术波; 吴建军; 栾西; 徐晓燕; 程宇新
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN101980457A

Abstract

本发明公开了一种自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，属于卫星通信技术领域。在本发明的方法中，用于卫星信号上下行的物理帧包括超帧；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波束自适应子区域的中间传输时延；正常帧由多个时隙组成；短帧由一个或多个时隙组成，短帧的宽度小于正常帧的宽度；所述波束自适应子区域是以卫星波束覆盖范围内包括所有激活用户的最小圆，当所述波束自适应子区域变化时，卫星向终端发送超帧调整信息，在连续的下一帧中，卫星和终端均根据所述调整信息对超帧进行调整。本发明可用于卫星移动通信。

Description

自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通信中一种时分双工模式空中无线接口的自适应物理帧结构调整方法，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，其中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[3GPP TS 25.221 V4.8.0(2005-06)“3rd Generation Partnership Project；TechnicalSpecification Group Radio Access Network；Physical channels and mapping of transportchannels onto physical channels(TDD)(Release 4)”]。

近期ITU将公布最终的第四代(4G)地面移动通信标准的评选结果，我国具有自主知识产权的TD-LTE-Advanced技术方案已成为了国际电信联盟4G通信技术的候选方案之一，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，相比较频分双工模式(FDD：FrequencyDivision 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[Stephen R.Pratt，et al.，“AN OPERATIONAL AND PERFORMANCE OVERVIEW OF THE IRIDIUM LOWEARTH 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。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。

[Thomas Peter Emmons，et al.，US Patent 6,411,609 B1，“System and method for providingdual satellite communications coverage，”Jun.25，2002]公开了一种基于TDD模式的卫星通信系统(即Iridium系统)帧内收、发时隙的排列结构，及其一系列变型方式。

[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 of InternationalMobile 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 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。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术问题，提出一种基于卫星波束覆盖范围内各用户位置的物理帧结构自适应调整方法，使时分双工的卫星通信方法可以在克服卫星大传输时延的前提下，尽可能地提高系统的传输效率，同时保证系统自适应调整前后的传输可靠性。本发明同样可以用于具有CDMA或OFDMA等典型信号形式的卫星通信系统中。

本发明将一个卫星波束覆盖范围内包括所有激活用户的最小圆称为一个波束自适应子区域。波束自适应子区域的变化由卫星波束覆盖范围内激活用户的数目和位置变化引起：当初始波束自适应子区域边界外增加了新的激活用户，或边界上的激活用户向子区域外的方向移动时，波束自适应子区域扩大，如图2(a)所示；当初始波束自适应子区域边界上的激活用户消失，或向子区域内的方向移动时，波束自适应子区域缩小，如图2(b)所示；当初始波束自适应子区域边界上的激活用户位置不发生变化时，波束自适应子区域不变。

在一个波束自适应子区域中，卫星到终端(或相反)具有最长路径时的传输时延称为最大传输时延，通常表示为τ_max；相应地，卫星到终端(或相反)具有最短路径时的传输时延称为最小传输时延，通常表示为τ_min；如图2所示。

波束自适应子区域在圆心处的传输时延则称为中间传输时延，它在数值上和最大传输时延和最小传输时延的算术平均值非常接近，可近似认为τ_mean＝(τ_max+τ_min)/2，其中τ_mean表示中间传输时延；

另外，最大传输时延与最小传输时延的差值称为最大传输时延差。

可以理解，波束自适应子区域的变化会导致子区域的中间传输时延和/或最大传输时延差的变化。

根据本发明的目的，本发明旨在提出一种时分双工的卫星通信方法，该方法能够自适应调整波束自适应子区域中的用户变化。

所述时分双工的卫星通信方法包括：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；用于卫星信号上下行的物理帧包括超帧(图3给出了超帧的一个实例)，它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波束自适应子区域的中间传输时延，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。

所述时隙是物理帧结构中的基本(最小)信息传输单元。

进一步，所述正常帧(图4给出了正常帧的一个实例)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。

所述短帧(图5给出了短帧的两个实例)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。

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(如图3所示)，超帧还包括一个填充域；就后者而言(如图6所示)，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。

当波束自适应子区域变化时，卫星向终端发送超帧调整信息，在连续的下一帧中，卫星和终端均根据所述调整信息对超帧进行调整；

一方面，当波束自适应子区域的中间传输时延变化时，超帧按下列方式进行调整：当中间传输时延变化超过一个正常帧长度时，调整正常帧的数量和短帧长度，使相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于变化后的中间传输时延；当中间传输时延变化小于一个正常帧长度时，仅调整短帧的长度，使相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于变化后的中间传输时延；

另一方面，当波束自适应子区域的最大传输时延差变化时，调整正常帧的上行窗口的保护时间，使保护时间等于变化后的最大传输时延差；

第三方面，当波束自适应子区域的中间传输时延和最大传输时延差同时变化时，则按上述两个方面同时进行调整。这也是实际当中最常见的情况。

和现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明针对时分双工的卫星通信系统提出的一种自适应物理帧结构调整方法，该方法能够使卫星通信系统在克服卫星大传输时延的前提下，尽可能的提高系统的传输效率，同时保证自适应调整前后的传输可靠性，这非常有利于提高时分双工的卫星通信系统速率和业务能力。

附图说明：

图1表示波束自适应子区域变化示意图，图中：大圆表示卫星波束覆盖范围，小圆表示波束自适应子区域，A、B、C表示激活用户(终端)；

图2表示三种传输时延的示意图；

图3表示超帧结构的一个实例，其中，超帧长度等于中间传输时延等于135毫秒，超帧由13个正常帧，1个短帧和1个填充域组成，它们的长度分别为10毫秒，4.67毫秒和0.33毫秒；

图4表示正常帧结构的一个实例，其中下行块由5个下行时隙组成，上行窗口由上行块和上行块两侧的保护时间组成，上行块由5个上行时隙组成；

图5表示短帧结构的两个实例，其中图5(a)表示短帧仅由下行块(由下行时隙0-6组成)组成的实例，图5(b)表示短帧由一个下行块和一个上行窗口组成的实例；

图6表示超帧结构的另一实例，其中，超帧长度小于中间传输时延，等于134.82毫秒，超帧由13个正常帧和1个短帧组成，两个相邻的超帧之间包括1个填充域；

图7表示超帧中的短帧长度自适应变化的两个实例；

图8表示超帧中的保护时间长度自适应变化的两个实例。

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。

本发明实施例涉及的超帧结构如图3所示，一个超帧的长度等于相邻超帧的间距，等于中间传输时延(135毫秒)；一个超帧由13个正常帧，1个短帧和1个填充域组成，它们的长度分别为10毫秒，4.67毫秒和0.33毫秒。此外，正常帧的结构如图4所示，短帧的结构如图5(a)所示。

当用户发生变化，如图1(a)所示，初始波束自适应子区域边界外增加了新的激活用户C，或者边界上的激活用户B向子区域外的方向移动时，则波束自适应子区域扩大，此时波束自适应子区域的中间传输时延和最大传输时延差通常会发生变化。

实施例1-中间传输时延变大

在本实施例中，中间传输时延变大，且中间传输时延变化小于一个正常帧的长度，则扩大短帧的长度使超帧长度扩大并等于变大后的中间传输时延，如图7(a)所示：

(1)卫星在第i超帧时隙内向终端发送“超帧长度扩大”的调整信息，但本身并不调整超帧结构，因此卫星超帧长度保持不变；

(2)终端在第i+1超帧接收到超帧长度扩大调整信息，并随即相应改变第i+1超帧的短帧长度，使超帧的长度等于变大后的中间传输时延，自适应完成终端侧的超帧扩大调整。

(3)卫星也在第i+1超帧相应增加短帧长度，使超帧的长度等于变大后的中间传输时延，完成本次过渡调整。

实施例2-中间传输时延变大

在本实施例中，中间传输时延变大，且中间传输时延变化大于一个正常帧的长度，则增加一个正常帧并在必要时扩大短帧的长度使超帧长度等于变大后的中间传输时延，如图7(b)所示：

(2)终端在第i+1超帧接收到超帧长度扩大调整信息，并随即相应增加一个正常帧并扩大短帧长度，使超帧的长度等于变大后的中间传输时延，自适应完成终端侧的超帧扩大调整。

上述实施例1和2描述了中间传输时延扩大的情况，相应的，中间传输时延缩小的情况也类似，通过正常帧的数量和/或短帧的长度来对整个超帧的长度进行调整。

实施例3-最大传输时延差增大

在本实施例中，最大传输时延差变大，则增大正常帧中的保护时间，使保护时间等于变化后的最大传输时延差，如图8(a)所示：

(1)卫星在第i超帧时隙内向终端发送“保护时间扩大”的调整信息，但其自身的第i超帧暂时保持不变；

(2)终端在第i+1超帧接收到保护时间扩大的调整信息，并随即相应扩大第i+1超帧的保护时间，使保护时间等于变化后的最大传输时延差，自适应完成终端侧的保护时间扩大调整。

(3)卫星也在第i+1超帧相应增加保护时间长度，使保护时间等于变化后的最大传输时延差，完成本次过渡调整。

实施例4-最大传输时延差缩小

在本实施例中，最大传输时延差变小，则缩小正常帧中的保护时间，使保护时间等于

变化后的最大传输时延差，如图8(b)所示：

(1)卫星在第i超帧时隙内向终端发送“保护时间缩小”的调整信息，但其自身的第i超帧暂时保持不变；

(2)终端在第i+1超帧接收到保护时间缩小的调整信息，并随即相应缩小第i+1超帧的保护时间，使保护时间等于变化后的最大传输时延差，自适应完成终端侧的保护时间扩大调整。

(3)卫星也在第i+1超帧相应缩小保护时间长度，使保护时间等于变化后的最大传输时延差，完成本次过渡调整。

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.自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，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，

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，还包括一个短帧，相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于波束自适应子区域的中间传输时延，所述波束自适应子区域在圆心处的传输时延为中间传输时延；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；

在一个波束自适应子区域中，卫星到终端具有最长路径时的传输时延称为最大传输时延，卫星到终端具有最短路径时的传输时延称为最小传输时延；所述最大传输时延与所述最小传输时延的差值为最大传输时延差；

以卫星波束覆盖范围内包括所有激活用户的最小圆作为波束自适应子区域，当所述波束自适应子区域变化时，卫星向终端发送超帧调整信息，在连续的下一帧中，卫星和终端均根据所述调整信息对超帧进行调整；

当波束自适应子区域的中间传输时延变化时，超帧按下列方式进行调整：

当中间传输时延变化超过一个正常帧长度时，调整正常帧的数量和短帧长度，使相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于变化后的中间传输时延；

当中间传输时延变化小于一个正常帧长度时，仅调整短帧的长度，使相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于变化后的中间传输时延。

2.如权利要求1所述的自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，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所述的自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，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，所述短帧或者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。

4.如权利要求2所述的自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，其特征在于，当波束自适应子区域的最大传输时延差变化时，调整所述正常帧的上行窗口的保护时间，使保护时间等于变化后的最大传输时延差。

5.如权利要求1所述的自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，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。

6.如权利要求1所述的自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，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。

7.如权利要求5或6所述的自适应调整物理帧结构的时分双工卫星通信方法，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。