CN110636601B - 一种低轨卫星通信系统上行定时终端自维护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫通系统上行定时终端自维护方法,属于卫星移动通信领域，针对终端的上行传输场景。其工作原理为：终端首先记录前K个时刻T1至TK的上行提前量TA1至TAK，形成K个二维坐标点(T1，TA1)至(TK，TAK)；通过差值算法，构建上述K个坐标点的定时提前量与时间的函数关系f(t)；在第TK+1时刻，根据f(t)得到定时提前量TAK+1；计算TAK+1和TAK之间的差值，得到TK+1时刻的上行定时调整量TAUPD。具有以下的有益效果:本发明不需要信关站下发任何的控制信息，也不需要卫星的星历信息，即可实现上行定时同步的维护，具有高鲁棒性，抗毁性，尤其在下行链路受损的情况；本发明由终端自行计算并更新定时提前量，具有复杂度低，易实现的特点。

Description

一种低轨卫星通信系统上行定时终端自维护方法
技术领域
本发明属于卫星移动通信领域，针对终端的上行传输场景，具体涉及到一种低轨卫通系统上行定时终端自维护方法。
技术背景
在无线通信系统中，对于上行链路而言，由于终端到基站的距离各不相同，不同链路的传输时延也各不相同。为了保证上行传输的正交性，避免小区内终端间的干扰，要求各个终端的信号到达基站的时间基本上是对齐的，即上行定时同步。地面4G/5G系统引入了发送定时提前机制，网络通过控制每个终端合适的定时提前量，能够保证小区内终端的上行同步。
上行定时同步如图1所示，通过给每个终端设置不同的定时提前量，可以保证终端的上行信号在接收端同步。初始的上行定时同步在终端入网的时候完成，基站通过测量随机接入序列的时延，计算不同终端的上行定时提前量并在随机接入响应中反馈给终端。然而，在现代无线通信系统中，由于终端具备一定的移动性，小区内上行传输的正交性会因此受到破坏，为了维持稳定的上行传输，需要根据链路传输时延的变化，对终端的上行定时进行实时的同步更新。上行定时同步跟踪技术主要分为开环和闭环两种方案。开环方案的主要特点表现为终端通过测量基站的下行传输时延，计算上行定时提前量，自行维护上行定时同步。闭环方案的主要特点表现为基站控制并维护小区内所有终端的上行定时同步，基站通过测量上行传输的时延变化，计算不同终端的上行定时提前量，并通过下行传输将定时提前更新量反馈给终端，终端依据收到的更新量更新本地的上行定时提前量。
在卫星移动通信系统中，终端主要通过卫星的转发实现与地面信关站的通信。地面移动通信系统的上行定时同步跟踪主要源于终端的移动性，与此相反，在卫星移动通信系统中，终端的移动速度远远小于近地轨道的卫星的移动速度。由于卫星的运动速度非常高，终端与卫星之间的链路距离也在实时变化，为了保持各个终端信号通过卫星的转发之后，在地面信关站端保持正交，需要对不同终端的上行定时进行实时的更新维护。传统卫星移动通信系统的上行定时维护需要倚靠卫星星历、信关站位置等信息。在一些突发情况下，当下行链路受损，终端无法收到信关站的下行信号或者星历信息突然丢失时，传统的方法将会失效。在这种场景下，为了维持上行传输的定时同步，需要重新设计上行定时维护方法，本专利提出了低轨卫通系统上行定时终端自维护方法。
发明内容
为了解决卫星移动通信系统中维护终端的上行定时同步，消除卫星运动引入的定时偏差影响，本发明提出了一种低轨卫通系统上行定时终端自维护方法。
本发明提出了一种低轨卫星通信系统上行定时终端自维护方法，该方法假设终端已经通过某种方法获得了前面K个时刻的上行定时提前量从TA1到TAK；本发明提出了一种低轨卫星通信系统上行定时终端自维护方法，该方法包括：
步骤1：在第K+1时刻，统计前K个时刻对应的定时提前量TA1到TAK，在二维坐标平面形成K个二维坐标点(T1,TA1),…(TK-1,TAK-1)；
步骤2：通过差值算法，构建一条通过步骤1中K个坐标点的不超过K-1次的多项式函数，对上述K个坐标进行曲线拟合，得到定时调整量与时间的变化函数fTA(t)；
步骤3：取函数fTA(t)在K+1时刻的值作为最新的提前量TAK+1；计算TAK+1与TAK之间的差值，即可得到K+1时刻的定时更新量TAUDP；
步骤4：采用TAUPD调整当前的上行传输时刻，发送上行数据。
本发明提出了一种低轨卫通系统上行定时终端自维护方法，相对于现有技术具有以下的有益效果。
(1)本发明不需要信关站下发任何的控制信息，也不需要卫星的星历信息，即可实现上行定时同步的维护，具有高鲁棒性，抗毁性，尤其在下行链路受损的情况。
(2)本发明由终端自行计算并更新定时提前量，具有复杂度低，易实现的特点。
附图说明
图1是上行定时同步示意图。
图2是卫星移动通信系统上行传输示意图。
图3是本发明基于卫星运动趋势的上行定时同步维护方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
实施实例1：
本发明提出了一种低轨卫通系统上行定时终端自维护方法。如图2所示，考虑典型卫星移动通信系统，在该系统中，处于卫星波束小区内的终端1和终端2通过卫星与地面信关站进行通信。由于终端1和终端2的位置不同，上行信号的传输时延也不相同，为了避免上行终端间的干扰，保证终端1和终端2的上行信号帧与信关站的下行信号帧对齐，需要对终端1和终端2的上行发送时间进行调整，下面以终端1为目标进行分析，假设终端1的上行定时提前量表示为TA。由于卫星的运动，终端1与卫星之间的距离在实时变化，上行链路的传输时延也在变化，因此需要对TA进行跟踪维护。
现假设终端1通过某种方法，在前K个时刻已经获得了准确的TA量，分别表示为TA1到TAK，在后面的时刻，由于某些原因，终端无法从信关站收到任何数据，需要自行维护上行定时同步。如图3所示，一种低轨卫星通信系统上行定时终端自维护方法，该方法包括：
步骤1：在第K+1时刻，统计前K个时刻对应的定时提前量TA1到TAK，在二维坐标平面形成K个二维坐标点(T1,TA1),…(TK-1,TAK-1)；
步骤2：通过差值算法，构建一条通过步骤1中K个坐标点的不超过K-1次的多项式函数，对上述K个坐标进行曲线拟合，得到定时调整量与时间的变化函数fTA(t)；
步骤3：取函数fTA(t)在K+1时刻的值作为最新的提前量TAK+1；计算TAK+1与TAK之间的差值，即可得到K+1时刻的定时更新量TAUDP；
步骤4：采用TAUPD调整当前的上行传输时刻，发送上行数据。
步骤2中的差值算法，可以采用经典的拉格朗日插值算法，牛顿插值算法。本专利采用传统的差值算法，提出了通过终端不需要任何控制信号即可自行维护上行定时同步的算法和机制。
实施实例2：本发明提出了一种低轨卫通系统上行定时终端自维护方法。
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2所示，包括：地面信关站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(实际系统中可能存在更多终端，实例中仅列举出两个)。下面针对上述具体实例，阐述本专利。
步骤1：信关站G1与卫星S1建立连接，获取卫星S1的系统信息，包括波束覆盖信息，这里以卫星S1覆盖的波束小区C1为例，终端1和终端2位于波束小区C1中。
步骤2：终端1，终端2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：信关站收到终端1和终端2的随机接入信号，并计算出初始的定时调整量TAINI1,TAINI2,并在随后的随机接入响应信号(Random Access Response)RAR中反馈给终端1和终端2。
步骤4：终端1和终端2，接收到初始的定时提前量TAINI1和TAINI2，并调整本地时间。假设在随后的100ms时间内，终端1和终端2各自收到由信关站下发的10次定时更新量TA1upd1＝1us,…,TA1upd10＝10us；TA2upd1＝1.3us,…,TA2upd10＝13us。
步骤5：假设在接下来的时间内，终端1和终端2均无法收到信关站下发的定时提前量。因此，终端1和终端2将根据差值算法自行计算后续的定时调整量。
步骤6：假设采用经典的拉格朗日差值算法，取5个点作为差值算法的已知坐标点，计算得到TA1upd11＝14us，TA2upd12＝14.3us；
步骤7：终端1和终端2根据通过差值算法得到的TA1upd11和TA2upd12，更新本地时间，完成上行定时同步。
步骤8：在后续的一段时间内，终端1和终端2继续采用这种算法完成本地时间的上行同步跟踪。
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 (1)

1.一种低轨卫星通信系统上行定时终端自维护方法，该方法包括：
步骤1：在第K+1时刻，统计前K个时刻对应的定时提前量TA1到TAK，在二维坐标平面形成K个二维坐标点(T1,TA1), (T2,TA2),…(TK,TAK)，K≥3；
步骤2：通过差值算法，构建一个通过步骤1中K个坐标点的不超过K-1次的多项式函数，对上述K个坐标进行曲线拟合，得到定时调整量与时间的变化函数fTA(t)；
步骤3：取函数fTA(t)在K+1时刻的值作为最新的提前量TAK+1；计算TAK+1与TAK之间的差值，即可得到K+1时刻的定时更新量TAUDP；
步骤4：采用TAUPD调整当前的上行传输时刻，发送上行数据。
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