CN103346829A - 兼容lte模式卫星通信初始随机接入两步时延测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，步骤为：在兼容LTE模式卫星通信系统中对小区按照时延值划分成几个子区，第一步随机接入时，用户终端发送上行随机接入信号经过传输时延到达卫星侧接收端；在第二步随机接入时，用户提前发送前导，提前的时间量为第一步测的第一往返时延差；根据第一往返时延差和第二往返时延差得到终端与卫星通信系统小区中心的第三往返时延差；根据第三往返时延差，测到当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差。本发明针对频分双工的卫星通信系统，解决了卫星通信中由于长时延差及多普勒频移等特性所带来的随机接入前导信号的错误检测，进而导致用户传输时延差无法正确估计的问题。

Description

兼容LTE模式卫星通信初始随机接入两步时延测量方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术，尤其涉及一种兼容LTE FDD模式的卫星通信系统中初始随机接入两步时延测量的方法，属于通信技术领域。
背景技术
初始随机接入是LTE模式地面移动通信系统中用户终端接入网络的初始步骤，而其中时延估计又是随机接入的核心技术。第4代地面移动通信标准LTE，均采用了ZC序列组成的前导进行初始随机接入。其中LTE标准的随机接入前导格式如图1所示。[3GPP TS36.211V8.8.0(2009-09)“3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio AccessNetwork;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels andModulation(Release8)”]。
在如图2所示卫星通信系统中，通常波束半径较大，而且各卫星用户终端之间存在较大的传输时延差，即使在波束覆盖半径为150公里的系统中，各用户终端之间的最大传输时延差也可能达到超过1ms左右。卫星通信的大时延差特性，直接导致了在卫星通信系统中采用像LTE模式的前导进行随机接入存在一定的难度。
[Francesco Bastia,et al.,“Research Article LTE Adaptation for Mobile Broadband SatelliteNetworks,”EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2009]分析了在卫星移动通信中采用LTE技术的适应性问题。在考虑LTE模式时分析了具有不同传输时延的地面终端在随机接入前导设计上的适应性问题，提出了不采用循环移位的解决方案。事实上，不采用循环移位，仍然不能解决由大时延差和多普勒频移带来的影响。
同样地，在兼容LTE模式的卫星通信系统中，直接在时域上扩长前导也是不可行的，必须考虑到多普勒频移的影响。换言之，若假定卫星波束范围内的最大往返传输时延差为τmax，将前导序列扩长为τmax，那么随机接入的子载波间隔为1/τmax，则可能由于多普勒频移的影响，在卫星侧接收信号检测的功率延时谱密度在τmax范围内出现2个峰值，因此不能正确的估计出用户的传输时延差。
进一步地，[Hee Wook Kim,et al.,“Applicability of Orthogonal Frequency Division MultipleAccess in Satellite Communication,”Proceedings of Vehicular Technology Conference,2011]结合卫星大时延差的特点，提出了将地面的前导序列在频域上拆分成几段，相应的映射到在时域上扩展成几段，这种方法解决了卫星大时延差的问题，但并未考虑到随机接入发送接收过程中以每个符号为单位进行傅里叶变换，使得接收机无法正确检测出前导序列。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，针对频分双工的卫星通信系统，提供一种初始随机接入两步时延测量的方法，以解决卫星通信中由于长时延差及多普勒频移等特性所带来的随机接入前导信号的错误检测，进而导致用户传输时延差无法正确估计的问题。
本发明技术方案如下：一种兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其步骤为：
1）在兼容LTE模式卫星通信系统中对小区按照时延值划分成几个子区，第一步随机接入时，用户终端发送前导序列经过传输时延到达卫星侧接收端；其中传输过程中前导序列的循环前缀持续时间为最大返回时延差+卫星小区最大时延扩展；保护间隔持续时间为最大返回时延差+卫星小区最大时延扩展；前导序列持续时间由4倍多普勒频移的倒数决定，并且为一个正常OFDM符号的整数倍时长；子载波间隔为前导序列持续时间的倒数；
2）接收端用一个接收机，一个持续时间不小于前导序列的长度的观察间隔，测得第一往返时延差；
3）在第二步随机接入时，用户提前发送前导，提前的时间量为第一步测的第一往返时延差；其中传输过程中前导序列的循环前缀持续时间为卫星小区最大时延扩展；保护间隔持续时间为最大往返时延差-卫星小区最大时延扩展-1个前导序列时长；前导序列持续时间和子载波间隔保持与第一步随机接入时相同；
4）接收端用多个接收机和每个观察间隔持续时间不小于前导序列的长度的多个观察间隔，测得第二往返时延差；
5）根据所述第一往返时延差和第二往返时延差得到终端与卫星通信系统小区中心的第三往返时延差；
6）根据所述第三往返时延差，测到当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差。
更进一步，通过往返时延差对小区进行分区，每个子区内用户间的往返时延差不大于前导序列。
更进一步，在卫星波束覆盖范围内所有用户终端在相差一个最大传输时延差范围内发送上行随机接入信号。
更进一步，第一步随机接入时的循环前缀持续时间的序列由多个重复前导序列组成。5.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，第一步随机接入时的观察间隔位置由距离卫星最近用户的前导序列到达卫星侧的时间测量得到。
更进一步，第二步随机接入时，通过克服最大多径时延扩展设置循环前缀的长度。
更进一步，第二步随机接入时，每个观察间隔的信号需分别做处理，每个观察窗的位置为每个子区内往返时延最小的用户的前导序列位置。
更进一步，两步时延测量方法适用于LEO，MEO,GEO中任意一种频分双工的卫星通信系统。
更进一步，用循环移位相关检测峰值测得的往返时延差。
更进一步，得到当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差后根据检测算法的正交性，确定用户所用的ZC序列。
本发明的有益效果
本发明中针对兼容LTE的卫星通信系统，提供了一种初始随机接入两步时延测量的方法，可以解决因卫星通信传输时延差及通过设置子载波间隔为卫星多普勒的4倍，解决多普勒频移所带来的随机接入信号到达卫星的峰值检测不准的问题，这对兼容LTE模式的卫星通信系统的具体实施是非常有利的。
附图说明
图1是LTE模式PRACH前导结构示意图；
图2是兼容LTE的卫星通信系统示意图；
图3是卫星通信具有的传输时延示意图；
图4是本发明的波束小区分圈示意图；
图5（a）是本发明的第一步随机接入发送接收信号示意图；
图5（b）是本发明的第二步随机接入发送接收信号示意图；
图6（a）是109个波束下第一步随机接入发送接收信号的实例图；
图6（b）是109个波束下第二步随机接入发送接收信号的实例图；
图7（a）是218个波束下第一步随机接入发送接收信号的实例图；
图7（b）是218个波束下第二步随机接入发送接收信号的实例图。
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。
图3示出了卫星通信系统中波束内不同传输时延的关系。其中的中间传输时延，定义为波束覆盖范围内的最大传输时延与最小传输时延的平均值，而最大传输时延与最小传输时延的差值即是最大传输时延差τmax/2。
下面具体说明本发明实现其技术目的所采用的技术方案。
一种兼容LTE模式的卫星通信初始随机接入两步时延测量的方法，其特征在于，把GEO卫星通信系统小区按照时延值（当前用户与卫星最近用户的时延差值）进行划分子区测量，在同一子区内用户时延差控制在一个前导序列持续时间内，划分子区测量相当于把一个特别大的时延差分成两块。这样第一步就针对每个子区内的时延差进行测量，第二步就对整个子区的时延差进行测量。比如整个小区时延差最大是2500us，按照时延差值400us，可以分成7个子区（标号为1～7），此时完全覆盖了。比如一个用户时延差是830us，那么肯定是第3个子区的，第一次测量得到该用户在本子区的时延差是30us。第二步测得此用户提前30us发送序列，那么类似时延差为800us，接收端观察时，将会在第3个观察窗口观察到序列，此时确认前面有2个400us，因此该用户的时延差为2x400+30=830us。
如图4所示。第一步测距确定一个不大于前导序列持续时间的时延差，第二步测距确定用户是属于哪个小区分圈。
其中第一步测距的特征在于，如图5（a）所示，CP的组成是前导序列的多次重复；前导序列时长的选择不是由覆盖性能决定，而是由用户移动速度引起的卫星多普勒频移决定；在第一步测距中只需要一个接收机即可以接收到全部的序列；只需一个观察窗，观察窗位置的设定是由波束小区内距离卫星最近的用户的前导序列到达卫星侧的时间决定的。
其中第二步测距的特征在于，如图5（b）所示，CP的时长只需满足克服最大多径时延扩展即可；GT的设置与卫星最大RTD有关；需要多个接收机，具体个数与小区划分子区有关，也就是与前导序列长度有关；需要多个观察窗，每个观察窗的位置就是每个子区内往返时延最小的用户的前导序列位置。
测量前提：在卫星波束覆盖范围内所有用户终端在相差一个最大传输时延差范围内发送上行随机接入信号；
第一步测量：上行随机接入信号经过传输时延到达卫星侧，卫星接收机在对应观察窗内接收所述上行随机接入信号，测量得到往返时延差（一种测量方法可以用循环移位相关检测峰值）（1），测量条件：在信号帧内某一位置发送上行随机接入信号；
循环前缀持续时间：为最大返回时延差+卫星小区最大时延扩展
CP的时长设置为了在观察间隔内能够接收到UE发送的完整序列，若不满足，则在观察间隔内观察不到完整的序列和受多径扩展后的序列，导致不能正确检测，并且在现有的GT长度条件下，会将本子帧的数据拖尾至下一子帧，引起干扰。CP的序列组成是由多次重复前导序列而得。
保护间隔持续时间：为最大返回时延差
GT的时长设置是为了保证随机接入帧的数据不会拖尾至下一子帧，否则会引起符号间干扰，从而无法保证随机接入和下一子帧的数据正确接收。
前导序列持续时间：由4倍多普勒频移的倒数决定，并且为一个正常OFDM符号的整数倍时长。前导序列持续时间由4倍多普勒频移的倒数决定-必须满足，这就是本方案用来对抗多普勒伪峰的方法。并且为一个正常OFDM符号的整数倍时长-必须满足，这个是为了时间上的采样与正常的其他OFDM符号兼容
前导序列是用于辨别不同的用户，其持续时间从传统的方法来说，受覆盖性能和往返时延差的影响，但是在本发明中，采用划分子区测量的方法，因此前导序列时长的设置与传统的不同，主要受多普勒的影响。
子载波间隔：为前导序列持续时需时间的倒数
接收机：1个
观察窗：1个，观察位置的设定是由波束小区内距离卫星最近的用户的前导序列到达卫星侧的时间决定的。
第二步测量：在终端上发送上行随机接入信号，卫星接收机在多个接收窗口内接收终端发送的上行随机信号，测量得到往返时延差（2），测量条件：在各自信号帧内专用于随机接入的资源上发送上行随机信号；
循环前缀持续时间：卫星小区最大时延扩展
第二步测量时发生的信号是提前了一个第一步测量得到时间，因此都会在整数个接收窗内接收到信号，不会拖到下一个接收窗，因此CP的设置只需克服多径时延扩展的影响，然而多径时延特别小，因此CP设置为卫星小区最大时延扩展引起的后续接收干扰可忽略不计。
保护间隔持续时间：最大往返时延差-卫星小区最大时延扩展-1个前导序列时长
此时GT的作用仍然是为了保证随机接入帧的数据不会拖尾至下一子帧，但是时长却是由卫星最大往返时延差等决定
前导序列持续时间：与第一步相同
子载波间隔：与第一步相同
接收机：多个，具体个数与小区划分子区有关，也就是与前导序列长度有关
观察窗：多个，每个观察窗的位置就是每个子区内往返时延最小的用户的前导序列位置
将所述往返时延差（1）+往返时延差（2）得到终端与卫星通信系统小区中心的往返时延差（3）；
根据所述往返时延差（3）的1/2，即得到当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差；可以根据检测算法的正交性，确定用户所用的ZC序列，对传输时延差进行验证。
设置随机接入的子载波间隔为4倍的GEO卫星最大多普勒频移，用于保证在卫星最大多普勒频移时，基站侧检测到的是2倍的卫星最大多普勒频移，此时基站侧的检测也是小于子载波间隔的1/2，这样由多普勒频移引起的前导序列循环移位基本可以忽略，因为伪峰小于真实峰值。
第一步随机接入时，循环前缀持续时间为max(RTDsatellite)+max(Delay spreadsatellite)，保护间隔持续时间为max(RTDsatellite)，前导序列持续时间为子载波间隔为
Figure BDA00003444314700062
用一个接收机，一个观察间隔，持续时间为TSEQ，测得的往返时延差为τfrac。
在进行第一步测量时，可以在一个观察间隔内观察到所有的数据，是因为CP够长。时延差带来的序列移位被CP填充了，若是多加几个观察间隔也可以观察到数据，但是没有必要，因为所以用户的数据都会在涵盖第一个观察间隔。
第二步随机接入时，用户提前发送前导，因为划分子区测量，所以第一次测得是当前用户对自己所在子区的最小传输时延用户的一个往返时延差。
提前的时间量为第一步测得的往返时延差，循环前缀持续时间为max(Delay spreadsatellite)，保护间隔持续时间为
Figure BDA00003444314700063
前导序列持续时间为
Figure BDA00003444314700064
子载波间隔为
Figure BDA00003444314700065
用
Figure BDA00003444314700066
个接收机和
Figure BDA00003444314700067
个观察间隔，每个观察间隔持续时间为TSEQ，测得往返时延差为τin，两步往返时延差之和即为所测用户与小区中心的时延差τ。
其中，max(RTDsatellite)为卫星小区最大往返时延差，max(Delay spreadsatellite)为卫星小区最大时延扩展，TOFDM为LTE一个OFDM符号长度持续时间。
下面通过原理说明对上述技术方案作进一步描述。
本发明基于下列设想而实现：
卫星波束覆盖范围内所有用户终端都在相差一个最大传输时延差范围内发送上行随机接入信号。
为此，对于具有一定传输时延的用户终端，在信号帧内的某一位置发送上行随机接入信号；该上行随机接入信号经过传输时延到达卫星侧时，卫星接收机在对应观察窗内接收上行随机接入信号。在卫星侧，检测到用户终端的随机信号对应于波束内最小传输时延有1个往返时延差。
对于具有不同传输时延的用户终端，在各自的信号帧内专用于随机接入的资源上发送上行随机接入信号；各个终端的上行随机信号到达卫星侧时，卫星接收机在一个接收窗内接收各个终端发送的上行随机信号，则该接收窗的宽度需满足下列条件：接收窗的长度需不小于前导序列的长度TSEQ。
针对兼容LTE模式的卫星通信系统：
(1)．第一步随机接入时，循环前缀持续时间为max(RTDsatellite)+max(Delay spreadsatellite)，保护间隔持续时间为max(RTDsatellite)，前导序列持续时间为
Figure BDA00003444314700071
子载波间隔为
Figure BDA00003444314700072
接收端用一个接收机，一个观察间隔，持续时间为TSEQ，发送接收信号如图5（a）所示。
(2)．第二步随机接入时，用户提前发送前导，提前的时间量为第一步测得的往返时延差，循环前缀持续时间为max(Delay spreadsatellite)，保护间隔持续时间为
Figure BDA00003444314700073
*TSEQ，前导序列持续时间为
Figure BDA00003444314700074
子载波间隔为
Figure BDA00003444314700075
接收端用个接收机和
Figure BDA00003444314700077
Figure BDA00003444314700078
个观察间隔，每个观察间隔持续时间为TSEQ，发送接收信号如图5（b）所示。
在下述实施例中，假定卫星采用109/208个波束进行覆盖，波束半径约为200/150公里，这样某一波束内的最大传输时延差可以达到1.2407/0.9306毫秒（ms）。频分双工的卫星通信系统，本发明提出的两步接入的方法适用于LEO，MEO,GEO系统，本实施例中以GEO卫星系统为例来计算。对于GEO卫星，350km/h对应的最大多普勒频移为fd=569Hz，又根据ITU1225模型，最大时延扩展max(Delay spreadsatellite)为250纳秒（ns）。
下述实施例中采用LTE标准的PRACH结构进行说明，PRACH前导序列是一个包含CP的OFDM符号，可以利用eNode B上高效的频域接收机。PRACH时隙包括循环前缀CP、序列SEQ、保护间隔GT三部分，其中CP和SEQ合起来称为前导，SEQ称为前导序列，具体结构如图1所示。实施例1
下面首先考虑109个波束覆盖方式下，两步随机接入的信号发送接收参数取值。
图6（a）示出了109个波束下第一步随机接入发送接收信号的实例图。此时，循环前缀持续时间TCP为波束小区最大往返时延差max(RTDsatellite)与最大时延扩展max(Delayspreadsatellite)之和1240.7×2+0.25=2484.65微秒（us），子载波间隔fRA,satellite为不小于2倍的卫星侧多普勒频移foff，即4倍的多普勒频移569×4=2276Hz，序列持续时间为子载波间隔的倒数，即小于1/2276=0.0004394ms，且序列持续时间需为正常OFDM符号时长66.67us的整数倍，因此序列持续时间TSEQ为400us，子载波间隔fRA,satellite为2500Hz，保护间隔持续时间TGT为等于波束小区最大往返时延差1240.7×2=2481.4us，接收端需1个接收机，1个观察间隔，观察间隔TOB为400us，PRACH时隙总长为5363.05us。
图6（b）示出了109个波束下第二步随机接入发送接收信号的实例图。此时，循环前缀持续时间TCP为波束小区最大时延扩展max(Delay spreadsatellite)0.25us，子载波间隔fRA,satellite为不小于2倍的卫星侧多普勒频移foff，即4倍的多普勒频移569×4=2276Hz，序列持续时间为子载波间隔的倒数，即小于1/2276=0.0004394ms，且序列持续时间需为正常OFDM符号时长66.67us的整数倍，因此序列持续时间TSEQ为400us，子载波间隔fRA,satellite为2500Hz，保护间隔持续时间TGT为不小于波束小区最大往返时延差与序列持续时间之差2481.4-400=2081.4us，且为序列持续时间的整数倍，即TGT为2400us。接收端需7个接收机，7个观察间隔，每个TOB为400us，PRACH时隙总长为2800.25us。
在第二步发送前导时，需在时域上提前一个第一步测得的往返时延差。最后将第一步和第二步测得的往返时延差求和，其1/2即为当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差。而且根据检测算法的正交性，可以唯一确定用户所用的ZC序列。
实施例2
下面考虑218个波束覆盖方式下，两步随机接入的信号发送接收参数取值。
图7（a）示出了218个波束下第一步随机接入发送接收信号的实例图。此时，循环前缀持续时间TCP为波束小区最大往返时延差max(RTDsatellite)与最大时延扩展max(Delayspreadsatellite)之和930.6×2+0.25=1861.45us，子载波间隔fRA,satellite为不小于2倍的卫星侧多普勒频移foff，即4倍的多普勒频移569×4=2276Hz，序列持续时间为子载波间隔的倒数，即小于1/2276=0.0004394ms，且序列持续时间需为正常OFDM符号时长66.67us的整数倍，因此序列持续时间TSEQ为400us，子载波间隔fRA,satellite为2500Hz，保护间隔持续时间TGT为等于波束小区最大往返时延差930.6×2=1861.2us，接收端需1个接收机，1个观察间隔，TOB为400us，PRACH时隙总长为4122.65us。
图7（b）示出了218个波束下第二步随机接入发送接收信号的实例图。此时，循环前缀持续时间TCP为波束小区最大时延扩展max(Delay spreadsatellite)0.25us，子载波间隔fRA,satellite为不小于2倍的卫星侧多普勒频移foff，即4倍的多普勒频移569×4=2276Hz，序列持续时间为子载波间隔的倒数，即小于1/2276=0.0004394ms，且序列持续时间需为正常OFDM符号时长66.67us的整数倍，因此序列持续时间TSEQ为400us，子载波间隔fRA,satellite为2500Hz，保护间隔持续时间TGT为不小于波束小区最大往返时延差与序列持续时间之差1861.2-400=1461.2us，且为序列持续时间的整数倍，即TGT为1600us。接收端需5个接收机，5个观察间隔，每个TOB为400us，PRACH时隙总长为2000.25us。
在第二步发送前导时，需在时域上提前一个第一步测得的往返时延差。最后将第一步和第二步测得的往返时延差求和，其1/2即为当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差。而且根据检测算法的正交性，可以唯一确定用户所用的ZC序列。
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)

1.一种兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其步骤为：
1）在兼容LTE模式卫星通信系统中对小区按照时延值划分成几个子区，第一步随机接入时，用户终端发送前导序列经过传输时延到达卫星侧接收端；其中传输过程中前导序列的循环前缀持续时间为最大返回时延差+卫星小区最大时延扩展；保护间隔持续时间为最大返回时延差+卫星小区最大时延扩展；前导序列持续时间由4倍多普勒频移的倒数决定，并且为一个正常OFDM符号的整数倍时长；子载波间隔为前导序列持续时间的倒数；
2）接收端用一个接收机，一个持续时间不小于前导序列的长度的观察间隔，测得第一往返时延差；
3）在第二步随机接入时，用户提前发送前导，提前的时间量为第一步测的第一往返时延差；其中传输过程中前导序列的循环前缀持续时间为卫星小区最大时延扩展；保护间隔持续时间为最大往返时延差-卫星小区最大时延扩展-1个前导序列时长；前导序列持续时间和子载波间隔保持与第一步随机接入时相同；
4）接收端用多个接收机和每个观察间隔持续时间不小于前导序列的长度的多个观察间隔，测得第二往返时延差；
5）根据所述第一往返时延差和第二往返时延差得到终端与卫星通信系统小区中心的第三往返时延差；
6）根据所述第三往返时延差，测到当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差。
2.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，通过往返时延差对小区进行分区，每个子区内用户间的往返时延差不大于前导序列。
3.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，在卫星波束覆盖范围内所有用户终端在相差一个最大传输时延差范围内发送上行随机接入信号。
4.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，第一步随机接入时的循环前缀持续时间的序列由多个重复前导序列组成。
5.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，第一步随机接入时的观察间隔位置由距离卫星最近用户的前导序列到达卫星侧的时间测量得到。
6.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，第二步随机接入时，通过克服最大多径时延扩展设置循环前缀的长度。
7.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，第二步随机接入时，每个观察间隔的信号需分别做处理，每个观察窗的位置为每个子区内往返时延最小的用户的前导序列位置。
8.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，两步时延测量方法适用于LEO，MEO,GEO中任意一种频分双工的卫星通信系统。
9.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，用循环移位相关检测峰值测得的往返时延差。
10.如权利要求1所述的兼容LTE模式卫星通信初始化随机接入两步时延测量方法，其特征在于，得到当前用户的相对于距离卫星最近用户的传输时延差后根据检测算法的正交性，确定用户所用的ZC序列。
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