CN108737963A - 基于gps辅助的lte超长距离覆盖随机接入方法 - Google Patents

基于gps辅助的lte超长距离覆盖随机接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，主要解决现有技术中LTE覆盖范围小，其最大覆盖半径以外的用户设备UE不能顺利接入网络的问题。其技术方案是：1)配置位置信息及上行定时开环调整距离门限；2)计算用户设备到目标基站距离；3)判断用户设备到目标基站的距离是否大于开环距离门限；4)计算开环调整时间；5)开环调整上行时间同步；6)发送随机接入前缀序列；7)闭环调整上行时间同步并接入LTE系统。本发明扩展了LTE基站覆盖范围，提高了上行资源利用率；使得位于现有LTE最大覆盖范围以外的用户设备UE在GPS的辅助下可顺利完成网络的接入过程及上行时间同步。

Description

基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，可用于扩展长期演进LTE(Long Term Evolution)现有覆盖范围，使得位于现有LTE最大覆盖范围以外的用户设备UE，在GPS的辅助下能够顺利完成网络的接入过程和上行时间同步。
背景技术
在长期演进LTE系统中，用户设备UE通过在物理随机接入信道PRACH上发送随机接入前缀Preamble接入网络并实现用户设备UE的上行时间同步，用户设备UE在接入LTE基站之前，由于用户设备UE在发送随机接入序列时，上行时间同步还没完成，为了保护系统正常运行，避免用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble对邻近的子帧带来干扰，LTE协议定义了四种随机接入前缀Preamble格式，如表1，由30720·Ts＝1ms得Ts＝0.0326μs。每种随机接入前缀Preamble都有包括循环前缀CP和接入序列SEQ两部分，循环前缀CP主要用来对抗实际环境中的多径干扰，接入序列SEQ承载接入信息。随机接入前缀Preamble格式1和格式3使用了较长的CP，适用于小区半径较大的情况。格式2和格式3中重复的前导序列适用于路损较大的小区环境。格式0占据一个子帧的长度，格式1和格式2占据两个连续子帧的长度，格式3占据3个连续子帧的长度。从表1可以看出，物理随机接入信道PRACH中的循环前缀CP和前导序列SEQ并没有占满整个子帧的时间，剩余的部分即为保护时间Guard Period，这对非同步的上行PRACH来说是必要的。
表1.LTE随机接入前缀Preamble参数
前缀格式 TCP TSEQ
0 3168·Ts 24576·Ts
1 21024·Ts 24576·Ts
2 6240·Ts 2·24576·Ts
3 21024·Ts 2·24576·Ts
LTE基站的覆盖距离受限于保护时间Guard Period和用户设备UE随机接入过程中上行时间调整的范围。以随机接入前缀Preamble格式3为例分析LTE协议支持的最大覆盖范围，格式3的Guard Period＝3x1000us–(21024+2x24576)x0.0326us＝714us，覆盖半径R＝3x108x(714/2)x10-6＝107Km。Guard Period是LTE基站所能检测到的用户设备UE的最大调整时间，当用户设备UE与LTE基站之间的距离大于107Km时，非同步的用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble序列将落入邻近的下一个子帧，从而干扰下一子帧对应资源的业务传输，同时也导致LTE基站不能完全接收用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble序列，造成检测错误，致使用户设备UE不能顺利完成网络的接入过程及上行时间同步。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有LTE技术对超大范围覆盖的不足，提出一种基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，采用将上行时间同步分为上行时间粗同步和上行时间细同步两个阶段，其中上行时间粗同步过程利用LTE基站eNodeB和用户设备UE的GPS信息由用户设备UE自行完成，即上行开环时间同步；上行时间细同步采用LTE现有的实现机制，由LTE基站eNodeB和用户设备UE之间的信息交互完成，即上行闭环时间同步；用户设备UE在发送随机接入前缀Preamble之前完成上行开环时间同步过程，在随机接入过程中完成上行闭环时间同步过程；因此，用户设备UE在发送随机接入前缀Preamble时，已经做了初步的时间同步，扩展了LTE基站eNodeB的覆盖范围，减少了对随机接入信道相邻子帧对应资源的干扰，提高了对上行资源的利用率；从而使得处于现有LTE最大覆盖范围以外的用户也能够顺利完成网络接入过程并实现上行时间同步。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
1)配置位置信息及上行定时开环调整距离门限：
设LTE基站eNodeB的位置信息为(x1,y1)；用户设备UE开机后进行小区搜索，在搜索到可以驻留的小区时，获取该小区所属目标LTE基站eNodeB的位置信息；对于处在空闲态的用户设备UE，当其移动到一个新小区覆盖范围内时，将位置信息更换为新驻留小区所属LTE基站eNodeB的位置信息；
设用户设备UE所处位置为(x2,y2)，由用户设备UE通过自身GPS设备获取该位置信息；
为用户设备UE配置开环调整距离门限为dThreshold，用于限定用户设备UE上行开环时间同步调整的距离范围；
2)计算用户设备到目标基站距离：
用户设备UE根据目标LTE基站eNodeB的位置信息(x1,y1)和自己的位置信息(x2,y2)通过下式得出两者之间的欧式距离d：
d＝sqrt((x1-x2)2+(y1-y2)2)
其中sqrt()为开方函数，运算过程中所有单位均为米。
3)判断用户设备到目标基站的距离是否大于开环距离门限：
判断距离d是否大于开环距离门限dThreshold，若距离d大于开环距离门限dThreshold，执行步骤4)；否则，执行步骤6)；
4)计算开环调整时间OpenLoopTALength：
用户设备UE根据距离d确定无线电波由目标LTE基站eNodeB到用户设备UE的来回的传播时间roundTripDuration：
roundTripDuration＝2×d/c
其中c为无线电波传播速度，c＝3×108米/秒；
通过下式得出开环调整时间OpenLoopTALength：
OpenLoopTALength＝floor(roundTripDuration/(16Ts))×16Ts
其中floor()为向下取整函数；Ts为LTE基带处理的每个符号的时间长度，且由30720Ts＝1毫秒，可得Ts＝3.26×10-8秒；
5)开环调整上行时间同步：
用户设备UE根据开环调整时间OpenLoopTALength进行上行时间调整，从而完成上行开环时间同步过程；
6)发送随机接入前缀Preamble：
用户设备UE发送随机接入前缀Preamble序列，申请接入LTE系统；
7)闭环调整上行时间同步并接入LTE系统：
用户设备UE每发送一个前缀Preamble序列之后，在对应的下行资源位置上接收目标LTE基站eNodeB发送的应答消息，当收到相应应答消息后，在现有上行定时的基础上，根据应答消息中接入响应信息的上行时间调整数据继续调整上行定时，完成接入中的上行同步过程；已处于同步状态的用户设备UE继续后面的接入流程，接入LTE系统。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
第一，扩大基站覆盖范围：
本发明通过用户设备UE在GPS的辅助下进行上行开环时间同步，能够使得距离较远的用户发送随机接入前缀Preamble时能够正确到达目标LTE基站eNodeB的对应检测范围内；扩展目前LTE基站eNodeB的覆盖范围，使得在目前LTE基站eNodeB覆盖之外的用户设备UE仍然能够正常接入LTE系统。
第二，避免基站附近用户的上行同步过调整：
本发明采用距离门限控制上行开环时间同步的用户位置范围，对距离目标LTE基站eNodeB较近的用户设备UE仍然采用现有LTE系统定义的上行时间同步方式，避免了上行同步的过调整行为。
附图说明
图1为本发明方法的实现流程图；
图2为本发明基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法的上行同步过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明方法作进一步清楚、完整地描述：
参照图1，本发明提供的一种GPS辅助下LTE超长距离覆盖的随机接入方法，具体实现步骤如下：
步骤1)，配置位置信息及开环调整距离门限：
配置超长距离覆盖的LTE基站对覆盖范围内用户设备UE使用的前缀格式PreambleFormat为Preamble Format 3，使用该前缀格式的LTE基站正常覆盖的距离约为107Km；允许其覆盖范围内用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的最大发送次数为PreambleTransMax，每次发送Preamble总个数为numberOfRA-Preambles；
超长距离覆盖的LTE基站eNodeB数量有限，采用配置的方法把LTE基站eNodeB的位置信息以及开环调整距离门限dThreshold配置给覆盖范围内的所有用户设备UE，其配置可以通过软件更新的方式来完成；每个LTE基站eNodeB都有一个相应的位置坐标，设LTE基站eNodeB的位置信息为(x1,y1)；用户设备UE开机后进行小区搜索，在搜索到可以驻留的小区时，获取该小区所属目标LTE基站eNodeB的位置信息；对于处在空闲态的用户设备UE，当其移动到一个新小区覆盖范围内时，将位置信息更换为新驻留小区所属LTE基站eNodeB的位置信息；设用户设备UE所处位置为(x2,y2)，由用户设备UE通过自身GPS设备获取该位置信息；
设开环调整距离门限dThreshold为50Km；为用户设备UE配置开环调整距离门限为dThreshold，用于限定用户设备UE上行开环时间同步调整的距离范围，只有到目标LTE基站eNodeB之间的距离大于距离门限dThreshold的用户设备UE，才在发送随机接入前缀Preamble前进行上行开环时间同步调整，而位于目标LTE基站eNodeB距离门限dThreshold范围内的用户设备UE在发送随机接入前缀Preamble前不进行上行开环时间同步调整；
步骤2)，计算用户设备到目标基站距离：
用户设备UE根据目标LTE基站eNodeB的位置信息(x1,y1)和自己的位置信息(x2,y2)计算到目标基站的距离d；计算过程中忽略目标基站的高度和用户设备UE的高度，通过下式得出两者之间的欧式距离d：
d＝sqrt((x1-x2)2+(y1-y2)2)
其中sqrt()为开方函数，运算过程中所有单位均为米。
步骤3)，判断用户设备到目标基站的距离是否大于开环距离门限：
判断距离d是否大于开环距离门限dThreshold，若距离d大于开环距离门限dThreshold，即d>50Km，执行步骤4)；否则，执行步骤6)；
步骤4)，计算开环调整时间OpenLoopTALength：
用户设备UE根据距离d确定无线电波由目标LTE基站eNodeB到用户设备UE的来回的传播时间roundTripDuration：
roundTripDuration＝2×d/c
其中c为无线电波传播速度，c＝3×108米/秒；
通过下式得出开环调整时间OpenLoopTALength：
OpenLoopTALength＝floor(roundTripDuration/(16Ts))×16Ts
其中floor()为向下取整函数；Ts为LTE基带处理的每个符号的时间长度，且由30720Ts＝1毫秒，可得Ts＝3.26×10-8秒；
步骤5)，开环调整上行时间同步：
用户设备UE根据开环调整时间OpenLoopTALength进行上行时间调整，从而完成上行开环时间同步过程；
步骤6)，发送随机接入前缀Preamble：
用户设备UE发送随机接入前缀Preamble序列，申请接入LTE系统；其每次发送Preamble的时间窗口内，第一次发送Preamble选用较低的功率，第二发送Preamble功率比第一次发送所用功率增大一定的步长，依次类推，直到达到配置参数预先设定的发送Preamble总个数numberOfRA-Preambles；且每次Preamble的发送都遵循这一规律。
步骤7)，闭环调整上行时间同步并接入LTE系统：
用户设备UE闭环调整上行时间同步并接入LTE系统，用户设备UE每发送一个前缀Preamble序列之后，在对应的下行资源位置上接收目标LTE基站eNodeB发送的应答消息，当收到目标LTE基站eNodeB发送的应答消息后，在现有上行定时的基础上，用户设备UE根据应答消息中接入响应信息的上行时间调整数据继续调整上行定时，完成接入过程中的上行时间同步；已处于同步状态的用户设备UE继续后面的接入流程，接入LTE系统；LTE的随机接入流程共有5个消息，其中用户设备UE发送的Preamble为第一个消息；目标基站收到后的应答消息为第二个消息；接着用户设备UE发送RRC连接请求，即第三个消息；目标基站收到后发送RRC连接响应，即第四个消息；用户设备UE收到后发送RRC连接完成为第五个消息；处于同步状态的用户设备UE通过这一系列后续接入流程，最终进入网络。
参照图2，本发明基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法的上行同步过程示意图；在LTE基站eNodeB侧，上下行时间完全对齐，LTE基站eNodeB设置的用户设备UE发送Preamble序列的连续3个子帧分别为第n+3，n+4和n+5子帧。作为对比，对于距离LTE基站eNodeB为150Km的用户设备UE，在没有上行时间同步信息的前提下，用户设备UE在第n+3子帧开始发送Preamble1序列时，采用自身接收到的下行第n+3子帧的起始时间作为发送开始时间，即使协议定义的Preamble1序列保护时间guard time，由于用户设备UE距离LTE基站eNodeB较远，非同步状态的用户设备UE发送的接入前缀Preamble1到达目标LTE基站时，部分信号已经落入目标LTE基站的目标子帧第n+3，n+4和n+5目标子帧范围外，导致目标LTE基站不能完整接收到用户设备UE发送Preamble1序列，因此检测不到该UE发送的接入前缀Preamble1信息。设开环调整距离门限dThreshold为50Km，采用本发明后，距离LTE基站eNodeB为150Km的用户设备UE，由于其距离150Km大于设定的开环上行时间调整上行开环时间同步调整的距离门限dThreshold，因此，用户设备UE发送的接入前缀Preamble2之前，首先进行上行开环时间同步调整，用户设备UE进行上行时间粗同步之后，用户设备UE在第n+3子帧向目标基站发送接入前缀Preamble2序列，接入前缀Preamble2序列到达LTE基站的目标子帧第n+3，n+4和n+5目标子帧范围内，目标LTE基站检测出Preamble2序列后，向源用户设备UE发送接入响应信息，并在接入响应信息中包含上行时间调整数据，源用户设备UE收到目标基站发给自己的接入响应信息后，根据接入响应信息中的上行时间调整数据调整上行定时，完成接入过程中的上行闭环时间同步过程。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，包括如下步骤：
1)配置位置信息及上行定时开环调整距离门限：
设LTE基站eNodeB的位置信息为(x1,y1)；用户设备UE开机后进行小区搜索，在搜索到可以驻留的小区时，获取该小区所属目标LTE基站eNodeB的位置信息；对于处在空闲态的用户设备UE，当其移动到一个新小区覆盖范围内时，将位置信息更换为新驻留小区所属LTE基站eNodeB的位置信息；
设用户设备UE所处位置为(x2,y2)，由用户设备UE通过自身GPS设备获取该位置信息；
为用户设备UE配置开环调整距离门限为dThreshold，用于限定用户设备UE上行开环时间同步调整的距离范围；
2)计算用户设备到目标基站距离：
用户设备UE根据目标LTE基站eNodeB的位置信息(x1,y1)和自己的位置信息(x2,y2)通过下式得出两者之间的欧式距离d：
d＝sqrt((x1-x2)2+(y1-y2)2)
其中sqrt()为开方函数，运算过程中所有单位均为米。
3)判断用户设备到目标基站的距离是否大于开环距离门限：
判断距离d是否大于开环距离门限dThreshold，若距离d大于开环距离门限dThreshold，执行步骤4)；否则，执行步骤6)；
4)计算开环调整时间OpenLoopTALength：
用户设备UE根据距离d确定无线电波由目标LTE基站eNodeB到用户设备UE的来回的传播时间roundTripDuration：
roundTripDuration＝2×d/c
其中c为无线电波传播速度，c＝3×108米/秒；
通过下式得出开环调整时间OpenLoopTALength：
OpenLoopTALength＝floor(roundTripDuration/(16Ts))×16Ts
其中floor()为向下取整函数；Ts为LTE基带处理的每个符号的时间长度，且由30720Ts＝1毫秒，可得Ts＝3.26×10-8秒；
5)开环调整上行时间同步：
用户设备UE根据开环调整时间OpenLoopTALength进行上行时间调整，从而完成上行开环时间同步过程；
6)发送随机接入前缀Preamble：
用户设备UE发送随机接入前缀Preamble序列，申请接入LTE系统；
7)闭环调整上行时间同步并接入LTE系统：
用户设备UE每发送一个前缀Preamble序列之后，在对应的下行资源位置上接收目标LTE基站eNodeB发送的应答消息，当收到相应应答消息后，在现有上行定时的基础上，根据应答消息中接入响应信息的上行时间调整数据继续调整上行定时，完成接入中的上行同步过程；已处于同步状态的用户设备UE继续后面的接入流程，接入LTE系统。
2.根据权利要求1所述的基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，其特征在于：步骤1)中以软件更新的方式完成配置。
3.根据权利要求1所述的基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，其特征在于：步骤6)中每次发送Preamble的时间窗口内，第一次发送Preamble选用较低的功率，第二发送Preamble功率比第一次发送所用功率增大一定的步长，依次类推，直到达到预先设定的发送Preamble总个数，且每次Preamble的发送都遵循这一规律。
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