CN110602779B - 一种基于同步帧的卫星通信上行闭环定时同步方法 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种基于同步帧的卫星通信上行闭环定时同步方法,涉及卫星通信领域。本发明该方法的组成主要包括:下行同步帧分组、上行传输时延计算、小区公共传输时延计算、基于星历的上行数据到达卫星时刻预测、基于星历的上行传输时延偏移量及小区公共时延偏移量计算、上行传输时延调整量计算与下发。具有以下的有益效果:本发明针对多载波体制卫星通信系统,能够有效降低传输时延对上行时间同步的影响,定时同步精度高;本发明采用闭环定时同步方法,与传统的地面移动通信系统上行定时同步方法相兼容。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域,具体涉及到一种基于同步帧的上行闭环定时同步方法。
背景技术
卫星通信系统具有大距离传输、高动态等特点,这给系统设计带来了众多的挑战,对于采用多载波体制的卫星通信系统,需要解决系统中地面终端的上行同步跟踪问题。由于地面终端与卫星间的距离不等且实时变化,如果不同的终端同时发送上行数据时,信关站接收到不同终端的信号的时间是不同的。此时需要根据地面终端与卫星间距离的远近,相应的调整地面终端发射信号的时间提前量,保证所有终端的同一个上行数据帧同时到达信关站。为了避免不同终端相邻的上行数据帧在信关站发生交叠,防止终端间干扰导致无法正常通信,需要对上行链路进行定时处理,保持上行同步,即终端上行链路的定时同步技术。
传统的地面移动通信系统采用的主要是基于闭环的上行定时同步方案,小区基站通过测量终端上行信号的传输时延,来计算每个终端的上行定时提前量。在卫星通信系统中,以传输距离较短的低轨卫星为例,卫星的运动速度非常快,链路的传输距离比较长,在终端上行发送时刻,地面信关站根据测量传输时延并计算得到的终端上行定时提前量已经过期,需要重新设计终端上行定时同步机制。针对以上问题,本发明专利提出了一种基于同步帧的上行闭环定时同步方法。
发明内容
为了解决多载波体制卫星通信系统中的上行定时同步问题,本发明提出了一种基于同步帧的上行闭环定时同步方法。
本发明提出了一种基于同步帧的上行闭环定时同步方法,该方法的组成主要包括:下行同步帧分组、上行传输时延计算、小区公共传输时延计算、基于星历的上行数据到达卫星时刻预测、基于星历的上行传输时延偏移量及小区公共时延偏移量计算、上行传输时延调整量计算与下发。本发明具体通过如下方案实现,一种基于同步帧的卫星通信上行闭环定时同步方法,该方法包括:
步骤1:预估小区传输时延范围,在该信关站的下行传输帧基础上划分同步帧,并以N帧为单位进行分组,每个同步帧中固定位置填充有同步帧编号n,n=1,2,…,N,信关站周期发送同步帧;
N的选取准则:N个同步帧持续时间大于小区内终端最大往返传输时延;
步骤2:终端接收下行同步信号并进行时间同步,在接收到第k组同步帧第一帧后,发送上行随机接入信号,发起随机接入;
步骤3:信关站收到终端发送的上行随机接入信号,并记录接收时间T1,根据第k组同步帧第一帧的发送时间T0,并根据星历,计算出终端的上行传输时延TDELAY1;
步骤4:信关站根据星历和上行传输时延TDELAY1,预测下一次终端上行信号到达卫星的时刻T23;
步骤5:根据时延补偿方案:在相对时延补偿方案下,计算T23时刻小区的公共传输时延TCOM23,以及终端的上行传输时延TDELAY23;在绝对时延方案下:信关站根据星历,推算T23时刻终端的上行传输时延TDELAY23;相对时延补偿TA计算公式TA=2(TDELAY1–TCOM23),绝对时延补偿TA计算公式TA=2TDELAY1;
步骤6:信关站计算终端定时提前量TAINI,并下发给终端;
定时提前量更新阶段:
步骤7:终端按照定时提前量TAINI发送上行信号;
步骤8:信关站T3时刻收到终端的上行信号,并测量上行传输时延,计算终端的定时提前量;
步骤9:信关站根据星历,推算终端的下一次上行信号到达卫星T67时刻卫星的位置,并计算新的上行定时提前量TANEW;
步骤10:信关站计算TANEW与TAINI之间的差值TAUPD,并将TAUPD下发给终端;
步骤11:终端收到TAUPD值,并更新发送下一次信号的定时提前量。
进一步的,所述步骤1中对同步帧进行分组是以每个小区为单元,对每个小区进行分组,每个小区的分组格式固定,终端在对齐一个同步帧组后即可发送上行随机接入信号,信关站在接收到上行随机接入信号之后,根据最近的同步帧组的发送时间及星历信息计算出终端的上行时延,并推算出终端的相对位置。
进一步的,所述步骤4中,信关站根据上行定时指令的生效时刻,以及终端的位置,计算出终端的上行信号到达卫星的时刻,根据星历,得到此时卫星的位置,以及此时的终端链路的时延信息,计算出终端的上行定时提前量,并在随后的随机接入响应信息中下发给终端。
本发明一种基于同步帧的上行闭环定时同步方法,具有以下的有益效果:
(1)本发明针对多载波体制卫星通信系统,能够有效降低传输时延对上行时间同步的影响,定时同步精度高。
(2)本发明采用闭环定时同步方法,与传统的地面移动通信系统上行定时同步方法相兼容。
附图说明
图1是本发明基于同步帧的上行闭环定时同步方法框图。
图2是卫星移动通信系统示意图。
图3是卫星移动通信系统传输时序图。
图4是本发明的初始定时提前量测量流程。
图5是本发明的信关站同步帧组发送时序示意图。
图6是本发明的上行定时同步维护流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
本发明提出了一种基于同步帧的上行闭环定时同步方法,主要在多载波体制卫星通信系统内使用。为了说明提出的基于同步帧的上行闭环定时同步方法,考虑如图2所示的系统模型,小区内的所有终端必须通过卫星接入地面信关站进行数据传输。假设终端1,已经完成上行时间同步,现在终端2加入了该小区,为了不和终端1的上行信号产生干扰,现在终端2需要进行上行时间同步,与终端1的上行信号在地面信关站端对齐。卫星通信系统传输时序如图3所示。初始定时提前量测量流程如图4所示。
实施实例1:
步骤1:预估小区传输时延范围,在下行传输帧基础上划分同步帧,并以N帧为单位进行分组。每个同步帧中固定位置填充有同步帧编号n,n=1,2,…,N,N的选取准则:N个同步帧持续时间大于小区内终端最大往返传输时延。信关站周期发送同步帧,编号为1的同步帧的发送时间记为T0;
步骤2:终端2进行下行同步,在有随机接入需求的情况下,以检测到编号为1的同步信号帧,触发上行随机接入信号发送处理。
步骤3:信关站同步帧组发送时序如图5所示,在T1时刻,信关站收到上行随机接入信号。由于一组同步帧的时间大于两倍的小区最大传输时延,根据T1和T0可以推算出终端2的上下行链路传输时延和。信关站根据星历,推算出随机接入信号到达卫星的时刻T1,以及此时终端2上行链路传输时延TDELAY1,以及T1时刻小区的公共传输时延TCOM1。
步骤4:信关站根据系统设置,推算终端2定时提前的生效时刻,以及终端2的上行信号到达卫星的时刻T23。
步骤5:卫星互联网系统可以采用不同的上行时间同步方案:相对时延补偿或绝对时延补偿。在相对时延同步方案下,信关站根据星历,推算出T23时刻,小区的公共传输时延TCOM23,以及终端2的上行传输时延TDELAY23,计算终端2的上行时间提前量TAINI=2(TDELAY23-TCOM23)。
步骤6:在绝对时延补偿方案下,信关站计算T23时刻,终端2的上行传输时延TDELAY23,计算终端2的上行时间提前量TAINI=2TDELAY23。
步骤7:信关站下发终端2的随机接入响应信号,并在其中包含终端2的定时提前量TAINI。
步骤8:终端收到TAINI值,并根据TAINI值进行定时调整,发送上行数据传输。
上行定时维护流程如图6所示,具体步骤如下:
步骤1:终端根据获取到的初始值TAINI调整上行发送时间,并发送数据。
步骤2:信关站接收到终端的上行数据,测量上行传输时延TDELAY23。
步骤3:信关站根据星历,计算终端2下一次上行传输到达卫星时刻T67,计算T67时刻的上行数据时间偏移量TACOR。
步骤4:信关站计算2(TACOR+TDELAY23)与TAINI之间的差值TAUPD,并将TAUPD反馈给终端2。
步骤5:终端2根据收到的TAUPD的值,更新本地的上行时间提前量。
步骤6:终端根据接收到的TAUPD的值更新本地定时提前量TA。
本实例中上行定时同步分为两个阶段,第一阶段为上行时间提前量的初始测量阶段,该阶段内通过测量上行随机接入信号的时延,并根据星历对终端的上行传输时刻的时延值进行一定的补偿。信关站计算补偿之后的时间提前量,并下发给终端。初始的时间提前量测量完成之后,第二阶段为上行定时维护阶段,信关站测量终端的上行数据的时延,根据星历,对下一时刻终端的上行传输的时延进行补偿,计算补偿了之后的上行时间提前量。对比新的上行时间提前量与旧的上行时间提前量,并将差值反馈给终端,完成上行时间同步的更新。
实施实例2:考虑针对部署在我们国内覆盖亚洲的卫星通信系统,地面在不同的地点,例如北京,广州,拉萨,部署三处信关站,作为卫星的地面控制节点。假设发射60个近地极地卫星,轨道高度为1175km,卫星径向速度6.1km/s实现覆盖亚洲的卫星通信系统。现以北京信关站G1,连接的卫星S1的波束覆盖的小区为例阐述本发明专利。在该实例中的包括:地面的信关站G1,太空轨道的卫星S1,以及卫星波束覆盖范围内的终端1和终端2为例阐述本发明专利:
步骤1:信关站通过与卫星:1建立连接,卫星S1告知信关站G1卫星编号,轨道信息,以及波束覆盖范围信息(卫星S1可能存在多个波束,每个波束称为一个小区)。假设终端1和终端2处于小区C1中。
步骤2:信关站根据卫星的星历信息,计算波束小区C1的覆盖位置,以及该小区内的传输时延范围,假设小区C1的传输时延范围为(12-16)ms,即终端1(处于最近位置)上行链路的传输时延需要12ms,终端2(处于最远位置)的上行链路的传输时延为16ms。
步骤3:信关站根据下行链路配置,假设每个数据帧的长度为10ms,那么将4帧数据组成一个帧组。即0,1,2,3帧为第一组,4,5,6,7帧为第二组,依次类推。
步骤4:信关站将下行帧分组信息通过广播下发给波束C1内的终端1和终端2。
步骤5:终端1和终端2根据同步信号进行下行同步,并解调出广播信号中的同步帧分组信息,获知下行帧分为4帧一组。
步骤6:终端1和终端2接收下行同步信号帧,并译码得到其帧号。在完成同步之后,以接下来第一个同步帧组内的第一帧时间为基准发送上行随机接入信号,发起上行随机接入。
步骤7:信关站G1收到随机接入信号之后,测量上行传输时延,由于一个同步帧组的时间长度大于两倍的最远传输时延,因此信关站在接收到的时间只需要与当前帧组的发送时间相比较,即可得到初始的定时提前量TAINI1=24ms和TAINI2=32ms发送给终端1和终端2.
步骤8:信关站G1将TAINI1和TAINI2在下行随机接入响应信号RAR中反馈给终端1和终端2。
上行定时同步跟踪过程:
步骤1:终端1和终端2在收到了TAINI1和TAINI2后,分别调整本地发送时间。并在T0时刻向信关站G1发起调度请求。
步骤2:信关站在收到终端1和终端2的调度请求之后,分别给终端1和终端2分配相应的调度资源,指定终端1和终端2在T2发送上行数据传输。
步骤3:信关站计算T2和T0时间之间的时间差,并根据星历计算时延变化量,假设T2时刻终端1和终端2的上行传输时延分别变为13ms和15.5ms。
步骤4:信关站计算终端1和终端2的上行定时提前量的更新量TAupd1=2ms和TAupd2=-1ms,随后在下行的调度信息中下发给终端1和终端2。
步骤5:终端1和终端2根据定时提前更新量更新本地时间,并在指定的时间发送上行信号。在后续的传输过程中以更新后的定时提前量为基准,进行下一次的更新。
以上对本发明实施例进行了详细介绍,本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种基于同步帧的卫星通信上行闭环定时同步方法,该方法包括:
步骤1:预估小区传输时延范围,在信关站的下行传输帧基础上划分同步帧,并以N帧为单位进行分组,每个同步帧中固定位置填充有同步帧编号n,n=1,2,…,N,信关站周期发送同步帧;
N的选取准则:N个同步帧持续时间大于小区内终端最大往返传输时延;
步骤2:终端接收下行同步信号并进行时间同步,在接收到第k组同步帧第一帧后,发送上行随机接入信号,发起随机接入;
步骤3:信关站收到终端发送的上行随机接入信号,并记录接收时间T1,根据第k组同步帧第一帧的发送时间T0,并根据星历,计算出终端的上行传输时延TDELAY1;
步骤4:信关站根据星历和上行传输时延TDELAY1,预测下一次终端上行信号到达卫星的时刻T23;
步骤5:根据时延补偿方案:在相对时延补偿方案下,计算T23时刻小区的公共传输时延TCOM23,以及终端的上行传输时延TDELAY23;在绝对时延方案下:信关站根据星历,推算T23时刻终端的上行传输时延TDELAY23;相对时延补偿方案下,终端的上行时间提前量TAINI=2(TDELAY1–TCOM23),绝对时延方案下,终端的上行时间提前量TAINI=2TDELAY1;
步骤6:信关站计算终端定时提前量TAINI,并下发给终端;
定时提前量更新阶段:
步骤7:终端按照定时提前量TAINI发送上行信号;
步骤8:信关站T3时刻收到终端的上行信号,并测量上行传输时延,计算终端的定时提前量;
步骤9:信关站根据星历,推算终端的下一次上行信号到达卫星T67时刻卫星的位置,并计算T67时刻的上行数据时间偏移量TACOR;
步骤10:信关站计算2(TACOR+TDELAY23)与TAINI之间的差值TAUPD,并将TAUPD下发给终端;
步骤11:终端收到TAUPD值,并更新发送下一次信号的定时提前量。
2.如权利要求书1所述的一种基于同步帧的卫星通信上行闭环定时同步方法,其特征在于所述步骤1中对同步帧进行分组是以每个小区为单元,对每个小区进行分组,每个小区的分组格式固定,终端在对齐一个同步帧组后即可发送上行随机接入信号,信关站在接收到上行随机接入信号之后,根据上一帧同步帧组的发送时间及星历信息计算出终端的上行时延,并推算出终端的相对位置。
3.如权利要求书1所述的一种基于同步帧的卫星通信上行闭环定时同步方法,其特征在于所述步骤4中,信关站根据上行定时指令的生效时刻,以及终端的位置,计算出终端的上行信号到达卫星的时刻,根据星历,得到终端的上行信号到达卫星时刻卫星的位置,以及此时的终端链路的时延信息,计算出终端的上行定时提前量,并在随后的随机接入响应信息中下发给终端。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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