CN103427895A - 一种全域覆盖多波束卫星lte的下行发射端定时调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法。多颗卫星同时覆盖同一区域，每一个小区的定时调整包括如下步骤：以某一颗卫星作为参考基准，计算位于其他轨道卫星所发射信号与作为参考基准的卫星所发射信号到达共同覆盖地面小区中心点的时延差；根据时延差，分别对卫星发射端进行定时调整，使得不同卫星的发射信号同时到达地面小区中心点；设定调整时间间隔，对覆盖该小区的多颗卫星发射端的定时进行周期性调整。本发明为全域覆盖多波束卫星LTE系统提供一种下行发射端定时调整方法，为全域覆盖多波束卫星LTE系统实现同频组网创造必要条件。

Description

一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法

技术领域

本发明属于宽带无线通信技术领域，具体是一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法。

背景技术

卫星移动通信是实现在任何地点进行通信的必要手段之一。近年来，第四代（The Fourth Generation Mobile Communication Systems,4G）陆地蜂窝移动通信发展日趋成熟，以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）和同频组网等作为关键技术的第三代合作伙伴计划长期演进技术（The3^rd GenerationPartnership Project Long Term Evolution,3GPP-LTE）已经陆续投入商用。将具有高速率、大容量、高频谱效率、高功率效率等特点的陆地LTE（Terrestrial LTE,T-LTE）应用到卫星移动通信中，建立同频组网的多波束卫星LTE（Satellite LTE,S-LTE）移动通信系统是当前卫星移动通信领域研究的热点和难点。

同频组网的多波束S-LTE移动通信系统在卫星上采用大型天线阵列产生多个波束，到达地面后形成多个小区。多波束S-LTE采用多颗卫星（可能是不同类型的卫星）共同组网，从而实现全域覆盖。位于不同轨道卫星共同覆盖的地面小区中的终端，将接收到来自不同轨道卫星的发射信号，同一卫星的发射信号经过相同的衰落信道到达终端，不同轨道卫星的发射信号则经过不同的衰落信道到达终端，且不同轨道卫星的发射信号到达终端存在时延差，时延差可能超过保护间隔的长度。由于多波束S-LTE移动通信系统采用同频组网，若不同轨道卫星的发射信号到达同一小区内的地面接收端的时延差超过保护间隔长度，则不同轨道卫星的发射信号将互相干扰，无法有效地通信。

发明内容

发明目的：针对全域覆盖多波束S-LTE系统实现同频组网的必要条件，本发明提供了一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法，对全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整，使得不同轨道卫星的发射信号到达该小区内任何位置的时延差都小于保护间隔长度。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法，多颗卫星同时覆盖同一区域，每一个小区的定时调整包括如下步骤：

（1）以某一颗卫星作为参考基准，计算位于其他轨道卫星所发射信号与作为参考基准的卫星所发射信号到达共同覆盖地面小区中心点的时延差；

（2）根据时延差，分别对卫星发射端进行定时调整，使得不同卫星的发射信号同时到达地面小区中心点；

（3）设定调整时间间隔T_adj，对覆盖该小区的多颗卫星发射端的定时进行周期性调整。

所述步骤（1）中不同轨道卫星的发射信号与作为参考基准的卫星所发射信号到达共同覆盖地面小区中心点（简称“地面点”）的时延差的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_C=\frac{d-d_r}{c}$

式中，Δτ_C为所求的时延差；c为光的传播速度；d_r和d分别为作为参考基准的卫星和位于其他轨道卫星与地面小区中心点的距离。

所述的卫星到地面点的距离计算公式为：

$d=\sqrt{R_e^2+r^2-2R_{e}r\cos \mathrm{\ψ}}$

式中，d为卫星到地面点的距离；R_e为地球的平均赤道半径；r为卫星与地心之间的距离；ψ为地球中心角，其计算公式为：

其中，分别为地面点和卫星的经纬度。

在时刻t，所述的卫星的经纬度的计算公式为：

其中，λ₀为卫星所在轨道上升节点的经度；为节点线（即卫星轨道平面和赤道平面的交线）与卫星在时刻t的位置和地心连线之间的角度；T_e为地球轨道周期；t₀为卫星经过上升节点时刻；β为卫星轨道平面和赤道平面的夹角，正方向沿轨道平面向上。

所述步骤（2）的卫星发射端定时调整方法如下：

1）若Δτ_C＞0，即该卫星的发射信号比作为参考基准的卫星所发射信号落后到达共同覆盖地面小区中心点：则该卫星的发射信号需提前Δτ_C时间发射；

2）若Δτ_C＜0，即该卫星的发射信号比作为参考基准的卫星所发射信号先到达共同覆盖地面小区中心点：则该卫星的发射信号需延迟Δτ_C时间发射；

3）在地面端，测量地面小区中心点处来自不同轨道卫星的接收信号时延差，以确认发射端定时调整初步完成，若时延差不为零，即定时调整存在偏差，则通过地球控制站对卫星进行调整。

所述步骤（2）中第一次发射端定时调整完成后，须计算位于不同轨道卫星所发射信号到达小区边缘点的时延差，验证位于不同轨道卫星所发射信号到达该小区内任何位置的时延差都小于保护间隔长度T_g，若存在时延差超出保护间隔长度T_g，可通过缩小小区半径或延长保护间隔使得时延差小于保护间隔长度T_g。

所述步骤（3）中卫星发射端定时调整时间间隔T_adj的设定必须满足：T_adj小于定时调整时刻与调整后位于不同轨道卫星所发射信号到达小区内任意一点的时延差首次超出保护间隔长度T_g时刻之间的最小时间间隔。

卫星发射端定时调整时间间隔T_adj的设定中，所述的定时调整时刻与调整后位于不同轨道卫星所发射信号到达小区内任意一点的时延差首次超出保护间隔长度T_g时刻之间的最小时间间隔的计算方法如下：设t₁时刻完成卫星发射端定时调整，调整前不同轨道卫星的发射信号与作为参考基准的卫星所发射信号到达共同覆盖地面小区中心点的时延差为Δτ_C，t₂时刻位于不同轨道卫星所发射信号到达小区边缘的时延差首次超出保护间隔长度T_g，即Δτ=Δτ_C+T_g，其中Δτ是调整前t₂时刻位于不同轨道卫星所发射信号到达小区边缘的时延差。根据权利要求2所述的时延差计算公式、权利要求3所述的卫星到地面点距离计算公式以及权利要求4所述的时刻t卫星的经纬度

的计算公式，可求得时刻t₂的值，从而，调整时间间隔T_adj的设定必须满足：T_adj＜t₂-t₁。

有益效果：通过本发明所述的全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法，不同轨道卫星的发射信号到达该小区内任何位置的时延差都小于保护间隔长度，在同频组网下，不同轨道卫星的发射信号不会互相干扰，从而实现有效的通信。

附图说明

图1是本发明所述的一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法的卫星轨道的模型图。

图2是本发明所述的一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法所述具体实施例的模型图。

图3是本发明所述的一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法所述具体实施例中，t₁时刻卫星发射端定时调整完成后，GEO卫星和IGSO卫星的发射信号到达小区内不同位置的时延差Δξ的分布图。

图4是本发明所述的一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法所述具体实施例中，从t₁时刻运动2秒后，GEO卫星和IGSO卫星的发射信号到达小区内不同位置的时延差Δξ的分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一种全域覆盖多波束S-LTE的下行发射端定时调整方法，图1是卫星轨道的模型图，表示了描述轨道定位的参数。下面将以地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）卫星和倾斜地球静止同步轨道（IncliningGeostationary Synchronized Orbit,IGSO）卫星双星为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，图2为所述本例的模型图。假设GEO卫星的经纬度为：

IGSO卫星所在的轨道倾角β=55°；IGSO卫星轨道的上升节点所在的经度为：λ₀=30°；以IGSO卫星第一次经过轨道上升节点的时刻为基准（t₀＝0）；GEO卫星和IGSO卫星的共同覆盖小区半径R_c为111km，小区中心点的经纬度为：

（1）以GEO卫星作为参考卫星，计算t₁＝175秒时刻IGSO卫星的发射信号与GEO卫星的发射信号到达共同覆盖地面小区中心点的时延差Δτ_C，计算公式如下：

${\mathrm{\Δ\τ}}_C=\frac{d-d_r}{c}$    (公式0)

式中，c为光的传播速度；d_r和d分别为GEO卫星和IGSO卫星与地面小区中心点的距离，其计算公式如下：

$d=\sqrt{R_e^2+r^2-2R_{e}r\cos \mathrm{\ψ}}$    (公式0)

式中，R_e为地球的平均赤道半径；r为卫星与地心之间的距离；ψ为地球中心角，其计算公式为：

   (公式0)

式中，

分别为地面点和卫星的经纬度；在任意时刻t卫星的经纬度

的计算公式为：

   (公式0)

   (公式0)

其中，λ₀为卫星所在轨道上升节点的经度；

为节点线（卫星轨道平面和赤道平面的交线）与卫星在时刻t的位置和地心连线之间的角度；T_e为地球轨道周期；t₀为卫星经过上升节点时刻；β为卫星轨道平面和赤道平面的夹角，正方向沿轨道平面向上。

由(公式0)和(公式0)可求得：在t₁＝175秒时刻，IGSO卫星的经纬度为：

依据(公式0)至(公式0)可求得GEO卫星和IGSO卫星的发射信号到达共同覆盖的地面小区的小区中心点的时延差Δτ_C＝-1.4570×10^-4秒。

（2）以GEO为基准，根据计算得到的时延差Δτ_C，对IGSO卫星发射端进行定时调整，使得GEO和IGSO卫星的发射信号同时到达小区中心点。由于Δτ_C＜0，即IGSO卫星的发射信号比GEO卫星的发射信号先到达共同覆盖地面小区中心点：则IGSO卫星的发射信号需延迟Δτ_C时间发射。图3给出了t₁时刻卫星发射端定时调整完成后，GEO卫星和IGSO卫星的发射信号到达小区内不同位置的时延差Δξ的分布图。

根据(公式0)至(公式0)可求得定时调整后，GEO和IGSO卫星的发射信号到达该小区边缘的最大时延差约为：Δξ_max＝4.0865×10^-6秒。以保护间隔长度T_g＝5.2083×10^-6秒（每帧第一个时隙的第一个OFDM符号的循环前缀部分）为例，则GEO和IGSO卫星的发射信号到达小区内任意一点的时延差均小于保护间隔长度。

（3）设定卫星发射端定时调整时间间隔T_adj，按照上述步骤，对卫星发射端定时进行周期性的调整，T_adj必须小于定时调整时刻与调整后不同轨道卫星的发射信号到达小区内任意一点的时延差首次超出保护间隔时刻之间的最小时间间隔。按照(公式0)至(公式0)，可求得，t₂＝177秒时刻，GEO卫星和IGSO卫星的发射信号到达小区边缘的最大时延差约为：Δξ_max＝-5.7266×10^-6秒，超出了保护间隔长度T_g，因此，T_adj必须满足：T_adj＜2秒。图4给出了t＝177秒时刻，GEO卫星和IGSO卫星的发射信号到达小区内不同位置的时延差Δξ的分布图。

随着IGSO卫星在轨道上的运动，每次依据上述方法进行卫星发射端定时调整后，GEO和IGSO卫星的发射信号到达该小区的最大时延差在变化，通过计算可以求得，IGSO卫星从第一次经过轨道上升节点到走过13轨道这一过程中，定时调整后，GEO和IGSO卫星的发射信号到达该小区的最大时延差Δξ_max<4×10^-4秒。为了使定时调整后，GEO和IGSO卫星的发射信号到达该小区任意位置的时延差小于保护间隔T_g，可以将每帧的第一个时隙作为保护间隔，即：T_g＝5×10^-4秒。

Claims (7)

1.一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于，多颗卫星同时覆盖同一区域，包括如下步骤：

（1）以某一颗卫星作为参考基准，计算位于其他轨道卫星所发射信号与作为参考基准的卫星所发射信号到达共同覆盖地面小区中心点的时延差；

（2）根据时延差，分别对卫星发射端进行定时调整，使得不同卫星的发射信号同时到达地面小区中心点；

（3）设定调整时间间隔，对覆盖该小区的多颗卫星发射端的定时进行周期性调整。

2.根据权利要求1所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于：所述步骤（1）中不同轨道卫星的发射信号与作为参考基准的卫星所发射信号到达共同覆盖地面小区中心点的时延差的计算公式为：

${\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_C=\frac{d-d_r}{c}$

式中，Δτ_C为所求的时延差；c为光的传播速度；d_r和d分别为作为参考基准的卫星和位于其他轨道卫星与地面小区中心点的距离。

3.根据权利要求2所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于：所述的卫星到地面点距离计算公式为：

$d=\sqrt{R_e^2+r^2-2R_{e}r\cos \mathrm{\&psi;}}$

式中，d为卫星到地面点的距离；R_e为地球的平均赤道半径；r为卫星与地心之间的距离；ψ为地球中心角，其计算公式为：

其中，

分别为地面点和卫星的经纬度。

4.根据权利要求3所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于：在时刻t，所述的卫星的经纬度的计算公式为：

其中，λ₀为卫星所在轨道上升节点的经度；

为节点线与卫星在时刻t的位置和地心连线之间的角度；T_e为地球轨道周期；t₀为卫星经过上升节点时刻；β为卫星轨道平面和赤道平面的夹角，正方向沿轨道平面向上。

5.根据权利要求4所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于：所述步骤（2）中卫星发射端定时调整方法如下：

1）若Δτ_C＞0，即该卫星的发射信号比作为参考基准的卫星所发射信号落后到达共同覆盖地面小区中心点：则该卫星的发射信号需提前Δτ_C时间发射；

2）若Δτ_C＜0，即该卫星的发射信号比作为参考基准的卫星所发射信号先到达共同覆盖地面小区中心点：则该卫星的发射信号需延迟Δτ_C时间发射；

3）在地面端，测量地面小区中心点处来自不同轨道卫星的接收信号时延差，以确认发射端定时调整初步完成，若时延差不为零，即定时调整存在偏差，则通过地球控制站对卫星进行调整。

6.根据权利要求5所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于：所述步骤（2）中针对地面小区中心点的卫星发射端定时调整完成后，计算位于不同轨道卫星所发射信号到达小区边缘点的时延差，验证位于不同轨道卫星所发射信号到达该小区内任何位置的时延差都小于保护间隔长度T_g，若存在时延差超出保护间隔长度T_g，通过缩小小区半径或延长保护间隔使得时延差小于保护间隔长度T_g。

7.根据权利要求6所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的下行发射端定时调整方法，其特征在于：所述步骤（3）中卫星发射端定时调整时间间隔T_adj的设定必须满足：T_adj小于定时调整时刻与调整后位于不同轨道卫星所发射信号到达小区内任意一点的时延差首次超出保护间隔长度T_g时刻之间的最小时间间隔。

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