CN102075230A - 基于双倍传输时延周期超帧结构的时分双工卫星通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双倍传输时延周期超帧结构的时分双工卫星通信方法，属于卫星通信技术领域。所述方法和现有技术的区别在于，用于卫星信号上下行的物理帧包括超帧，所述超帧由子超帧A和子超帧B组成；相邻两个超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延的两倍，子超帧A和子超帧B的起始点之间的时间差等于中间传输时延；子超帧A或子超帧B各自包括一个或多个正常帧和一个或零个短帧，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。本发明可用于卫星移动通信系统等领域。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术，尤其涉及卫星移动通信中一种基于双倍传输时延周期超帧结构的时分双工卫星通信方法，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，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3.84Mcps和1.28Mcps两种选项的物理帧结构如图1和图2所示。[3GPPTS 25.221V4.8.0(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)”]。
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)，如图3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。
[Wolfgang Kogler，et al.，“Timing Synchronization in MF-TDMA Systems for Geostationary 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TDMA上行信号定时同步调整方案。
[HULBERT，et al.，EU Patent EP 1 698 075B1，“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 International 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。不过，其FDD/TDD模式不是指地面通信中的纯TDD模式，而是一种混合模式。
[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。
本发明的申请人在前期提出的申请号为201010245058.4的发明专利申请已提出了一种面向时分双工卫星移动通信的物理帧构造方法，尤其是其中的基于传输时延周期的超帧划分方法，使得对第3代甚至是第4代的地面TDD模式移动通信标准的兼容变为可行。不过该方法并未包含所有其他的可以应用于TDD模式卫星移动通信的超帧组成方法。
发明内容：
本发明的目的是针对具有较长传输时延的卫星通信系统，提供一种更加普遍适用的支持时分双工(TDD)模式的卫星通信方法，该方法采用具有特定结构的无线空中接口物理超帧。
在本发明的卫星通信方法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。
和现有技术相同，在本发明的时分双工通信方法中，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。
和现有技术不同的地方在于，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。如图4所示，本发明所述的超帧由子超帧A和子超帧B组成；相邻两个所述超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延的两倍，所述子超帧A和子超帧B的起始点之间的时间差等于中间传输时延；所述子超帧A或子超帧B各自包括一个或多个正常帧和一个或零个短帧，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。
在一个优选的实施方案中，如图5所示，上行信号的超帧和下行信号的超帧的起始点之间的时间差可以等于中间传输时延，且上行信号和下行信号的超帧具有相同的结构，即都是“子超帧A-子超帧B”的结构，或者都是“子超帧B-子超帧A”的结构。
在另一个优选的实施方案中，如图6所示，上行信号的超帧和下行信号的超帧的起始点相同，在上行信号和下行信号的超帧中，其中一个具有子超帧A-子超帧B的结构，另一个具有子超帧B-子超帧A的结构。
就两个子超帧各自的结构而言，所述子超帧A和子超帧B可以具有相同的结构，也可以具有各自不同的结构。
优选地，所述子超帧A的宽度可以等于中间传输时延，则在此情况下，所述子超帧A还包括一个填充域，如图4所示；同样，所述子超帧B的宽度也可以等于中间传输时延，则在此情况下，所述子超帧B还包括一个填充域。
本发明所述的正常帧具有下列结构，其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。
本发明所述的短帧具有下列结构，其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。
本发明所述的填充域则不包含任何信息内容，其宽度小于两个时隙的宽度，用于补足超帧构造中因时间不足而无法继续增加正常帧或短帧的情况下的子超帧(或超帧)的长度；
本发明所述的时隙是本领域公知术语，它是正常帧和短帧结构中的基本信息传输时间单元。
本发明所述的中间传输时延是本领域公知术语，如图7所示：
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。
和现有技术相比，本发明的优势体现在：
本发明中针对卫星通信系统提出了一种基于双倍传输时延周期的物理超帧结构组成，同样可以使得卫星通信采用类似于地面通信的短小无线帧结构进行时分双工(TDD)模式通信，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是卫星通信大传输时延的示意图；
图4是基于双倍传输时延周期的超帧组成结构的一个具体实例；
图5是通信链路两端超帧结构及对应关系的一个实例；
图6是通信链路两端超帧结构及对应关系的另一个实例；
图7是是中间传输时延的示意图。
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。
在下述实施例中，卫星到终端的单程的中间传输时延为135毫秒(ms)。
本实施例的超帧组成结构方式如图4所示，该超帧由子超帧A和子超帧B组成，超帧长度定为270ms。子超帧A和B的长度都为135ms，各包括13个正常帧(帧号#0到帧号#12)、1个短帧和1个填充域。为示区别，子超帧A和子超帧B中的正常帧和短帧的组成时隙结构有所区别。
具体来说，子超帧A中的正常帧为10ms，包含10个时隙，每个时隙宽度为1ms，该正常帧的组成时隙顺序为3个上行时隙、3个下行时隙、2个上行时隙、2个下行时隙；短帧为4ms，包含4个时隙，每个时隙宽度为1ms，组成顺序为2个上行时隙和2个下行时隙；填充域为1ms，不包含任何信息内容，用于适应传输时延的变化。
子超帧B中的正常帧为10ms，包含10个时隙，每个时隙宽度为1ms，该正常帧的组成时隙顺序为4个上行时隙、6个下行时隙；短帧为4ms，包含4个时隙，每个时隙宽度为1ms，组成顺序为1个上行时隙和3个下行时隙；填充域为1ms，不包含任何信息内容。
尽管作为示例给出了不同的A、B子超帧组成结构，但事实上也可以采用完全相同的子超帧结构。
图5给出了卫星通信链路两端的一种超帧相互关系。如图所示，地面终端侧的超帧相对于卫星侧的超帧有一个传输时延长的偏移，也即地面终端侧的超帧起始时刻对应于卫星侧的超帧的中间时刻，反之也一样。
图6则给出了卫星通信链路两端的另一种超帧相互关系。如图所示，地面终端侧的超帧和卫星侧的超帧具有相同的起点。超帧在卫星侧的子超帧为A-B组合，而在地面终端侧的对应子超帧为B-A组合。卫星侧的第一个子超帧A和地面侧的第一个子超帧A之间有一个传输时延的交叉对应关系。当然，地面终端侧的子超帧组合也可以看作为A-B组合，只不过这时地面终端侧的超帧相对于卫星侧的超帧有一个传输时延长的偏移。上述两种理解方式尽管表述不同，但核心实际上是相同的。
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 (10)
1.一种时分双工通信方法，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，所述超帧由子超帧A和子超帧B组成；相邻两个所述超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延的两倍，所述子超帧A和子超帧B的起始点之间的时间差等于中间传输时延；
所述子超帧A或子超帧B各自包括一个或多个正常帧和一个或零个短帧，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所述的时分双工通信方法，其特征在于，上行信号的超帧和下行信号的超帧的起始点之间的时间差等于中间传输时延，且上行信号和下行信号的超帧具有相同的子超帧A-子超帧B或者子超帧B-子超帧A的结构。
3.如权利要求1所述的时分双工通信方法，其特征在于，上行信号的超帧和下行信号的超帧的起始点相同，在上行信号和下行信号的超帧中，其中一个具有子超帧A-子超帧B的结构，另一个具有子超帧B-子超帧A的结构。
4.如权利要求1所述的时分双工通信方法，其特征在于，所述子超帧A和子超帧B具有相同的结构。
5.如权利要求1所述的时分双工通信方法，其特征在于，所述子超帧A和子超帧B具有不同的结构。
6.如权利要求1所述的时分双工通信方法，其特征在于，所述子超帧A的宽度等于中间传输时延，所述子超帧A还包括一个填充域。
7.如权利要求1所述的时分双工通信方法，其特征在于，所述子超帧B的宽度等于中间传输时延，所述子超帧B还包括一个填充域。
8.如权利要求1-7任意一项所述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。
9.如权利要求1-7任意一项所述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。
10.如权利要求6或7所述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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