CN110611949B - 一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法，信关站以预测波束中心点作为参考点，预测波束内各终端的定时提前量变化量，并广播给波束内各终端，各终端按照该定时提前量变化量进行定时提前量更新，从而应对卫星运动引入的上行传输时延偏差。其工作原理为：(1)信关站计算波束中心点接收到下一次定时提前量变化量的时刻。(2)信关站计算下一次定时提前量变化量对波束中心点的有效时间段。(3)信关站预测有效时间段内，卫星运动造成的波束中心点上行传输时延变化范围。(4)信关站根据上行传输时延变化范围计算波束中心点定时提前量变化量。

Description

一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，具体涉及到一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法。
技术背景
随着我国航天事业的发展，部署基于卫星的空天一体化的移动通信系统逐渐成为了可能。卫星通信系统能够提供全球覆盖，尤其是对一些地面系统的覆盖盲区而言，比如山区，农村，海上，极地等等。在现代移动通常的场景下，由于卫星通信系统的覆盖范围广，卫星信号能够在无线数据缓存，内容分发，数据回传，区域广播等方面带来无可比拟的优势。
卫星通信系统具有大距离传输，高动态等特点，这给系统的设计与实现带来了众多的挑战，其中之一就是上行同步跟踪问题。传统的地面移动通信系统采用的主要是基于闭环的上行同步跟踪方案，即基站通过测量每一次终端上行信号的传输时延，来更新每个终端的上行定时提前量。
在卫星通信系统中，卫星的运动速度非常快，高达数公里每秒，链路的传输距离比较长，单向时延高达几十毫秒。地面信关站测量上行传输时延计算上行时间更新量的时刻，与终端采用该定时提前量发送数据的时刻之间存在较大的时间差，卫星的位置已经发生了改变，导致定时提前量过期。
考虑以上问题，本发明提出一种上行定时提前量预测方法，信关站根据星历，对卫星运动造成的上行传输时延偏差进行预测，得到终端发送数据时刻相对应的定时提前量。
发明内容
为了解决卫星通信系统中的终端上行传输同步跟踪问题，本发明提出了一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法。
本发明提出了一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法，适用于地面终端通过卫星与地面信关站通信的场景，实现卫星的一个波束覆盖范围内的多个终端间的上行同步跟踪。本发明中，信关站以预测波束中心点作为参考点，预测波束内各终端的定时提前量变化量，并广播给波束内各终端，各终端按照该定时提前量变化量进行定时提前量更新，从而应对卫星运动引入的上行传输时延偏差。如图1所示，本发明通过如下技术方案实现，一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法，该方法包括：
步骤1：信关站计算卫星波束中心点接收到下一次定时提前量变化量的时刻；
步骤2：信关站计算下一次各终端定时提前量变化量对波束中心点的有效时间段；
步骤3：信关站根据星历，推测卫星运动轨迹，基于信关站位置、卫星位置和波束中心位置计算上行传输时延，以现有定时提前量对应时刻的上行传输时延为初始值d0，计算步骤2得到的有效时间段内上行传输时延范围为[dmin,dmax]，从而得到卫星波束中心点上行传输时延变化范围为[dmin-d0,dmax-d0]；
步骤4：信关站根据卫星波束中心点上行传输时延变化范围，计算波束中心点定时提前量变化量，并将该定时提前量变化量近似为波束内各终端的定时提前量变化量，广播给波束内各终端。
进一步的，所述步骤4中采用平均值方法计算波束中心点定时提前量变化量TAUP＝((dmin-d0)+(dmax-d0))。
本发明提出了一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法，相对于现技术具有以下的有益效果：
(1)本发明利用卫星星历，通过预测卫星位置，对终端上行定时提前量变化情况进行预测，保证上行同步性能。
(2)本发明利用广播信号下发时间提前量变化量，相比传统方法针对各终端分别计算并下发时间更新量，该方法具有复杂度低，资源占用低等优点。
附图说明
图1是本发明提出的卫通系统上行定时提前量信关站预测方法流程图；
图2是卫星通信系统传输时序图；
图3是卫星通信系统典型场景示意图；
图4是卫星通信系统上行同步跟踪流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
本发明提出了一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法，适用于地面终端通过卫星与地面的信关站通信的场景，实现卫星的一个波束覆盖范围内的多个终端间的上行同步跟踪。
卫星通信系统传输时序如图2所示。
T0时刻：已经实现随机接入的波束中心位置终端采用定时提前方式发送上行信号时刻。
T01时刻：T0时刻发送上行信号到达卫星时刻。
T1时刻：T0时刻发送上行信号到达信关站时刻。
T2时刻：信关站第K次下发定时提前量变化量的时刻。
T23时刻：T2时刻发送定时提前量变化量到达卫星的时刻。
T3时刻：T2时刻发送定时提前量变化量到达波束中心参考点的时刻。
T4时刻：T3时刻之后的下一个上行传输时刻。
T45时刻：波束中心参考点T4时刻发送的上行信号达到卫星的时刻。
T5时刻：波束中心参考点T4时刻发送的上行信号到达信关站的时刻。
T6时刻：信关站第K+1次下发定时提前量的时刻，与T2相隔一个数据帧的长度。
后续时序依次类推，其中的T5时刻有可能是在T6时间之后。
具体实施实例如下：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，以北京，广州，拉萨，部署三处信关站为例，作为卫星的地面控制节点。设发射60个近地极地卫星，轨道高度为1175公里，卫星径向速度6.1公里每秒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。
上述实例中的卫星通信系统场景如图3所示，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，终端2，终端3等等(实际存在更多的终端，实例中列举出三个终端)，以及波束中心参考点。
卫星通信系统上行同步跟踪流程如图4所示，本发明在信关站对定时提前量变化量进行预测。信关站以预测波束中心点作为参考点，预测波束内各终端的定时提前量变化量，并广播给波束内各终端，各终端按照该定时提前量变化量进行定时提前量更新，从而应对卫星运动引入的上行传输时延偏差。
假设在T2时刻之前，终端1和终端2已经实现了随机接入，获得了初始的定时提前量TAINT，按照定时提前方式发送的上行信号在T1时刻同时到达信关站。现在以T2时刻之前信关站进行的定时提前量预测示例进行说明。
步骤1：信关站获取连接卫星的标号S1，卫星S1的轨道信息，以及卫星S1的波束覆盖信息(卫星S1可能存在多个波束，每个波束下的用户被划分在同一个小区)，这里考虑终端1，终端2，终端3所在的波束小区C1。
计算波束中心点接收到下一次定时提前量变化量TAUP的时刻T3。
步骤2：终端1，终端2，终端3各自接收下行同步帧，完成下行时间同步，并在之后的随机接入窗口发送上行随机接入信号，请求接入信关站G1。
步骤3：信关站G1在随机接入阶段分别计算出终端1，终端2，终端3的初始上行定时提前量TA1，TA2，TA3，假设TA1＝32.2ms，TA2＝33ms，TA3＝33.6ms，对应的馈电链路距离为3600km，终端1的用户链路为1230km，终端2的用户链路为1350km，终端3的用户链路为1440km,波束中心点的传输链路距离为D0＝4935km，对应d0＝16.45000ms。
步骤4：信关站将初始的定时提前量TA1，TA2，TA3分别反馈给终端1，终端2，以及终端3。
步骤5：假设终端1，终端2，终端3，根据TA1，TA2，TA3调整本地发送时间，实现上行同步，根据时序图2，终端1，终端2，终端3的信号在T1时刻同时到达。假设终端1，终端2，终端3的下一次传输时间为T4时刻。
步骤5：假设T4和T0之间相差40ms，即终端1，终端2，终端3在40ms之后再次发送上行数据信号。
步骤6：信关站根据星历分别计算终端1，终端2，终端3的时延变化量。首先计算馈电链路的时延变化量，得到Dcom＝3600.202km。用户链路的距离分别为D1＝1230.065km；D2＝1350.108km；D3＝1440.127km；可以计算得到Dmin＝4830.267km，Dmax＝5040.329km；对应的时延dmin＝16.10089ms，dmax＝16.801097ms.
步骤7：信关站根据星历以及D0，Dmin，Dmax计算出波束小区中心的传输距离的偏移量，Dc＝((Dmin-D0)+(Dmax-D0))/2＝298m；得到时延偏移量为Tc＝0.99us，因此定时提前更新量TAupd＝1.98us；
步骤8：信关站将定时提前更新量TAupd通过广播下发给终端1，终端2，终端3所在的小区。终端1，终端2，终端3接收到定时更新量TAupd之后，分别更新本地定时提前量TA1NEW＝TA1+TAupd；TA2NEW＝TA2+TAupd；TA3NEW＝TA3+TAupd；并在T4时刻以更新之后的定时提前量发送上行信号。
本实例中，信关站类似地面通信系统中的基站作为网络的接入节点，为波束内的所有终端提供接入服务。地面终端与信关站之间需要通过卫星实现相互连接和数据传递。
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原理；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 (2)

1.一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法，该方法包括：
步骤1：信关站计算卫星波束中心点接收到下一次定时提前量变化量的时刻；
步骤2：信关站计算下一次各终端定时提前量变化量对波束中心点的有效时间段；
步骤3：信关站根据星历，推测卫星运动轨迹，基于信关站位置、卫星位置和波束中心位置计算上行传输时延，以现有定时提前量对应时刻的上行传输时延为初始值d0，计算步骤2得到的有效时间段内上行传输时延范围为[dmin,dmax]，从而得到卫星波束中心点上行传输时延变化范围为[dmin-d0,dmax-d0]；
步骤4：信关站根据卫星波束中心点上行传输时延变化范围，计算波束中心点定时提前量变化量，并将该定时提前量变化量近似为波束内各终端的定时提前量变化量，广播给波束内各终端。
2.如权利要求1所述的一种卫通系统上行定时提前量信关站预测方法,其特征在于所述步骤4中采用平均值方法计算波束中心点定时提前量变化量TAUP＝((dmin-d0)+(dmax-d0))。
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