CN111315008B - 一种控制站与移动站的通信时序设置方法 - Google Patents

一种控制站与移动站的通信时序设置方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种控制站与移动站的通信时序设置方法，在该时序中控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包；移动站相对UTC时间节点提前向控制站发送上行数据包。一种通信时序是所有移动站统一相对UTC时间节点提前一个固定时间向控制站发送上行数据包；另一种通信时序是每个移动站检测控制站发送的下行数据包并计算接收到的下行数据包时间与自身UTC时间节点的差值为δ，并相对UTC时间节点提前一个时间δ及一个额外时间向控制站发送上行数据包。当控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，在下行传输块切换到上行传输块间空出一个时间间隙。本发明使得下行传输块均不存在保护间隔,增加了下行资源利用率。

Description

一种控制站与移动站的通信时序设置方法
技术领域
本发明涉及通信领域，并且更具体地，涉及一种控制站与移动站的通信时序设置方法。
背景技术
甚高频(VHF,Very High Frequency)数据交换系统(VDES，VHF Data ExchangeSystem)的是一种为实现E-航海(e-Navigation)服务的通信系统。VDES系统的最小传输单元长度为1个时隙，时间为80/3ms。
VDES中基于低轨道(LEO，Low Earth Orbiting)卫星的天基数据交换部分，也即VDE-SAT，是用于支持全球范围的移动站与卫星间的双向通信。当前VDES技术研讨文档G1139中，移动站与卫星间采用FDD半双工通信模式。以轨道高度为600km的LEO卫星为例，卫星与移动站(如船)最近距离为600km(星下点方向)，对应的路径传输时延为2ms，而最远距离为2830km(水平方向)，相应的传输时延为～10ms。在下行传输块切换到上行传输块的交界处，为了避免移动站接收的下行信号与上行信号发生重叠，需在下行传输块到上行传输块的交接处留有10ms-2ms＝8ms的保护间隔。为避免下行传输块结构的不统一，当前VDE-SAT的下行传输块都统一留有8ms保护间隔。当下行传输块为1个时隙时，这个8ms保护间隔时间相当于高达33％的资源开销，其大大降低了VDE-SAT系统的下行资源利用率。VDES的地面数据交换部分，也即VDE-TER，主要用于近岸处移动站与岸站间的双向通信，其下行传输块也均预留有0.83ms保护间隔。
发明内容
发明目的：本发明目的在于去除下行传输块中的保护间隔以提高下行资源利用率，同时保证系统工作在FDD全双工、FDD半双工以及TDD三种模式下的传输块结构的一致性。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种控制站与移动站的通信时序设置方法，所述控制站为卫星或基站，包括：
控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包；
移动站相对UTC时间节点提前向控制站发送上行数据包，在上行传输块中预留保护间隔ΔGP，所述ΔGP≥0
进一步地，所有移动站统一相对UTC时间节点提前一个固定时间ΔTA向控制站发送上行数据包，包括：
若控制站为卫星，所述ΔTA＝δMAX，其中δMAX为移动站与卫星间的最大单向传输时延；
若控制站为基站，当移动站与基站间使用FDD全双工通信模式，所述ΔTA＝δMAX,其中δMAX为移动站与基站间的最大单向传输时延；当移动站与基站间使用FDD半双工或TDD通信模式，所述ΔTA＝δMAX+δ1，δ1为常数，至少大于两倍切换通信方向所需的时间；
所述上行传输块的保护间隔ΔGP不小于δMAX。
进一步地，移动站检测控制站发送的下行数据包，计算接收到的所述下行数据包时间与自身UTC时间节点的差值为δ，所述移动站相对UTC时间提前一个时间ΔTA＝δ+δ2向控制站发送上行数据包，包括：
若控制站与移动站间使用FDD全双工通信模式，δ2＝0；
若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，δ2为常数，至少大于两倍切换通信方向所需的时间；
所述上行传输块的保护间隔ΔGP等于0。
进一步地，所述上行传输块的保护间隔ΔGP大小至少可容纳移动站的上行最大定时提前误差。
进一步地，若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，在下行传输块切换到上行传输块间空出一个时间间隙，所述时间间隙长度等于系统最小传输单元时间。
有益效果：本申请相对于现有技术而言：
采用本发明的控制站与终端设备的通信时序，一方面有效增加了下行资源利用效率，另一方面保证了全双工FDD、半双工FDD以及TDD三种模式下的传输块结构的一致性。
附图说明
图1为现有的VDE-SAT系统中用于卫星与移动站的通信时序；
图2为本发明实施例1的通信时序示意图；
图3为本发明实施例2的通信时序示意图；
图4为本发明实施例3的通信时序示意图；
图5为本发明实施例4的通信时序示意图；
图6为本发明实施例5的通信时序示意图；
图7为本发明实施例6的通信时序示意图；
图8为本发明实施例7的通信时序示意图；
图9为本发明实施例8的通信时序示意图；
图10为本发明实施例9的通信时序示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
UTC是协调世界时的简称，全称是Coordinated Universal Time，也被称为世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间。VDE-SAT系统中的控制站为轨道高度为600km的LEO卫星，移动速度为8km/s，卫星到地面上移动站的最远距离为水平切线方向，长度为2830km，对应最大传输时延为δMAX＝10ms，最近距离为卫星星下点方向，长度为600km，对应最小路径传输时延为δMIN＝2ms。VDE-TER中控制站为岸站，其覆盖小区大小约120海里(NauticalMile)，对应到小区边缘移动站的传输时延为0.83ms。移动站可以是无线传感器、船舶、VHF频段通信设备以及其它可以接收VDES信号的终端设备。
请参考图1，其示出了现有VDE-SAT通信时序方案，包括以下特征：1)VDE-SAT的上行传输块和下行传输块中都有一个ΔGP＝8ms的保护间隔(Guard)；2)卫星控制站总是相对于UTC时间节点固定提前δMIN＝2ms发送下行数据包；3)每个移动站都是严格按照UTC时间节点发送其上行数据包；4)在上行传输块切换到下行传输块间留出1个时隙(slot)的时间间隙(Time Gap)。
现有VDE-SAT系统在所有下行传输块中预留ΔGP＝8ms的保护间隔是为了避免下行到上行切换处信号干扰，同时保证下行传输块结构的统一性。当下行传输块为最小传输单元时间即1个时隙(80/3ms)时，这个8ms保护间隔时间相当于高达
Figure BDA0002386367360000041
的资源开销，其大大降低了VDE-SAT的下行资源利用率。因为所有移动站都是按照UTC时间节点发送各自的上行数据包，以600km LEO卫星为例，卫星接收相邻的两个上行信号最多有δMAX-δMIN＝8ms的重叠时间，因此现有VDE-SAT系统在上行传输块中预留8ms保护间隔来避免相邻的上行信号之间的干扰。一方面，虽然上行传输块中均有ΔGP＝8ms的保护间隔，但是，船上行数据包到达卫星的最大传输时延为δMAX＝10ms，因而最大有δMAX-ΔGP＝2ms延迟到UTC时间节点之后。另一方面，卫星总是相对UTC时间节点提前2ms时间发送下行数据包，因此卫星端接收上行数据包与发送下行数据包最大有4ms的重叠时间。现有VDE-SAT系统中在上行传输块和下行传输块切换处预留1slot的时间间隙(对应上行到下行切换处最大有68/3ms的时间)来避免对半双工卫星造成影响。
本发明实施例提出一种控制站与移动站的通信时序设置方法，这里控制站可以是卫星或岸站。一方面控制站总是作为网络时间参照，也就是按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包；另一方面移动站相对于UTC时间节点提前发送上行数据包。应当说明的是，当系统工作在FDD半双工或TDD模式下，收发器是分时工作的，因此切换上下行通信方向时硬件需要切换时间，这个时间通常在微秒级别。
实施例1
请参考图2，其示出了本发明提出的一种适用于FDD半双工或TDD模式的用于卫星与移动站的通信时序设置方法。卫星控制站作为网络时间参照不进行定时提前发送，而是按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包。所有移动站则统一相对UTC时间节点提前一个固定时间ΔTA向卫星发送上行数据包，此处，ΔTA＝δMAX，δMAX＝10ms为卫星与移动站间的最大路径传输时延。上行传输块中均留有ΔGP＝8ms的保护间隔以避免相邻的上行信号之间的干扰，而下行传输块中没有保护间隔。在下行传输块到上行传输块转换处留出1slot(80/3ms)的时间间隙，保证了距离卫星最远的移动站也有80/3ms-(ΔTA+δMAX)＝20/3ms的时间间隙，可足够用来容纳下行到上行的切换时间。因为移动站固定提前ΔTA+δMAX向卫星发送上行数据包且在上行传输块中均留有ΔGP＝8ms的保护间隔，因此在上行到下行的切换处有ΔGP+(δMAX-δ)的时间间隙，对应的最小值为8ms，可足够容纳上行到下行的切换时间。
实施例2
请参考图3，其示出了本发明提出的一种适用于FDD全双工模式的用于卫星与移动站的通信时序设置方法。卫星控制站作为网络时间按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包。所有移动站则统一相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMAX＝10ms向卫星发送上行数据包。每个上行传输块中均留有ΔGP＝8ms的保护间隔，而下行传输块中没有保护间隔。这种通信时序和图2的通信时序相对应，可以看出上行和下行传输块在FDD全双工、FDD半双工、TDD三种模式下的结构是统一的，即上行传输块均预留ΔGP＝8ms的保护间隔，下行传输块均没有保护间隔。
实施例3
请参考图4，其示出了本发明提出的一种适用于FDD半双工或TDD模式的用于岸站与移动站的通信时序设置方法。岸站作为网络时间按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包。所有移动站则统一相对UTC时间节点提前一个固定时间ΔTA向岸站发送上行数据包，此处，ΔTA＝δMAX+δ1，其中，δMAX＝0.83ms为岸站与移动站的最大路径传输时延，δ1＝3ms。上行传输块中均留有ΔGP＝0.83ms的保护间隔以避免相邻的上行信号之间的干扰，而下行传输块中没有保护间隔。在下行传输块到上行传输块转换处留出1slot(80/3ms)的时间间隙，保证了距离卫星最远的移动站也有80/3ms-(ΔTA+δMAX)≈22ms的时间间隙，可足够用来容纳下行到上行的切换时间。因为移动站固定提前ΔTA＝δMAX+3ms向岸站发送上行数据包且在上行传输块中均留有ΔGP＝0.83ms的保护间隔，因此在上行到下行的切换处有ΔGP+(δMAX-δ)的时间间隙，对应的最小值为ΔGP+3ms＝3.83ms，可足够容纳上行到下行的切换时间。
实施例4
请参考图5，其示出了本发明提出的一种适用于FDD全双工模式的用于岸站与移动站的通信时序设置方法。岸站作为网络时间按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包。所有移动站则统一相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMAX＝0.83ms向岸站发送上行数据包。每个上行传输块中均留有ΔGP＝0.83ms的保护间隔，而下行传输块中没有保护间隔。这种通信时序和图4的通信时序相对应，可以看出上行和下行传输块在FDD全双工、FDD半双工、TDD三种模式下的结构是统一的，即上行传输块均预留ΔGP＝0.83ms的保护间隔，下行传输块均没有保护间隔。
实施例5
请参考图6，其示出了本发明提出的另一种适用于FDD半双工或TDD模式的用于卫星与移动站的通信时序设置方法。卫星控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点发送下行数据包。每个移动站检测控制站发送的下行数据包，计算接收到的所述下行数据包时间与自身UTC时间节点的差值(也即移动站估计的移动站到卫星的传输时延)为δ，相对UTC时间节点提前ΔTA＝δ+δ2的时间向卫星发送上行数据包，此处δ2＝3ms。如图6中所示，位于水平线方向的移动站相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMAX+3ms的时间向卫星发送上行数据包，而位于星下点方向的移动站相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMIN+3ms的时间向卫星发送上行数据包。上行传输块与下行传输块均没有保护间隔，在下行传输块到上行传输块转换处留出1slot(80/3ms)的时间间隙。这一种通信时序方法让移动站相对于UTC时间节点提前一个路径传输时延δ和额外的δ2＝3ms时间发送上行数据包，使得上行切换到下行的交界处留有3ms的时间间隙，可足够用来容纳上行到下行的切换时间。在下行传输块到上行传输块转换处留出一个slot的时间间隙，也保证了距离卫星最远的移动站也有80/3ms-(ΔTA+δMAX)＝11/3ms的时间间隙，可足够容纳下行到上行的切换时间。
上行采用如图6的自适应式的提前发送方法，使得移动站的上行信号到达卫星控制站的时间在理论上是完全对齐的。在实际中，移动站估计其自身与卫星间的单向传输时延时δ时，会由于卫星和移动站的UTC同步误差、卫星和移动站的移动性、以及移动站检测下行信息的时间误差，导致上行定时提前存在误差，当这个误差足够大时，上行传输块之间需要插入保护间隔来ΔGP容纳上行定时提前误差。在VDES系统中，卫星和移动站的UTC同步误差分别为±100μs和±50μs。假设船检测下行信息的误差在半个奈奎斯特采样间隔内，以VDE-SAT系统有效带宽为33.6kHz为例，对应下行检测误差时间为
Figure BDA0002386367360000071
如果VDE-SAT传输结构下行到上行的传输时间相隔最多有540个时隙(14秒)，因卫星移动性(忽略船的移动速度)导致上行和下行的传播时延相差～450μs。为容纳这些误差导致的定时误差，要求上行传输块尾部预留保护间隔ΔGP的大小需要大于2×(2×(50μs+100μs)+450μs+15μs)＝1.53ms。
实施例6
请参考图7，其示出了本发明提出的又一种适用于FDD半双工或TDD模式的用于卫星与移动站的通信时序设置方法。卫星控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点发送下行数据包。每个移动站根据估计的移动站到卫星的传输时延δ，相对UTC时间节点提前ΔTA＝δ+δ2的时间向卫星发送上行数据包,δ＝3ms。下行传输块没有保护间隔，上行传输块预留一个保护间隔ΔGP，例如ΔGP＝2ms,在下行传输块到上行传输块转换处留出1slot时间间隙。这一种通信时序方法让移动站相对于UTC时间节点提前一个单项路径传输时延δ和额外的δ2＝3ms时间发送上行数据包，且在上行传输块中预留保护间隔ΔGP，使得上行切换到下行的交界处留有ΔGP+3ms的时间间隙，可足够用来容纳上行到下行的切换时间。在下行传输块到上行传输块转换处留出1slot的时间间隙，保证了距离卫星最远的移动站也有80/3ms-(ΔTA+δMAX)＝11/3ms的时间间隙，可足够用来容纳下行到上行的切换时间。
实施例7
请参考图8，其示出了本发明提出的另一种适用于FDD全双工模式的用于卫星与移动站的通信时序设置方法。卫星控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点发送下行数据包。每个移动站根据估计的移动站到卫星的传输时延δ，相对UTC时间节点提前ΔTA＝δ的时间向卫星发送上行数据包。如图8中所示，水平线方向的移动站相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMAX的时间向卫星发送上行数据包，而星下点方向的移动站相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMIN的时间向卫星发送上行数据包。上行传输块与下行传输块均没有保护间隔。这一种通信时序和图6的通信时序相对应，可以看出上行和下行传输块在FDD全双工、FDD半双工、TDD三种模式下的结构是统一的，即上下行传输块均没有保护间隔。
实施例8
请参考图9，其示出了本发明提出的又一种适用于FDD全双工模式的用于卫星与移动站的通信时序设置方法。卫星控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点发送下行数据包。每个移动站根据估计的移动站到卫星的传输时延δ，相对UTC时间节点提前ΔTA＝δ的时间向卫星发送上行数据包。下行传输块没有保护间隔，上行传输块预留一个的保护间隔ΔGP。这一种通信时序和图7的通信时序相对应，可以看出上行和下行传输块在FDD全双工、FDD半双工、TDD三种模式下的结构是统一的，即上行传输块均预留保护间隔ΔGP，下行传输块均没有保护间隔。
实施例9
类似于图6，当控制站为岸站时，移动站也可采用自适应式的上行提前发送方法。请参考图10，其示出了本发明提出的另一种适用于FDD半双工或TDD模式的用于岸站与移动站的通信时序。岸站作为网络时间参照，按照UTC时间节点发送下行数据包。每个移动站根据估计的移动站到岸站的传输时延δ，相对UTC时间节点提前ΔTA＝δ+δ2的时间向卫星发送上行数据包，此处δ2＝3ms。如图10中所示，小区边缘的移动站相对UTC时间节点提前ΔTA＝δMAX+3ms的时间向岸站发送上行数据包。上行传输块与下行传输块均没有保护间隔，在下行传输块到上行传输块转换处留出1slot(80/3ms)的时间间隙。这一种通信时序方法让移动站相对于UTC时间节点提前一个路径传输时延δ和额外的δ2＝3ms时间发送上行数据包，使得上行切换到下行的交界处留有3ms的时间间隙，可足够用来容纳上行到下行的切换时间。在下行传输块到上行传输块转换处留出一个slot的时间间隙，也保证了小区边缘的移动站也有80/3ms-(ΔTA+δMAX)＝22ms的时间间隙，可足够容纳下行到上行的切换时间。
当控制站为岸站时，岸站与移动站间的通信时序设置方法也可类似于图7，8，9，不再赘述。

Claims (3)

1.一种控制站与移动站的通信时序设置方法，所述控制站为卫星或基站，其特征在于，包括：
控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包；
移动站相对UTC时间节点提前向控制站发送上行数据包，在上行传输块中预留保护间隔ΔGP，所述ΔGP≥0；
若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，在下行传输块切换到上行传输块间空出一个时间间隙，所述时间间隙长度等于系统最小传输单元时间；
所有移动站统一相对UTC时间节点提前一个固定时间ΔTA向控制站发送上行数据包，包括：
若控制站为卫星，所述ΔTA＝δMAX，其中δMAX为移动站与卫星间的最大单向传输时延；
若控制站为基站，当移动站与基站间使用FDD全双工通信模式，所述ΔTA＝δMAX,其中δMAX为移动站与基站间的最大单向传输时延；当移动站与基站间使用FDD半双工或TDD通信模式，所述ΔTA＝δMAX+δ1，δ1为常数，至少大于两倍切换通信方向所需的时间；
所述上行传输块的保护间隔ΔGP不小于δMAX。
2.一种控制站与移动站的通信时序设置方法，所述控制站为卫星或基站，其特征在于，包括：
控制站作为网络时间参照，按照UTC时间节点向移动站发送下行数据包；
移动站相对UTC时间节点提前向控制站发送上行数据包，在上行传输块中预留保护间隔ΔGP，所述ΔGP≥0；
若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，在下行传输块切换到上行传输块间空出一个时间间隙，所述时间间隙长度等于系统最小传输单元时间；
所述移动站检测控制站发送的下行数据包，计算接收到的所述下行数据包时间与自身UTC时间节点的差值为δ，所述移动站相对UTC时间提前一个时间ΔTA＝δ+δ2向控制站发送上行数据包，包括：
若控制站与移动站间使用FDD全双工通信模式，δ2＝0；
若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，δ2为常数，至少大于两倍切换通信方向所需的时间；
所述上行传输块的保护间隔ΔGP等于0。
3.根据权利要求2所述的控制站与移动站的通信时序设置方法，其特征在于，所述上行传输块的保护间隔ΔGP大小至少可容纳移动站的上行最大定时提前误差。
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