CN102064876B - 一种卫星用户终端时分双工通信方法 - Google Patents

一种卫星用户终端时分双工通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星用户终端时分双工通信方法，属于卫星通信技术领域。在所述方法中，卫星通过信号帧A向地面终端发送下行信号，地面终端通过信号帧B接收下行信号并向卫星发送上行信号，卫星通过信号帧C接收上行信号，其特征在于：信号帧A，B和C结构相同，各自包括至少一个下行时隙组和至少一个上行时隙组；信号帧A和C的起始时刻之间的时间差为τmean的2倍；且ΔtB-ΔtC＝2(τmean-τ)；其中ΔtB表示信号帧B向卫星发送上行信号的上行时隙组中，时隙组起点和上行信号发送点之间的时间间隔；ΔtC表示信号帧C接收上行信号的上行时隙组中，时隙组起点和上行信号接收点之间的时间间隔。本发明可用于卫星移动通信系统。

Description

一种卫星用户终端时分双工通信方法
技术领域
本发明涉及时分双工通信方法，尤其涉及一种卫星用户终端时分双工通信方法中的上行时隙指配方法，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，其子帧结构如图1所示。[3GPP TS 25.221V4.8.0(2005-06)“3rd GenerationPartnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network；Physical channelsand mapping of transport channels onto physical channels(TDD)(Release 4)”]。
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)，如图2所示。静止轨道卫星通信中采用TDD模式较为困难，因此相应的系统及技术研究并不多见。
[HULBERT，et al.，EU Patent EP 1698075B1，“A METHOD OF COMMUNICATIONIN A 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。但该文献的重点在于针对不同用户采用不同排列顺序时分复用上、下行时隙，保证本用户的收发时隙间隔较长而不发生交叠。
[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。此外，FDD/TDD模式不是指地面通信中的纯TDD模式，而是一种半频分半时分双工模式。
[Arif Ansari，et al.，“S-WiMAX：Adaptation of IEEE 802.16e for Mobile SatelliteServices，”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(实际上是半频分半时分双工模式)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倍的最大传输时延差)的解决方案，如图3所示。不过由于需要较大的保护时间间隔，造成了传输帧结构利用率的降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，为具有较长传输时延的卫星通信系统提供一种卫星用户终端时分双工通信方法，特别是其中的上行时隙指配方法，以达到对上行时隙的充分利用。
在本发明涉及到的卫星通信系统中，卫星到地面终端的传输时延一般较大，多为无线帧的数倍或十数倍。在地面移动通信系统中，无线帧(或称正常帧)通常为10ms左右的数量级，TD-SCDMA标准的子帧宽度只有5ms。
本发明需要涉及到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。一般来说，中间传输时延可以取最大传输时延和最小传输时延之间的任意值，但为方便起见通常取最大传输时延与最小传输时延的算术平均值，即τmean＝(τmax+τmin)/2；
本发明通过下列技术方案实现技术目的。
一种卫星用户终端时分双工通信方法，在所述方法中，如图6所示，卫星通过信号帧A向地面终端发送下行信号，地面终端通过信号帧B接收所述下行信号并向卫星发送上行信号，卫星通过信号帧C接收所述上行信号，所述信号帧A，B和C具有相同的结构，各自包括至少一个下行时隙组和至少一个上行时隙组；所述时隙组由至少一个时隙组成，时隙是最小的帧结构基本组成时间单元。
就卫星而言，卫星在信号帧A内采用下行时隙组发送下行信号(当然卫星也可同时在上行时隙组接收地面终端发送的上行信号，但不是必须)，同时卫星在信号帧C内采用上行时隙组接收地面终端发送的上行信号(当然卫星也可同时在下行时隙组发送下行信号，但不是必须)。
就地面终端而言，地面终端在信号帧B内的下行时隙组接收卫星发送的下行信号，同时在信号帧B内的上行时隙组发送上行信号。
上述方法还需满足以下两点：
1.信号帧A和C的起始时刻之间的时间差为平均传输时延τmean的2倍；
2.卫星波束范围内的各个地面终端在信号帧B的上行时隙组内发送上行信号的时间点满足ΔtB-ΔtC＝2(τmean-τ)，其中τmean表示卫星在波束覆盖范围内的平均传输时延；τ表示卫星和地面终端之间的传输时延；ΔtB表示信号帧B向卫星发送上行信号的上行时隙组中，时隙组起点和上行信号发送点之间的时间间隔；ΔtC表示信号帧C接收所述上行信号的上行时隙组中，时隙组起点和上行信号接收点之间的时间间隔。
上述等式的理由如下：
由于卫星波束范围内的各个地面终端与卫星之间存在不同的传输时延，因此对于地面终端在信号帧B的上行时隙组的某一时隙发送的上行信号，卫星并不能在信号帧C内对应上行时隙组的相应序号时隙内接收到该上行信号。为了保证卫星可以在信号帧C的上行时隙组内的某一时隙接收到上行信号，地面终端需要在信号帧B的上行时隙组内相对于相应序号时隙偏离一定的时间发送该上行信号。
如果地面终端到卫星的传输时延大于中间传输时延，则在相应的上行时隙组内，相对于信号帧C接收上行信号的时刻，信号帧B要超前2(τmean-τ)时间进行上行信号发送；
如果地面终端到卫星的传输时延小于中间传输时延，则在相应的上行时隙组内，相对于信号帧C接收上行信号的时刻，信号帧B要滞后2(τmean-τ)时间进行上行信号发送。
本发明针对具有较长传输时延的卫星通信系统，提供一种卫星用户终端时分双工通信方法，以达到对上行时隙的充分利用。这样可以在一定程度上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1.28Mcps选项(即TD-SCDMA)的帧结构示意图；
图2是卫星通信具有的大传输时延示意图；
图3是现有基于大保护间隔的时分双工上行信号同步方法示意图；
图4是卫星通信不同传输时延的示意图；
图5是实施例中时分双工通信信号帧结构示意图；
图6是本发明时分双工通信方法原理示意图；
图7是第一上行时隙组指配方法的原理示意图；
图8是第一上行时隙组指配方法的实例示意图。
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。
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)。
采用TD-SCDMA标准的子帧结构作为具体实施例进行说明，如图5所示。该子帧长度为5ms，在话音业务情形下相应的帧结构配置如下：第一个下行时隙组(TS0)，特殊时隙组(包括DwPTS、GP、UpPTS时隙)，第一个上行时隙组(TS1、TS2、TS3)，第二个下行时隙组(TS4、TS5、TS6)。其中业务时隙TS0-TS6的宽度都是0.675ms。
同样考虑话音业务为例，使用第一个上行时隙组(TS1-TS3)和第二个下行时隙组(TS4-TS6)，每个活跃用户只分配一个上行时隙和一个下行时隙，但每个时隙可以通过码分多址方式由多个用户共享。第一上行时隙组中，时隙TS1的起始时刻到TS3的起始时刻，以及时隙TS1的结束时刻到TS3的结束时刻，时间间隔都是1.35ms，因此卫星覆盖范围内到各终端的传输时延与中间传输时延之间的差值的2倍不能超过1.35ms。
图6显示了本发明时分双工通信原理的示意图，在图6的基础上，假设卫星到某一地面终端X的传输时延为134.5ms，则卫星侧的信号帧结构中第一个下行时隙TS0的起始时刻，与该地面用户终端X的帧结构中对应下行时隙TS0的起始时刻，之间的时间间隔是卫星到该终端的传输时延长度134.5ms。
卫星信号经过一个传输时延134.5ms之后到达地面用户终端X，而地面用户终端X接收到卫星下行时隙TS0中的信号之后，会根据需要在特殊时隙组之后的第一上行时隙组(TS1-TS3)中的特定位置发送上行信号。该上行信号再次经传输时延之后将落入卫星侧的对应上行时隙组(TS1-TS3)接收窗口。
图7给出了结合本具体实施例的用户终端上行时隙指配方法工作原理示意图。其核心思想是：对于传输时延小于中间传输时延的用户终端，尽可能把上行发送信号放在靠近第一上行时隙组的右侧(即TS3附近)位置，并使该上行发送信号在到达卫星时落入对应上行时隙组接收窗口的左侧时隙(即TS1)；对于传输时延大于中间传输时延的用户终端，尽可能把上行发送信号放在靠近第一上行时隙组的左侧(即TS1附近)位置，并使该上行发送信号在到达卫星时落入对应上行时隙组接收窗口的右侧时隙(即TS3)；而对于传输时延等于中间传输时延的用户终端，则可以根据系统需要和时隙容量，把上行发送信号放在第一上行时隙组的任意时隙(TS1、TS2、TS3)位置，并使该上行发送信号在到达卫星时落入对应上行时隙组接收窗口的同样时隙位置。
这样的交叉移位信道分配方法，可以不必如文献[Arif Ansari，et al.，“S-WiMAX：Adaptation of IEEE 802.16e for Mobile Satellite Services，”IEEE CommunicationsMagazine，Jun.2009]中那样要求额外的上行保护时间，因而可以提高帧结构的效率和时隙利用率。
图8是对上行时隙指配方法的更具体的描述示意。图8中，卫星到终端A具有中间传输时延；卫星到终端B具有比中间传输时延更短的传输时延，比如134.55ms，差值为0.45ms；卫星到终端C具有比中间传输时延更长的传输时延，比如135.45ms，差值也为0.45ms。
终端A可以选择任何一个上行时隙用于发送上行信号，为表述方便选取了TS2，到达卫星接收窗口时仍落入TS2时隙，终端A发送和卫星接收时间差值为中间传输时延135ms。
终端B因为传输时延短，所以指配卫星接收窗口的TS1作为该终端的上行业务时隙。相应地，终端B发送信号靠近第一上行时隙组的右侧位置，其起始时刻与最左侧上行时隙TS1起始时刻，之间的间隔为0.9ms，即中间传输时延与卫星到终端B传输时延的差值的2倍。终端B发送位置和卫星接收时隙TS1起始时刻之间的差值为卫星到终端B的传输时延134.55ms。
如果卫星接收窗口的TS1因为用户数量过大，则终端B上行发送信号无法进入TS1。在不影响所有终端在后一相邻的下行时隙组信号接收的前提下，可以安排终端B的上行发送信号进入卫星接收窗口的TS2、TS3。这样可以将终端B的上行信号发送时刻适当后移，从而向右越过上行时隙组中最右侧上行时隙TS3的起始时刻，落入TS4甚至TS5等相邻下行时隙中。
终端C因为传输时延长，所以指配卫星接收窗口的TS3作为该终端的上行业务时隙。相应地，终端C发送信号靠近第一上行时隙组的左侧位置，其起始时刻与最左侧上行时隙TS1起始时刻之间的间隔为0.45ms；在卫星侧的上行时隙组中，时隙组起点和接收时刻之间的时间间隔为1.35ms，两者相差0.9ms，即中间传输时延与卫星到终端B传输时延的差值的2倍。终端C发送位置和卫星接收时隙TS3起始时刻之间的差值为卫星到终端C的传输时延135.45ms。
如果卫星接收窗口的TS3因为用户数量过大，则终端C上行发送信号无法进入TS3。在不影响所有终端在前一相邻的特殊时隙组或第一下行信号时隙TS0的信号接收的前提下，可以安排终端C的上行发送信号进入卫星接收窗口的TS2、TS1。这样可以将终端C的上行信号发送时刻适当前移，从而向左越过上行时隙组中最左侧上行时隙TS1的起始时刻，落入特殊时隙组甚至TS0等相邻下行时隙中。
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 (7)

1.一种卫星用户终端时分双工通信方法，在所述方法中，卫星通过信号帧A向地面终端发送下行信号，地面终端通过信号帧B接收所述下行信号并向卫星发送上行信号，卫星通过信号帧C接收所述上行信号，其特征在于：
所述信号帧A，B和C具有相同的结构，各自包括至少一个下行时隙组和至少一个上行时隙组；所述时隙组由至少一个时隙组成；
所述信号帧A和C的起始时刻之间的时间差为τmean的2倍；且ΔtB-ΔtC=2(τmean-τ)；
其中：τmean=(τmax+τmin)/2，表示卫星在波束覆盖范围内卫星到终端或是终端到卫星的平均传输时延，τmax表示最大传输时延，τmin表示最小传输时延；
τ表示卫星和地面终端之间的传输时延；ΔtB表示信号帧B向卫星发送上行信号的上行时隙组中，时隙组起点和上行信号发送点之间的时间间隔；ΔtC表示信号帧C接收所述上行信号的上行时隙组中，时隙组起点和上行信号接收点之间的时间间隔。
2.如权利要求1所述的卫星用户终端时分双工通信方法，其特征在于，在所述时隙组中，每个时隙通过码分多址方式由多个用户共享。
3.如权利要求1所述的卫星用户终端时分双工通信方法，其特征在于，所述信号帧A，B和C各自由第一下行时隙组，特殊时隙组，第一上行时隙组和第二下行时隙组组成。
4.如权利要求3所述的卫星用户终端时分双工通信方法，其特征在于，所述第一下行时隙组由一个时隙组成。
5.如权利要求3所述的卫星用户终端时分双工通信方法，其特征在于，所述特殊时隙组由DwPTS，GP和UpPTS时隙组成。
6.如权利要求3所述的卫星用户终端时分双工通信方法，其特征在于，所述第一上行时隙由三个时隙组成。
7.如权利要求3所述的卫星用户终端时分双工通信方法，其特征在于，所述第二下行时隙由三个时隙组成。
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