CN110418402A - 基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法及装置，用于卫星移动通信系统，地面终端接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历，在下行时频同步阶段时获得信号到达时间差和多普勒频偏序列，并将多普勒频偏序列转换为另一组定时信息，结合卫星星历表，估计星地距离并预测星地传播时延，作为随机接入上行定时提前量。本发明使用基于时间到达差的定位算法，所建立的模型能够应对卫星场景下的各类星地测距情况，从而使得每个终端信号的定时提前误差能够在循环前缀内进而保证采用正交频分多址传输时小区范围内不同终端用户上行信号之间的正交性。相较于前导序列重新设计的随机接入定时提前方案，本发明无需增加接入功耗并且易于实现。

Description

基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法及装置

技术领域

本发明属于卫星移动通信领域，涉及一种基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法及装置。

背景技术

近年来，卫星通信在全球迎来了新一轮的发展热潮，而地面第五代(5G，5^thGeneration)移动通信技术也即将进入商用，卫星通信与地面5G的融合成为了通信界讨论的新热点。5G移动通信技术满足了对更大的通信容量、更快的数据速率、更低的传输延迟以及更好的服务质量的需求，而卫星移动通信系统能够为地面网络提供有效的补充和扩展。因此将低轨卫星移动通信系统与地面5G移动通信网络相融合可以充分发挥两者的优点，构成全球区域范围内的无缝覆盖与无缝切换的通信网络。

在第四代(4G，4^th Generation)移动通信期间，已经有不少研究工作围绕LTE(LongTerm Evolution)与卫星移动通信展开，这些工作为地面5G与卫星移动通信系统的融合奠定了良好的基础。低轨卫星移动通信与与5G新型无线空口技术(NR，New Radio)的深度融合，一方面可以将地面前沿的通信技术应用到非地面网络(NTN，Non TerrestrialNetworks)中以提升整体的通信系统；另一方面，兼容性的空口设计能够使卫星通信形成与地面网络类似的规模经济效益，从而降低卫星终端相关的设计制造成本，为终端用户提供实惠的卫星通讯服务。但是卫星通信网络相较于地面网络有很大的不同，例如由于卫星与地面用户终端的距离较大而导致的高传播延迟，因此原本面向地面通信网络设计的随机接入定时提前机制在卫星场景中存在适应性问题。以轨道高度1000km、最小地面仰角为10°的低轨卫星系统为例，同一卫星覆盖区域内的时延差高达1763km，这一数值远大于当前地面5G定时提前机制所能提供的最大链路距离。所以，我们需要对用户随机接入进行重设计以适应天地融合系统的信道传输特性。

3GPP(3rd Generation Partnership Project)研究报告38.811中确定了终端定位信息在多普勒补偿与延迟补偿方面有利于非地面网络上行定时提前和随机接入的研究。终端的位置信息结合卫星的星历可以在路损估计、上行功率控制、多普勒补偿和随机接入定时提前等方面提供诸多帮助。而对于终端定位信息的获取，一般可以通过全球定位系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)在终端得到。但是，我们不能假设所有的终端都配置全球定位系统。此外，3GPP近期的会议提案与相关文献提出了通过对接入前导进行重新设计，例如设计具有更长持续时间的ZC(Zadoff-Chu)序列，但是这会导致接入功率的增大，并且增加了对载波频率偏移的敏感度。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法及装置，在地面终端实现随机接入定时提前量的估计，相较于前导序列重新设计的方案，无需增加接入功耗并且易于实现。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，包括以下步骤：

终端接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历信息；

终端根据下行同步序列获得定时估计序列和多普勒频偏估计序列，并将多普勒频偏估计序列转换为另一组定时信息估计序列；所述定时信息估计序列用于得到某两时刻之间的信号到达时间差；

终端根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离；

终端根据获得的星地距离计算星地传播时延，并以此为基准计算上行随机接入的定时提前量。

进一步地，终端根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离，具体包括：根据卫星与终端空间分布的几何关系，利用极大似然估计法得到优化目标函数和卫星场景的地表约束条件；求解地表约束条件下的目标函数获取终端地理位置信息和星地距离。

进一步地，终端地理位置信息的求解可以分地表约束和无地表约束两种情况。在地表条件约束下，采用如下步骤获取终端地理位置信息：首先通过二次惩罚法得到求解终端地理位置信息的等价无约束目标优化问题，再采用牛顿迭代法对上述得到的无约束目标函数进行后续解算以得到最终的优化目标解。

基于相同的发明构思，本发明所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入装置包括：接收单元，用于接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历信息；定时信息获取单元，根据下行同步序列获得定时估计序列和多普勒频偏估计序列，并将多普勒频偏估计序列转换为另一组定时信息估计序列；所述定时信息估计序列用于得到某两时刻之间的信号到达时间差；位置估计单元，用于根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离；以及，定时提前量确定单元，用于根据获得的星地距离计算星地传播时延，并以此为基准计算上行随机接入的定时提前量。

基于相同的发明构思，本发明所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器以实现上述基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法。

有益效果：与现有技术相比，具有如下有益效果：

1)本发明使用基于时间到达差的定位算法，所建立的模型能够应对卫星场景下的各类星地测距情况，从而使得每个终端信号的定时提前误差能够在循环前缀内进而保证采用正交频分多址传输时小区范围内不同终端用户上行信号之间的正交性。

2)地面用户终端通过下行同步序列与循环前缀辅助，获得定时信息估计序列与多普勒频偏估计序列，在下行链路UE侧即已实现了随机接入定时提前量的估计，相较于前导序列重新设计的随机接入定时提前方案，本发明无需增加接入功耗并且易于实现。

3)在设定的定时时间窗内周期性广播星历，同时将多普勒频偏估计序列转化为另一组到达时间差序列，可以确保获取足够多的信号到达时间差的数据，能够极大的提高定时提前量的估计性能。

4)采用二次惩罚函数法对本发明场景下的等式约束优化估计问题进行算法设计，能够有效保证算法收敛至一平稳点。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的介绍。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，包括以下步骤：

S1：地面终端接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历信息。本实施中可布置单颗或者多颗低轨卫星覆盖同一区域，卫星以50ms周期广播5G下行主同步序列，以及广播它当前的位置信息，也就是星历。

S2：在下行时频同步阶段，地面终端根据5G下行同步序列，通过时频同步算法周期性获得定时信息和多普勒频偏信息，并通过通过信号解调获取星历信息。时频同步算法具体可参考专利CN108965186A公开的“一种低轨卫星移动通信系统下行时频同步方法”，此处不再赘述。

S3：上述获取的多普勒频偏估计序列可以转化为另一组定时信息估计序列，再根据定时信息估计序列计算信号的时间到达差，从而基于不同的信号时间到达差进行数学建模，具体包括：假定终端位置分布在地表；通过卫星与终端空间分布的几何关系，利用极大似然估计法得到目标函数和卫星场景的特殊约束条件，根据目标函数和约束条件通过二次惩罚法和牛顿迭代法获取终端地理位置信息和星地距离。

具体地，卫星场景下基于信号到达时间差的终端地理位置信息求解方法：

S31：将下行同步块的总数设为M，地面终端在地心地固坐标系(ECF，EarthCentered Fixed)下的坐标为p＝(x，y，z)，卫星发射第i个下行同步块时的ECF坐标为s_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝1，2，...，M。t_i为第i个下行同步块的传播时延的真实值，则为第i个下行同步块的传播时延的测量值。在此基础上，第i个下行同步块与第j个之间的信号到达时间差的测量值可以表示为：

TDOA的测量值存在误差：

其中，t_i，j为第i个下行同步块与第j个之间的真实时延的差值，为第j个下行同步块的传播时延的测量值，n_i，j＝n_i-n_j代表下行同步产生的定时信息估计误差，其中，n_i、n_j可以是满足0均值的高斯分布。定义噪声矢量n＝[n_2，1，n_3，1，...，n_M，1]^T，它的协方差矩阵记为Q＝E{nn^T}。

由于下行同步获得了定时信息和多普勒频偏序列的估计值，那么根据前后同步块定时信息的差值便可得到TDOA测量值。根据传播时延与多普勒频偏f_d，i的数学定义公式，上述变量有以下关系：

||s_i-p||＝c·t_i， (3)

其中，c表示信号的传播速度，f_c表示载波频率，v为卫星沿轨道的运行速度。由上两式可知，在星历广播周期T较小的情况下，多普勒频偏f_d，i也可以由时差来表示：

因此多普勒频率值可以转换为另一组信号到达时间差：

若以d_i，i＝1，2，...，M表示第i个下行同步块对应的卫星与地面终端的真实距离，那么可以得到：

d_i，1＝c·t_i，1＝d_i-d₁， (7)

其中：

K_i＝x_i ²+y_i ²+z_i ².

将(8)、(9)两式分别代入到d_i ²-d₁ ²中，可以得到：

d_i，1 ²+2d_i，1d₁＝-2x_i，1x-2y_i，1y-2z_i，1z+K_i-K₁， (10)

其中：

x_i，1＝xi-x1，

y_i，1＝y_i-y₁，

z_i，1＝z_i-z₁·

S32：为了将以上方程组表示成矩阵的形式，定义：(这里只考虑下行同步块数M＞4的情况)

r_a＝[r^T，d₁]^T，r＝[x，y，z]^T. (11)

定义误差向量ψ：

ψ＝h-G_ar_a， (12)

其中：

为第i个下行同步块与第1个之间的星地传播距离差的测量值，i＝2，...，M；表示第i个下行同步块的定时信息估计值。

因为d_i＝d_i，1+d₁，所以ψ也可以表示为：

其中，⊙表示Hadamard乘积。由于多数情况下有d_i＞＞c·n_i，1成立，所以式(13)的第二项可以直接忽略。基于以上的近似假设，此时ψ为一高斯随机变量，它的协方差矩阵为：

Ψ＝E[ψψ^T]＝c²BQB. (14)

S33：无地表条件约束：

在该情况下，使用极大似然的方法可以直接估计出r_a：

因为B中包含真实的卫星至地面终端距离，所以Ψ是未知的。因此需要更进一步的近似。在远距测量的情况下，d_i(i＝1，2，...，M)之间数值都较为接近，将其设为d⁰，则B≈d⁰I，其中I为(M-1)×(M-1)的单位阵。因为Ψ的缩放对式(15)的结果没有影响，所以式(15)可以直接用下式替换：

因此，在远距测量下，可以得到终端地理位置信息：

S34：考虑地表条件约束：

S34.1：基于上述讨论，得到式(15)、(16)的前提之一是假设r_a中的x，y，z，d₁是四个独立的分量。而事实上，x，y，z，d₁之间满足一定的等式约束。除此之外，由于该情况假定终端位置分布在地表，x，y，z之间也满足一定的约束关系。因此，完整的目标函数可以进一步写为：

min(h-G_ar_a)^TQ^-1(h-G_ar_a)，

其中，第一个约束方程为地球表面椭圆方程，R_a和R_b分别表示赤道半径和两极半径，即地球赤道平面的长半轴和短半轴。

S34.2：对式(18)目标函数的优化估计算法设计如下：

记：

f(r_a)＝(h-G_ar_a)^TQ^-1(h-G_ar_a)，

式(18)的目标函数可以重新改写为：

定义增广目标函数：

F(r_a)＝f(r_a)+μα(r_a)， (21)

其中，

式(22)为约束问题(20)的惩罚函数，μ(＞0)称为罚因子，μα(r_a)称为惩罚项。根据以上定义，显然有：

其中，D为约束问题(19)的容许集。

基于上述讨论，等式约束原问题(20)可以转化为如下无约束最优化问题：

min F(r_a)， (24)

也就是，

min f(r_a)+μα(r_a). (25)

S34.3：在此基础上，本发明进一步使用牛顿迭代法作为无约束问题(25)的最优化方法，牛顿法每一步的迭代方程为：

r_a，k+1＝r_a，k+η_kp_k， (26)

F_k＝f(r_a，k)+μ_kα(r_a，k)，

其中，r_a，k与r_a，k+1分别代表第k与k+1次的迭代估计值；G_k为一对称非奇异矩阵；η_k表示第k次迭代时的步长；μ_k为二次惩罚法第k次迭代的罚因子，满足μ_k+1＝βμ_k，β＞1，本例中取值为1.5；表示对其后参量作梯度运算。在线搜索方法中，为使得搜索方向满足一下降方向，需要采用牛顿法时，为F_k的海森矩阵表达式。但是，海森矩阵不总是正定的，这会导致搜索方向不总是下降方向。通常可以添加一常数因子对海森矩阵进行调整从而使得它满足正定阵的条件。

S4：终端根据上述获得的星地距离计算星地传播时延TD_i，并以此为基准计算上行随机接入的定时提前量：

本发明实施例公开的一种基于星历广播辅助定位的用户随机接入装置，包括：接收单元，用于接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历信息；定时信息获取单元，根据下行同步序列获得定时信息估计序列和多普勒频偏估计序列，并将多普勒频偏估计序列转换为另一组定时信息估计序列；所述定时信息估计序列用于得到某两时刻之间的信号到达时间差；位置估计单元，用于根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离；以及，定时提前量确定单元，用于根据获得的星地距离计算星地传播时延，并以此为基准计算上行随机接入的定时提前量。本装置实施例与上述方法实施例属于同一发明构思，具体细节参考上述方法实施例，此处不再赘述。

基于相同的发明构思，本发明另一实施例公开的一种基于星历广播辅助定位的用户随机接入装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法。

Claims (9)

1.基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于：包括以下步骤：

终端接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历信息；

终端根据下行同步序列获得定时信息估计序列和多普勒频偏估计序列，并将多普勒频偏估计序列转换为另一组定时信息估计序列；所述定时信息估计序列用于得到某两时刻之间的信号到达时间差；

终端根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离；

终端根据获得的星地距离计算星地传播时延，并以此为基准计算上行随机接入的定时提前量。

2.根据权利要求1所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于：终端根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离，具体包括：

根据卫星与终端空间分布的几何关系，利用极大似然估计法得到优化目标函数和卫星场景的地表约束条件；

求解地表约束条件下的目标函数获取终端地理位置信息和星地距离。

3.根据权利要求2所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于：所述优化目标函数表示为：

其中：

Q＝E{nn^T}

K_i＝x_i ²+y_i ²+z_i ² i＝1，2，...，M

M表示下行同步块的总数；r_a＝[x，y，z，d₁]^T为目标估计参量，其中，[x，y，z]^T为终端位置的ECF坐标，d₁为第1个下行同步块对应的卫星与终端之间的传播距离；为第i个下行同步块与第1个之间的星地传播距离差的测量值，i＝2，...，M；表示第i个下行同步块的定时信息估计值；c表示信号传播速度；x_i，1＝x_i-x₁，y_i，1＝y_i-y₁，z_i，1＝z_i-z₁，(x_i，y_i，z_i)表示卫星发射第i个下行同步块时的ECF坐标；噪声矢量n＝[n_2，1，n_3，1...，n_M，1]^T，其中n_i，1＝n_i-n₁，n_i表示第i个下行同步块对应的定时信息估计误差，i＝1，2，...，M。

4.根据权利要求3所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于，在地表条件约束下，所述优化目标和约束为：

min(h-G_ar_a)^TQ^-1(h-G_ar_a)

其中，R_a和R_b分别表示赤道半径和两极半径，即地球赤道平面的长半轴和短半轴。

5.根据权利要求4所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于，采用如下步骤获取终端地理位置信息：首先通过二次惩罚法得到求解终端地理位置信息的等价无约束目标优化问题，再采用牛顿迭代法对上述得到的无约束目标函数进行后续解算以得到最终的优化目标解。

6.根据权利要求5所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于，所述等价无约束优化问题表示为：

min f(r_a)+μα(r_a)

其中：

f(r_a)＝(h-G_ar_a)^TQ^-1(h-G_ar_a)

μ(＞0)为二次惩罚法的罚因子。

7.根据权利要求6所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法，其特征在于，采用牛顿迭代法时，以

r_a，k+1＝r_a，k+η_kp_k

F_k＝f(r_a，k)+μ_kα(r_a，k)

作为牛顿法每一步的迭代更新方程；其中，r_a，k与r_a，k+1分别代表第k与k+1次的迭代估计值；μ_k为二次惩罚法第k次迭代的罚因子，满足μ_k+1＝βμ_k，β＞1；G_k为一对称非奇异矩阵；η_k表示第k次迭代时的步长；表示对其后参量作梯度运算，表示其后参量的海森矩阵表达式。

8.使用根据权利要求1-7任一项所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法实现的基于星历广播辅助定位的用户随机接入装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收卫星周期性广播的下行同步序列及星历信息；

定时信息获取单元，根据下行同步序列获得定时信息估计序列和多普勒频偏估计序列，并将多普勒频偏估计序列转换为另一组定时信息估计序列；所述定时信息估计序列用于得到某两时刻之间的信号到达时间差；

位置估计单元，用于根据星历信息以及两组不同的定时信息估计序列估计自身的地理位置和星地距离；

以及，定时提前量确定单元，用于根据获得的星地距离计算星地传播时延，并以此为基准计算上行随机接入的定时提前量。

9.基于星历广播辅助定位的用户随机接入装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-7任一项所述的基于星历广播辅助定位的用户随机接入方法。