CN110474861B - 一种基于时空基准的无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于无线通信技术领域的一种基于时空基准的无线通信方法，在时空基准精度较高情况下包括多对一通信、一对多通信、点对点通信。在精准的空间定位与授时条件下，通过计算信号端到端时延，发射机相对于授时的时序提前一定的时间偏置发送OFDM/SC‑FDMA信息，或者接收机相对于授时的时序延迟一定的时间偏置解调OFDM/SC‑FDMA信号，从而实现OFDM或SC‑FDMA通信。由于OFDM/SC‑FDMA的循环前缀对符号定时偏差有一定容忍性，因此接收机无需对帧同步头进行时域搜索，从而简化了接收机的帧同步过程，降低系统的复杂度和硬件开销。

Description

一种基于时空基准的无线通信方法
技术领域
本发明属于无线通信技术，特别涉及一种基于时空基准的无线通信方法，具体说是在精准时空定位下的OFDM/SC-FDMA通信技术。
背景技术
近年来，无线通信技术发展迅猛，信息化渗透到各个领域。随着技术的发展，人们对于通信速率以及通信质量的要求也越来越高。
时间信息与空间信息可通过卫星导航系统获取。卫星导航系统包括美国的GPS(全球定位系统)、俄罗斯的格罗拉斯、欧盟的伽利略、中国的北斗，日本的QZSS和印度的IRNSS等导航系统。
OFDM多载波系统采用了正交频分信道，能够将高速的串行数据流变换为多个并行低速数据流，具有很强的抗频率选择性衰落以及抗码间串扰的能力。OFDM/SC-FDMA引入了循环前缀，将线性卷积变为循环卷积，当循环前缀长度大于最大时延拓展时，能有效降低码间串扰。OFDM/SC-FDMA对符号定时误差具有一定的容忍性，当定时误差在一定范围内，不会存在码间串扰，子载波之间仍然保持正交，虽然接收信号会出现相位偏差，但可以直接通过一个频域均衡器补偿相位偏差。OFDMA(正交频分多址)是OFDM技术的演进，是一种多址接入技术。OFDMA将频带划分为多个互相正交且互不重叠的子载波集，不同的子载波集分配给不同的用户，可实现多个用户共享频带资源。
SC-FDMA，又称单载波频分多址接入技术，与OFDMA输出的多载波信号相比具有较低的PAPR(peak-to-average power ratio，峰值/平均功率比)，可以提高移动终端功放效率。
在无线通信中，同步技术十分关键。在基于OFDM的通信系统中，接收端通常采用相关法对帧同步序列进行检测，以确定每一标准时隙的起始位置。而在许多情景下，发射机与接收机的时空信息能够确定。如果能将这些信息与OFDM循环前缀相结合，大致预判出帧头的达到时间并且利用OFDM循环前缀对于符号定时偏差的容忍性，可以简化接收机对帧头的时域搜索过程。因此在基于时空基准下的OFDM通信中，帧同步可以忽略，从而减少硬件开销，简化系统设计。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)获取系统参数，包括通信模式与标准时隙长度；收发机从授时设备获取秒脉冲信号与时间信息，从定位设备获取发射机与接收机坐标；
2)以秒脉冲信号为基准进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号，标准时隙脉冲信号的每个脉冲为一个标准时隙的起点，两个脉冲之间的长度为一个标准时隙长度；根据发射机与接收机位置以及发射机时延与接收机时延，计算信号端到端时延；
3)若通信模式是多对一通信，在发射端，各个用户在标准时隙的基础上提前一定偏置时间发送信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；在接收端，由于发送时间的提前偏置会使得来自这些用户的发送信号经过一定端到端时延后的到达时间相同并准确落在标准时隙中，因此接收端按照标准时隙进行接收；
4)若通信模式是一对多通信，在发射端，用户按照标准时隙进行信号发射，在接收端，各个用户在标准时隙的基础上延迟偏置一定时间解调信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；由于接收时间的延迟偏置会使得发送信号经过一定端到端时延后刚好落在各接收用户的接收时隙中；
5)若通信模式是点对点通信，有两种发射接收方案：
方案一是在发射端，用户在标准时隙的基础上提前偏置一定时间发送信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；在接收端，由于发送时间的提前偏置会使得发送信号经过一定端到端时延后准确落在标准时隙中，因此接收端按照标准时隙进行接收；
方案二是在发射端，用户按照标准时隙进行信号发射；在接收端，用户在标准时隙的基础上延迟偏置一定时间解调信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；由于接收时间的延迟偏置会使得发送信号经过一定端到端时延后刚好落在接收用户的接收时隙中；
6)发射机根据步骤3)、4)、5)中得到发射时隙脉冲信号，发射时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一发射时隙发送的起始时刻；发射机对信息进行编码、交织、星座图映射和OFDM/SC-FDMA调制后，根据发射时隙脉冲信号进行信息发送。
7)接收机根据步骤3)、4)、5)中得到接收时隙脉冲信号，接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一接收时隙接收解调的起始时刻；接收机根据接收时隙脉冲信号对OFDM/SC-FDMA信号进行解调、解映射、解交织、译码。
所述通信模式包括多对一通信、一对多通信和点对点通信；其中多对一通信指多个用户发送，一个用户接收；一对多通信指一个用户发送，多个用户接收；点对点通信指一个用户发送，一个用户接收。
所述步骤1)中的定位设备包括GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、北斗、伽利略、格洛纳斯、QZSS(Quasi-Zenith Satellite System，准天顶卫星系统)、IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System，印度区域导航卫星系统)的一种或组合。
所述步骤1)中收发机从授时设备获取秒脉冲信号与时间信息，其授时方法包括从授时设备GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯、QZSS和IRNSS进行授时或者系统内部进行授时；授时成功后，收发设备将获得秒脉冲信号，秒脉冲信号的周期为1秒；根据标准时隙长度T，对秒脉冲信号进行M分频或倍频产生周期为T的标准时隙脉冲信号，其中
Figure BDA0002119911620000041
M可以为正整数和正分数；标准时隙脉冲信号的每个脉冲为一个标准时隙的起点，两个脉冲之间的长度为一个标准时隙长度。
所述信号端到端时延计算采用式子：
Figure BDA0002119911620000042
其中τ为信号端到端时延，d为收发设备距离，通过发射机与接收机位置坐标求得，c为电磁波传播速度，τ0为发射机时延和接收机时延总和，通过事先标定获得。
所述步骤6)、7)中发送时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一发送时隙的起始时刻；接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一接收时隙解调的起始时刻；在设备授时成功后，将输出秒脉冲信号，秒脉冲信号M倍频或分频后得到周期为T的标准时隙脉冲信号；若通信方式是多对一通信，在发射端，将标准时隙脉冲信号提前τi或延迟T-τi作为第i个发射机的发射时隙脉冲信号，τi为第i个发射机到接收机的端到端时延；在接收端，标准时隙脉冲信号作为接收时隙脉冲信号，若通信方式是一对多通信，在发射端，标准时隙脉冲信号作为发射时隙脉冲信号，在接收端，将标准时隙脉冲信号提前T-τi或延迟τi作为第i个接收机的接收时隙脉冲信号。若通信方式为点对点通信，有两种方案：第一种方案是在发射端，将标准时隙脉冲信号提前τ或延迟T-τ作为发射时隙脉冲信号，在接收端，将标准时隙脉冲信号作为接收时隙脉冲信号；第二种方案是在发射端，将标准时隙脉冲信号作为发射时隙脉冲信号，在接收端，将标准时隙脉冲信号提前T-τ或延迟τ作为接收时隙脉冲信号。
所述发送的信息包括文字、音频、图片、视频的一种或多种。
所述编码方式包括卷积码、Turbo码、LDPC码、极化码、RS码的一种或多种组合。
本发明提出的基于时空基准的无线通信方法，其有益效果在于，在多对一通信、一对多通信、一对一通信中，计算信号端到端时延，使发射机相对于标准时隙提前一定的时间偏置发送信息，或者接收机相对于标准时隙延迟一定的时间接收解调信号，实现OFDM/SC-FDMA的通信。由于OFDM/SC-FDMA的循环前缀对定时偏差有一定容忍性，因此接收机无需进行时域搜索，从而简化了接收机的同步过程，降低系统的复杂度和硬件开销。
附图说明
图1为基于时空基准的无线通信方法示意图；
图2为发射时隙脉冲与接收时隙脉冲生成示意图；
图3为实施例1的多对一通信示意图；
图4为实施例2的一对多通信示意图；
图5为实施例3的点对点通信方案一示意图；
图6为实施例3的点对点通信方案二示意图；
具体实施方式
本发明提出的基于时空基准的无线通信方法，适用于三种通信模式：多对一通信、一对多通信、点对点通信。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1所示为基于时空基准的无线通信方法示意图；图中所示步骤：
1)获取系统参数，包括通信模式与标准时隙长度；收发机从授时设备获取秒脉冲信号与时间信息，从定位设备获取发射机与接收机坐标；
2)对收发机进行授时，获取秒脉冲信号，对秒脉冲信号进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号；
3)根据发射机与接收机位置以及发射机时延与接收机时延，计算信号端到端时延；
4)根据通信模式和端到端时延，得到发射时隙脉冲与接收时隙脉冲；
5)发射机根据发射时隙脉冲信号发送信息；
6)接收机根据接收时隙脉冲信号接收信息。
图2所示为发射时隙脉冲与接收时隙脉冲生成示意图；
a描述了多对一通信下的发射时隙脉冲与接收时隙脉冲生成过程：首先收发机获取秒脉冲信号，并对秒脉冲信号进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号。第i个发射机将标准时隙脉冲信号提前τi作为发射时隙脉冲信号，τi为第i个发射机到接收机的端到端时延；接收机将标准时隙脉冲信号作为接收时隙脉冲信号。
b描述了一对多通信下的发射时隙脉冲与接收时隙脉冲生成过程：首先收发机获取秒脉冲信号，并对秒脉冲信号进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号，发射机将标准时隙脉冲信号作为发射时隙脉冲信号，第i个接收机将标准时隙脉冲信号提前延迟τi作为接收时隙脉冲信号，τi为发射机到第i个接收机的端到端时延。
c描述了点对点通信下发射时隙脉冲与接收时隙脉冲的一种生成过程：首先收发机获取秒脉冲信号，并对秒脉冲信号进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号。发射机将标准时隙脉冲信号作为发射时隙脉冲信号；接收机将标准时隙脉冲信号延迟τ作为接收时隙脉冲信号，τ为发射机到接收机的端到端时延。
d描述了点对点通信下发射时隙脉冲与接收时隙脉冲的另一种生成过程：首先收发机获取秒脉冲信号，并对秒脉冲信号进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号。发射机将标准时隙脉冲信号提前τ作为发射时隙脉冲信号；接收机将标准时隙脉冲信号作为接收时隙脉冲信号，τ为发射机到接收机的端到端时延。
实施例1
系统通信模式为多对一通信，包括3个地面发射设备A、B、C，1个卫星接收设备D；通过以下步骤可实现时空基准下的OFDMA/SC-FDMA通信：
1)获取系统参数：通信模式为多对一通信，标准时隙长为300ms，通过GPS获得A、B、C、D位置信息，计算得到A、B、C到D的距离dAD，dBD，dCD。
2)对A、B、C、D进行授时，获得秒脉冲信号。由于标准时隙长为300ms，所以对秒脉冲信号进行
Figure BDA0002119911620000071
倍频，生成标准时隙脉冲信号。
3)计算信号端到端时延:
Figure BDA0002119911620000072
其中τA0,τB0,τC0为发射机时延与接收机时延总和。
4)发射与接收过程如图3所示，在发射端，A、B、C分别在标准时隙脉冲信号的基础上提前τAD、τBD、τCD发送信号。由于发送时间的提前，会使得来自A、B、C的发送信号经过一定端到端时延后的到达D的时间相同并准确落在标准时隙中。因此接收端D按照标准时隙进行接收解调。
5)A、B、C根据4)中所述生成A、B、C的发射时隙脉冲信号，发送标准时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一标准时隙发送的起始时刻。A、B、C在对信息进行编码、交织、星座图映射和OFDMA/SC-FDMA调制后，根据发射时隙脉冲信号进行信息发送。
6)D在根据4)中所述生成接收时隙脉冲信号，接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一标准时隙接收解调的起始时刻。D根据接收时隙脉冲信号对OFDMA/SC-FDMA信号进行解调、解映射、解交织、译码。
实施例2
系统通信模式为一对多通信，包括1个卫星发射设备A，3个地面接收设备B、C、D。通过以下步骤可实现时空基准下的OFDMA/SC-FDMA通信：
1)获取系统参数：通信模式为一对多通信，标准时隙长为100ms，通过GPS获得B、C、D位置信息，通过卫星星历获得A位置信息，计算得到A到B、C、D的距离dAB，dAC，dAD。
2)对A、B、C、D进行授时，得到秒脉冲信号。由于标准时隙长为100ms，所以对秒脉冲信号进行10倍频，生成标准时隙脉冲信号。
3)计算信号端到端时延:
Figure BDA0002119911620000081
其中τB0,τC0,τD0为发射机时延与接收机时延总和。
4)发射与接收过程如图4所示，在发射端，A用户按照标准时隙进行信号发射。在接收端，B、C、D分别在标准时隙的基础上延迟τAB、τAC、τAD解调信号。由于接收时间的延迟，会使得A发送的信号经过一定端到端时延后刚好落在B、C、D的接收时隙中。
5)A根据4)中所述生成A的发射时隙脉冲信号，发送标准时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一标准时隙发送的起始时刻。A在对信息进行编码、交织、星座图映射和OFDMA/SC-FDMA调制后，根据发射时隙脉冲信号进行信息发送。
6)B、C、D根据4)中所述生成接收时隙脉冲信号，接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一标准时隙接收解调的起始时刻。B、C、D根据接收时隙脉冲信号对OFDMA/SC-FDMA信号进行解调、解映射、解交织、译码。
实施例3
系统通信模式为点对点通信，包括1个地面发射设备A，1个地面接收设备B。通过以下步骤可实现时空基准下的OFDM/SC-FDMA通信：
1)获取系统参数：通信模式为一对一通信，标准时隙长为200ms，通过GPS获得A、B位置信息。计算得到A到B的距离dAB。
2)对A、B进行授时，得到秒脉冲信号。由于标准时隙长为200ms，所以对秒脉冲信号进行5倍频，生成标准时隙脉冲信号。
3)计算信号端到端时延:
Figure BDA0002119911620000091
其中τA0为发射机时延与接收机时延总和。
4)发射时隙脉冲信号与接收时隙脉冲信号的产生有两种方案。第一种方案如图5所示，在发射端，A用户按照标准时隙进行信号发射。在接收端，B在标准时隙的基础上延迟τAB解调信号。由于接收时间的延迟，会使得A发送的信号经过一定端到端时延后刚好落在B接收时隙中。第二种方案如图6所示，在发射端，A在标准时隙的基础上提前τAB发送信号。由于发送时间的提前，会使得A发送的信号经过一定端到端时延后到达B的时间准确落在标准时隙中。
5)A根据4)中所述生成A的发射时隙脉冲信号，发送标准时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一标准时隙发送的起始时刻。A在对信息进行编码、交织、星座图映射和OFDM/SC-FDMA调制后，根据发射时隙脉冲信号进行信息发送。
6)B根据4)中所述生成接收时隙脉冲信号，接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一标准时隙接收解调的起始时刻。B根据接收时隙脉冲信号对OFDM/SC-FDMA信号进行解调、解映射、解交织、译码。

Claims (7)

1.一种基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)获取系统参数，包括通信模式与标准时隙长度；收发机从授时设备获取秒脉冲信号与时间信息，从定位设备获取发射机与接收机坐标；
2)以秒脉冲信号为基准进行分频或倍频得到标准时隙脉冲信号，标准时隙脉冲信号的每个脉冲为一个标准时隙的起点，两个脉冲之间的长度为一个标准时隙长度；根据发射机与接收机位置以及发射机时延与接收机时延，计算信号端到端时延；
3)若通信模式是多对一通信，在发射端，各个用户在标准时隙的基础上提前一定偏置时间发送信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；在接收端，由于发送时间的提前偏置会使得来自这些用户的发送信号经过一定端到端时延后的到达时间相同并准确落在标准时隙中，因此接收端按照标准时隙进行接收；
4)若通信模式是一对多通信，在发射端，用户按照标准时隙进行信号发射，在接收端，各个用户在标准时隙的基础上延迟偏置一定时间解调信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；由于接收时间的延迟偏置会使得发送信号经过一定端到端时延后刚好落在各接收用户的接收时隙中；
5)若通信模式是点对点通信，有两种发射接收方案：
方案一是在发射端，用户在标准时隙的基础上提前偏置一定时间发送信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；在接收端，由于发送时间的提前偏置会使得发送信号经过一定端到端时延后准确落在标准时隙中，因此接收端按照标准时隙进行接收；
方案二是在发射端，用户按照标准时隙进行信号发射；在接收端，用户在标准时隙的基础上延迟偏置一定时间解调信号，该偏置时间等于步骤2)中计算得到的发射机与接收机的端到端时延；由于接收时间的延迟偏置会使得发送信号经过一定端到端时延后刚好落在接收用户的接收时隙中；
6)发射机根据步骤3)、4)、5)得到发射时隙脉冲信号，发射时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一发射时隙发送的起始时刻；发射机对信息进行编码、交织、星座图映射和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)/SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址)调制后，根据发射时隙脉冲信号进行信息发送；
7)接收机根据步骤3)、4)、5)得到接收时隙脉冲信号，接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一接收时隙接收解调的起始时刻；接收机根据接收时隙脉冲信号对OFDM/SC-FDMA信号进行解调、解映射、解交织、译码。
2.根据权利要求1所述基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，所述通信模式包括多对一通信、一对多通信和点对点通信；其中多对一通信指多个用户发送，一个用户接收；一对多通信指一个用户发送，多个用户接收；点对点通信指一个用户发送，一个用户接收。
3.根据权利要求1所述基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，所述步骤1)中的定位设备包括GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯、QZSS、IRNSS的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，所述步骤1)中收发机从授时设备获取秒脉冲信号与时间信息，其授时方法包括从授时设备GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯、QZSS、IRNSS进行授时或者系统内部进行授时；授时成功后，收发设备将获得秒脉冲信号，秒脉冲信号的周期为1秒；根据标准时隙长度T，对秒脉冲信号进行M分频或倍频产生周期为T的标准时隙脉冲信号，其中
Figure FDA0002615340310000021
M可以为正整数和正分数；标准时隙脉冲信号的每个脉冲为一个标准时隙的起点，两个脉冲之间的长度为一个标准时隙长度；
所述信号端到端时延计算采用式子：
Figure FDA0002615340310000031
其中τ为信号端到端时延，d为收发设备距离，通过发射机与接收机位置坐标求得，c为电磁波传播速度，τ0为发射机时延与接收机时延总和，通过事先标定获得。
5.根据权利要求1所述基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，所述步骤6)、7)中发送时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一发送时隙的起始时刻；接收时隙脉冲信号的每个脉冲作为每一接收时隙解调的起始时刻；在设备授时成功后，将输出秒脉冲信号，秒脉冲信号M倍频或分频后得到周期为T的标准时隙脉冲信号；若通信方式是多对一通信，在发射端，将标准时隙脉冲信号提前τi或延迟T-τi作为第i个发射机的发射时隙脉冲信号，τi为第i个发射机到接收机的端到端时延；在接收端，标准时隙脉冲信号作为接收时隙脉冲信号，若通信方式是一对多通信，在发射端，标准时隙脉冲信号作为发射时隙脉冲信号，在接收端，将标准时隙脉冲信号提前T-τi或延迟τi作为第i个接收机的接收时隙脉冲信号；若通信方式为点对点通信，有两种方案：第一种方案是在发射端，将标准时隙脉冲信号提前τ或延迟T-τ作为发射时隙脉冲信号，在接收端，将标准时隙脉冲信号作为接收时隙脉冲信号；第二种方案是在发射端，将标准时隙脉冲信号作为发射时隙脉冲信号，在接收端，将标准时隙脉冲信号提前T-τ或延迟τ作为接收时隙脉冲信号。
6.根据权利要求1所述基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，所述发送的信息包括文字、音频、图片、视频的一种或多种。
7.根据权利要求1所述基于时空基准的无线通信方法，其特征在于，所述发射机对信息进行编码的编码方式包括卷积码、Turbo码、LDPC码、极化码、RS码的一种或多种组合。
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