CN108135029A - 一种应用于高速移动通信的方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于高速移动通信的方法、装置及系统，其中方法包括以下步骤：在用户终端设备（UE）上正常发射上行数据PUSCH/PUCCH/SRS，记录当前时刻T0，其中PUSCH表示上行控制信道，PUCCH表示上行共享信道，表示SRS上行参考信号；基站根据上行数据计算得到TA0，并通知所述用户终端设备；计算得到最终的TA值TA2；根据所述TA2获得最终的T2时刻的时间同步调整量，并依此对上行数据进行发射。本发明基于机载终端相对于基站的移动距离进行计算，修正基站下发的不准确的TA，从而解决LTE系统在ATG网络中由于高速移动带来的TA估计不准确的问题，提高了LTE ATG系统的性能。

Description

一种应用于高速移动通信的方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及移动通信的技术领域，特别是一种应用于高速移动通信的方法、装置及系统。

背景技术

LTE即Long Term Evolution(分时长期演进)，是第四代(4G)移动通信技术与标准之一，其技术优势体现在速率、时延和频谱利用率等多个领域，使得运营商能够在有限的频谱带宽资源上具备更强大的业务提供能力，而这正是全球移动通信产业孜孜以求的目标所在。

另一方面，随着用户数据业务需求的不断发展，在民航飞机上提供数据业务接入和服务的需求越来越迫切。由于卫星通信的高成本和容量限制，通过地面部署基站对空覆盖的ATG(Air To Ground)地空通信系统是民航数据业务的高效理想解决方案。实际上目前世界上已经有了基于2G/3G的ATG系统成功的部署和运营。随着LTE技术和产业链的发展，LTE逐渐成为移动宽带时代的主力军，其业务和应用也应当拓展到更多领域，比如对空覆盖的ATG场景。

传统的LTE系统中，上行的时间同步信息(时间提前量TA)由基站基于上行信号进行测量，并告知终端，终端从网络侧接收TA命令，调整上行PUCCH/PUSCH/SRS的发射时间，目的是为了消除UE之间不同的传输时延，使得不同UE的上行信号到达eNodeB的时间对齐，保证上行用户间的正交性，降低小区内干扰。

但在上述过程中存在一定的时延，在常规的LTE系统应用时终端基本无高速移动需求，因此可以保证在此时延内时间同步信息基本保证不变。但对于航线覆盖等高速移动场景，上述时延可能会对TA的精度产生影响，如果TA误差到一定程度，基站就无法解调终端发送的信号，从而导致严重的后果，如通信中断并且短时间内无法恢复通信。

公开号为CN102412886A的发明专利申请公开了一种通用航空通信系统及方法，通用航空通信系统包括：地面移动通信网络，所述地面移动通信网络包括：基站、移动交换中心和移动通信骨干网，其中所述基站上安装有水平天线和垂直天线；机载终端，所述机载终端设置在通用航空飞机上，用于通过所述基站接入所述地面移动通信网络；以及通用航空移动信息服务中心，所述通用航空移动信息服务中心与所述地面移动通信网络相连，且通过所述基站与所述机载终端通信，以向所述通用航空飞机提供服务。该系统直接把现有地面移动通信系统应用于空中，局限于3000米以下低空通用飞行器，未针对高速移动做特殊处理，实际的速率体验就跟手机在高铁上的体验类似，不稳定，断断续续，是无法应用于高速移动的场景的。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出一种应用于高速移动通信的方法、装置及系统，通过修正基站侧反馈的时间提前量TA，从而保障在高速运行中终端和基站之间可以进行稳定的通信。

本发明的第一目的是提供一种应用于高速移动通信的方法，包括以下步骤：

步骤1：在用户终端设备(UE)上正常发射上行数据PUSCH/PUCCH/SRS，记录当前时刻T0，其中PUSCH表示上行控制信道，PUCCH表示上行共享信道，表示SRS上行参考信号；

步骤2：基站根据上行数据计算得到TA0，并通知所述用户终端设备；

步骤3：计算得到最终的TA值TA2；

步骤4：根据所述TA2获得最终的T2时刻的时间同步调整量，并依此对上行数据进行发射。

优选的是，所述步骤3包括设定所述用户终端设备获得的TA通知时刻为T1，设定其应用此TA的上行发放时刻为T2，得到时间差ΔT＝T2-T0。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤3还包括根据在所述ΔT时刻内终端的移动距离及其移动方向计算得到所述TA2。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括以下子步骤：

步骤31：计算在ΔT时间内的移动距离ΔD＝S×ΔT，其中S表示飞行速度；

步骤32：计算所述TA0对应的视距距离D0＝F(TA0)；

步骤33：计算在所述T2时刻到基站的水平距离，公式为：

其中H表示初始时(T0)终端与基站之间的水平距离；

步骤34：计算在所述T2时刻到基站的视距距离其中，V为飞行高度；

步骤35：计算所述D2对应的所述TA的值，TA2＝G(D2)。

本发明的第二目的是提供一种应用于高速移动通信的装置，包括天线和光线，还包括以下单元：

基带单元：用于使用上述方法进行通信计算；

射频单元：用于实现数字中频处理、功率放大器、双工器或滤波器和接收低噪声放大器中至少一种。

优选的是，所述基带单元用于实现机载终端设备的上层协议及信令处理、用户面数据处理、基带功能处理和本地操作维护功能中至少一种。

所述基带单元还用于通过CPRI或者其他接口协议，将基带IQ信号承载在光纤上传递到远端的射频单元。

在上述任一方案中优选的是，所述基带单元包括内存(DDR)、处理器(DSP/ARM)、可编程硬件(FPGA)和光电转换器。

在上述任一方案中优选的是，所述数字中频处理包括可能的削峰和数字预畸变中至少一种。

在上述任一方案中优选的是，所述射频单元通过SMA、SMB和其他天线接口中至少一种连接所述机载天线。

在上述任一方案中优选的是，所述射频单元和所述基带单元通过所述光纤相连。

本发明的第三目的是提供一种应用于高速移动通信的系统，包括信息采集单元，还包括以下模块：

应用于高速移动通信的装置、服务器和飞机总线数据采集接口。

优选的是，所述信息采集单元用于采集行进过程中的各项数据。

在上述任一方案中优选的是，所述系统还包括视频监控单元。

在上述任一方案中优选的是，所述视频监控单元用于采集IP视频流。

在上述任一方案中优选的是，所述服务器具有接收所述信息采集单元和所述视频监控单元中至少一个模块发送过来的数据的功能

在上述任一方案中优选的是，所述服务器还具有通过所述应用于高速移动通信的装置向基站发送信息或数据的功能。

本发明提出了一种应用于高速移动通信的方法、装置及系统，基于机载终端相对于基站的移动距离进行计算，修正基站下发的不准确的TA，从而解决LTE系统在ATG网络中由于高速移动带来的TA估计不准确的问题，提高了LTE ATG系统的性能。

附图说明

图1为按照本发明的应用于高速移动通信的方法的一优选实施例的流程图。

图1A为按照本发明的应用于高速移动通信的方法的如图1所示实施例的TA值计算方法流程图。

图1B为按照本发明的应用于高速移动通信的方法的如图1所示实施例的数据展示图。

图2为按照本发明的应用于高速移动通信的装置的一优选实施例的模块图。

图3为按照本发明的应用于高速移动通信的装置的在飞机上的一实施例的模块安装示意图。

图4为按照本发明的应用于高速移动通信的系统的一优选实施例的模块图。

图5为按照本发明的应用于高速移动通信的装置的TA的一实施例的原理图。

图6为按照本发明的应用于高速移动通信的装置的在高铁上的一实施例的安装示意图。

图7为按照本发明的应用于高速移动通信的装置的另一优选实施例的模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

缩略语

LTE：Long Term Evolution，是第四代(4G)移动通信技术与标准之一

ATG：Air To Ground，通过地面部署基站实现对空覆盖的通信系统

UE：User Equipment，用户终端设备

TA：Timing Advance，时间提前量

eNodeB：Evolved Node B，LTE的基站设备

PUCCH：Physical Uplink Control Channel,上行控制信道

PUSCH：Physical Uplink Shared Channel,上行共享信道

SRS：Sounding Reference Signal,上行参考信号

实施例一

LTE通信标准里面，TA和距离有对应关系，分别以距离D＝F(TA)，TA＝G(D)表示。

如图1所示，执行步骤100，UE正常发射上行数据PUSCH/PUCCH/SRS，记录当前时刻T0。执行步骤110，基站根据上行数据计算得到TA0，并通知终端。执行步骤120，终端获得的TA通知的时刻为T1，而其应用此TA的上行发射时刻为T2,则得到时间差ΔT＝T2-T0；根据在ΔT时刻内终端的移动距离及其移动方向，计算得到最终的TA值TA2。步骤120包括以下子步骤，(如图1A所示)：执行步骤121，计算在ΔT时间内的移动距离ΔD＝S×ΔT，其中S表示飞行速度。执行步骤122，计算所述TA0对应的视距距离D0＝F(TA0)。执行步骤123，计算在所述T2时刻到基站的水平距离，公式为：其中H表示初始时(T0)终端与基站之间的水平距离。执行步骤124，计算在所述T2时刻到基站的视距距离执行步骤125，计算所述D2对应的所述TA的值，TA2＝G(D2)。

执行步骤130，根据上述步骤获得的TA2，获得最终的T2时刻的时间同步调整量，并依此对上行数据进行发射。

如图1B所示，H表示初始时(T0)终端与基站之间的水平距离，T0为当前时刻，T2为应用此TA的上行发射时刻，D0为TA0对应的视距距离D0，D2为T2时刻到基站的视距距离，ΔD为在ΔT时间内的移动距离，V为飞行高度，一般为8km到10km。

实施例二

如图2所示，应用于高速移动通信的装置包括基带单元200、光纤线路210、射频单元220和天线230组成。

基带单元200由内存201、处理器(DSP/ARM)202、可编程硬件(FPGA)203和光电转换器204组成。基带单元200主要实现机载终端设备的上层协议及信令处理，用户面数据处理，基带功能处理。内存2011是用于存放临时或者中间过程的数据。处理器(DSP/ARM)202和可编程硬件(FPGA)203是一起进行高效算法运算和信号处理的。光电转换模块204主要是进行光信号和电信号的转换，同时进行相关光电信号传输的接口协议处理。

光纤线路210用于连接基带单元100和射频单元120，用于高速传输信号。

射频单元220远离基带单元200，主要实现数字中频处理(包括可能的削峰，数字预畸变等)，功率放大器，双工器或滤波器，接收低噪声放大器等；通过SMA、SMB或其他天线接口，连接外置机载天线。

天线230与射频单元220相连，主要用于和发射台进行通信，发射/接收无线信号。

实施例三

应用于高速移动通信的装置适合应用于航空器的宽带通信，尤其是高速飞行的航空器(大于500Km/h)，包括高空载客飞行器、地空高速飞行器、以及太空中的飞船。

如图3所示，把应用于高速移动通信的装置安装在飞机上。基带单元300安装在飞机的机头部分，通过光纤310与安装在飞机后部的射频单元320相连，射频单元320与天线330相连。

在本实施例中，射频单元320远离基带单元300，优点有以下两点：

1)安装领过，便于维护；

2)降低信号损耗，即达到节能的目的。

实施例四

如图4所示，应用于高速移动通信的系统包括信息采集单元400、视频监控单元410、飞机总线数据采集接口420、服务器430和应用于高速移动通信的装置440。

信息采集单元400用于采集高速行驶中的相关数据信息，(包括内部和外部)，并通过飞机总线数据采集接口420发送给服务器430应用于高速移动通信的装置440。

视频监控单元410用于采集高速行驶中的视频数据信息，并将视频数据发送给服务器430和应用于高速移动通信的装置440。

飞机总线数据采集接口420用于连接信息采集单元400、视频监控单元410和服务器430和应用于高速移动通信的装置440。

服务器430用于接收、分析和存储数据。

应用于高速移动通信的装置440用于向基站发送实时信息和数据。

实施例五

设备上电后，机载终端的基带单元通过LTE或其他空口通讯协议，与地面基站网络建立地空通讯的信令和数据连接。地空连接建立完成后，飞机上的用户数据或者前舱回传数据等待传数据从机载服务器或其他外部数据源设备，通过以太网口或其他数据接口，将待传数据传输到机载终端的基带单元。基带单元接收后，进行用户面协议以及基带协议处理后，生成基带的IQ数据，按照CPRI接口协议或者其他接口协议，通过光纤传递到拉远的射频单元。射频单元收到基带数据后，进行接口协议的解帧处理，数字中频处理，数模转换，双工器或滤波器，射频功率放大器等处理后，通过天线接口发送到外置的机载天线，实现和地面基站网络的通讯。

在机载终端接收地面ATG网络信号方向，射频单元从天线接收到射频信号后，经过低噪声放大器，双工器或滤波器，模数转换，以及数字中频等处理后，生产基带数字信号，通过CPRI或其他接口协议，承载在光纤上，发送到基带单元。基带单元收到从远端射频单元发来的CPRI或其他接口协议的基带IQ信号后，进行CPRI或其他接口协议的解帧处理，基带接收处理，用户面处理等处理之后，将用户数据通过以太网传输到机载服务器或其他外部数据源；再由机载服务器等设备分发到相应用户。

实施例六

LTE即Long Term Evolution(分时长期演进)，是第四代(4G)移动通信技术与标准之一，其技术优势体现在速率、时延和频谱利用率等多个领域，使得运营商能够在有限的频谱带宽资源上具备更强大的业务提供能力，而这正是全球移动通信产业孜孜以求的目标所在。

另一方面，随着用户数据业务需求的不断发展，在民航飞机上提供数据业务接入和服务的需求越来越迫切。由于卫星通信的高成本和容量限制，通过地面部署基站对空覆盖的ATG(Air To Ground)地空通信系统是民航数据业务的高效理想解决方案。实际上目前世界上已经有了基于2G/3G的ATG系统成功的部署和运营。随着LTE技术和产业链的发展，LTE逐渐成为移动宽带时代的主力军，其业务和应用也应当拓展到更多领域，比如对空覆盖的ATG场景。

由于标准的LTE系统是为了地面低速移动的普通用户设计的，如果将LTE用于高速移动的场景，例如ATG系统，面临的主要问题就是高速移动导致的。通常，民航客机的巡航移动速度为800km/小时至1200km/小时。在这种高速移动下，传统的LTE系统的时频偏同步方法需要进行改进，考虑高速带来的影响，以保证对空覆盖系统的稳定性及更优的系统性能。

传统的LTE系统中，上行的时间同步信息(时间提前量TA)由基站基于上行信号进行测量，并告知终端，终端从网络侧接收TA命令，调整上行PUCCH/PUSCH/SRS的发射时间，目的是为了消除UE之间不同的传输时延，使得不同UE的上行信号到达eNodeB的时间对齐，保证上行用户间的正交性，降低小区内干扰。

TA的具体原理如图5所示。

但在上述过程中存在一定的时延，在常规的LTE系统应用时终端基本无高速移动需求，因此可以保证在此时延内时间同步信息基本保证不变。但对于航线覆盖等高速移动场景，上述时延可能会对TA的精度产生影响，如果TA误差到一定程度，基站就无法解调终端发送的信号，从而导致严重的后果，如通信中断并且短时间内无法恢复通信。

TA实际上表征的是UE与基站侧天线端口之间的距离。可以通过机载终端相对于基站的移动距离进行计算。通常网络中，TA计算的是信号传播的路径，根据终端移动距离进行的修正未必准确有效。但是在ATG网络中，由于终端(飞机)和基站是视通的，以直射经为主，因此通过移动距离的修正就是准确有效的。

基于上述需求，本申请提出一种适用于高速移动通信场景下的装置和系统，该装置和系统可以以修正基站侧反馈的TA，从而保障终端和基站之间可以进行稳定的通信。

实施例七

应用于高速移动通信的装置同样适用于高速铁路和高速陆地移动设备的宽带通信。

如图6所示，把应用于高速移动通信的装置安装在高铁上。基带单元600安装在高铁的第一列车厢的车头部分，通过光纤610与安装在第一列车厢的后部的射频单元620相连，射频单元620天线630相连。

实施例八

应用于高速移动通信的装置同样适用于安装在移动智能设备中，移动设备包括智能手机、智能设备、平板电脑、笔记本电脑和其他需要在高速移动时需要通信的装置。

在本实施例中以智能手机为例，标号700为智能手机的外壳，标号710为智能手机的显示屏，应用于高速移动通信的装置安装在智能手机内部。运算单元700通过手机内部的导线(或PCB板上线路)730连接天线740。在运算单元700使用实施例1中的算法进行计算。

以往用户在乘坐高铁时，经常会因为高铁的移动速度快使得移动信号或移动网络出现不通畅或者连接不上的情况，当遇到紧急的事情需要处理时，往往因为通信不畅而造成延迟处理，产生很多不必要的麻烦。而当用户带着装有高速移动通信装置乘坐高铁时，由于采用了新的算法，使得移动信号和移动网络的传输能力大大加强，能够满足用户在高铁快速运行时享受通畅的移动信号和移动网络。

当本实施例实施的时候，可能会将运算单元集成在中央处理器或者其他芯片中，但是算法也会在中央处理器或者其他芯片中运行，以实现在高速移动中进行通信的功能。

在本实施中的把基带单元和射频单元集变为一个运算单元，该运算单元也可应用在其他地方，包括航空器的宽带通信和高速铁路的宽带通信。

为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种应用于高速移动通信的方法，包括以下步骤：

步骤1：在用户终端设备(UE)上正常发射上行数据PUSCH/PUCCH/SRS，记录当前时刻T0，其中PUSCH表示上行控制信道，PUCCH表示上行共享信道，表示SRS上行参考信号；

步骤2：基站根据上行数据计算得到TA0，并通知所述用户终端设备；

步骤3：计算得到最终的TA值TA2；

步骤4：根据所述TA2获得最终的T2时刻的时间同步调整量，并依此对上行数据进行发射。

2.如权利要求1所述的应用于高速移动通信的方法，其特征在于：所述步骤3包括设定所述用户终端设备获得的TA通知时刻为T1，设定其应用此TA的上行发放时刻为T2，得到时间差ΔT＝T2-T0。

3.如权利要求2所述的应用于高速移动通信的方法，其特征在于：所述步骤3还包括根据在所述ΔT时刻内终端的移动距离及其移动方向计算得到所述TA2。

4.如权利要求3所述的应用于高速移动通信的方法，其特征在于：所述步骤3包括以下子步骤：

步骤31：计算在ΔT时间内的移动距离ΔD＝S×ΔT，其中S表示飞行速度；

步骤32：计算所述TA0对应的视距距离D0＝F(TA0)；

步骤33：计算在所述T2时刻到基站的水平距离，公式为：

其中H表示初始时(T0)终端与基站之间的水平距离；

步骤34：计算在所述T2时刻到基站的视距距离其中，V为飞行高度；

步骤35：计算所述D2对应的所述TA的值，TA2＝G(D2)。

5.一种应用于高速移动通信的装置，包括天线和光纤，其特征在于，还包括以下单元：

基带单元：用于使用如权利要求1中的方法进行通信计算；

射频单元：用于实现数字中频处理、功率放大器、双工器或滤波器和接收低噪声放大器中至少一种。

6.如权利要求5所述的应用于高速移动通信的装置，其特征在于：所述基带单元用于实现机载终端设备的上层协议及信令处理、用户面数据处理、基带功能处理和本地操作维护功能中至少一种。

7.如权利要求6所述的应用于高速移动通信的装置，其特征在于：所述基带单元还用于通过CPRI或者其他接口协议，将基带IQ信号承载在光纤上传递到远端的射频单元。

8.如权利要求7所述的应用于高速移动通信的装置，其特征在于：所述基带单元包括内存(DDR)、处理器(DSP/ARM)、可编程硬件(FPGA)和光电转换器。

9.如权利要求5所述的应用于高速移动通信的装置，其特征在于：所述数字中频处理包括可能的削峰和数字预畸变中至少一种。

10.一种应用于高速移动通信的系统，包括信息采集单元，其特征在于，还包括以下模块：

权利要求5-9中的任意一个所述应用于高速移动通信的装置、服务器和飞机总线数据采集接口。