CN112911699A - 一种基于非地面通信网络的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非地面通信网络的时间同步方法，该方法对广播的系统信令或专用信令进行优化配置，首先在系统信令中配置K_offset：配置参数K_offset来处理NTN中的大传播延迟，它可以借由广播的系统信令或专属信令的方式发送给终端，然后对定时提前量进行采集并在系统信令中调整馈线链路定时提前量，再传输参考点位置信息，最后在广播系统信令或专有信令中发布卫星星历，终端获取卫星星历。本发明能够在非地面网络中传输时延极大的情况下获取时间同步，并减少了信令开销。

Description

一种基于非地面通信网络的时间同步方法

技术领域

本发明涉及非地面无线通信技术领域，尤其涉及一种在非地面无线通信系统中获得信号时域的同步方法。

背景技术

非地面通信网络中低轨或中轨卫星的快速运动造成了极高的多普勒频偏。此外由于卫星与用户终端的距离非常遥远，传播延迟可能高达几百毫秒。这两个挑战要求在非地面网络中进一步增强时域和频域的同步。

在无线网路传输中，由于传输时延和信号及信令处理时延的存在，接收方并不能对发射方的信号做出即时的反馈。在3GPP 5G标准中，K参数被引入处理这一时延。举例来说，用户终端在第n个时隙(time slot)收到基站信号并解码后需要向基站反馈ACK/NACK信号，由于传输时延和信号信令处理时延，用户终端无法在第n+1时隙反馈ACK/NACK信号，而只能在第n+K时隙反馈ACK/NACK信号。在已有的5G标准中，K的取值范围只考虑到了地面通信系统的时延，而在非地面通信系统中，卫星与用户终端的距离可以达到30000公里以上，从而产生数百毫秒的时延，所以需要引入新的参数K_offset来处理这一时延。举例来说，用户终端在第n个时隙(time slot)收到基站信号并解码后可以在在第n+K+K_offset时隙反馈ACK/NACK信号。但是现有的信令传输机制不能支持新参数的引入和传输，

仅仅引入K_offset并无法完成时间同步。由于上下行帧同步的需求，终端用户传输需要配置定时提前量(Timing Advance)。在非地面网络中，可以通过在小区或波束覆盖区域设置一个或多个参考点的方式来配置公共定时提前量(common TA)。该公共提前量的值取决于卫星与地面参考点之间的传输延迟。所以用户终端需要知道参考点的位置，现有的信令传输机制不能支持参考点位置的传输。

即使配置了K_offset和公共定时提前量，用户终端还需要卫星的即时位置才能精确计算所需的时延，从而实现最终的同步。而这一信息包含在卫星的星历(ephemeris)中。现有的信令传输机制不能支持星历的传输。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于非地面通信网络的时间同步方法。本发明能够在非地面网络中传输时延极大的情况下获取时间同步。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于非地面通信网络的时间同步方法，对广播的系统信令或专用信令进行优化配置，包括以下步骤：

(1)在系统信令中配置K_offset：配置参数K_offset来处理NTN中的大传播延迟，它可以借由广播的系统信令或专属信令的方式发送给终端。

(2)对定时提前量进行采集并在系统信令中调整馈线链路定时提前量；

(3)传输参考点位置信息；

(4)在广播系统信令或专有信令中发布卫星星历，终端获取卫星星历。

进一步地，所述步骤1中，所述K_offset通过以下任一方式由广播的系统信令发送给终端：

(A)K_offset可以从广播信号中的传播延迟值或者一般定时提前量中导出：K_offset＝ceil(传输时延/时隙持续时间)。

(B)K_offset偏移值可直接在广播的系统信令中发布。该方式可以选用以下任一备选方式：(B1)所有K_offset偏移值都在系统信息中广播；

(B2)只有K_offest偏移值的子集被包含在广播的系统信令中作为基准值，并且从这些基准值导出其他_offest偏移值以减少信令开销。

进一步地，所述步骤1中，所述K_offset通过以下任一方式由专属信令发送给终端：

(a)K_offset偏移值可分为两部分,基准K_offset偏移值和ΔK_offset偏移值。基准K_offset偏移值来自广播的系统信令中的传播延迟或一般定时提前量值。而ΔK_offset偏移量通过上层信令发出。

(b)通过上层信令发送所有的K_offset偏移值。

(c)仅将K_offset偏移值的子集作为基准值包含在专属信令中，并且可以从这些基准值导出其他K_offset偏移值以减少信令开销。

进一步地，所述步骤2中，所述定时提前量可分为公共定时提前量和由于每个波束/小区的广泛覆盖而特定于每个用户终端的剩余定时提前量。对于再生架构，终端可以从其自身位置、卫星星历等信息中导出公共定时提前量。对于透明架构，卫星广播馈线链路传播延迟/定时提前量，终端自主地推导出公共定时提前量的其余部分。

进一步地，所述步骤3中，通过以下任一方式传输参考点位置信息：

(3.1)所有参考点的位置信息均包含在系统信令中；

(3.2)以其中一个参考点作为基准，将其位置信息包含在系统信令中，而其他的参考点仅将与基准位置的差值包含在系统或专有信令中。

进一步地，所述步骤4中，通过以下任一方式在广播系统信令或专有信令中发布卫星星历：

(4.1)每颗卫星都向其覆盖范围内的所有用户广播自己的星历表。

(4.2)每个卫星向其覆盖范围内的所有用户终端广播所有的星历表。

(4.3)每颗卫星向其覆盖范围内的所有用户终端广播其自己的星历及其邻近的卫星星历。

本发明的有益效果是，本发明提供了非地面通信系统长时延情况下系统传输同步的获得方案，并减少了信令开销。本发明提出了参数K_offset的隐形及显性传输机制。在显性传输机制中，K_offset将被包含在系统信息(system information)中，但是本发明提出了差值K_offset传输机制，将K_offset的传输分为基准K_offset传输和差值K_offset传输，从而减少了信令开销。在隐形传输机制中，K_offset可以从定时提前量进行推导，本发明提出了在每波束K_offset配置中如何使用差值传输的方式来减少信令开销。此外，本发明还提出了计算定时提前量所需的参考点位置如何传输的机制，并提出了使用差值传输的方式减少信令开销。所述系统信息是由基站向小区广播的信息，小区内每个用户都可以收到该信息；

附图说明

图1是基于每波束公共提前量的K_offset配置示意框图；

图2是基于每小区公共提前量的K_offset配置示意框图。

具体实施方式

本发明基于非地面通信网络的时间同步方法，包括以下步骤：

1、在系统信令中配置K_offset：引入一个新的参数K_offset来处理NTN中的大传播延迟，它可以借由广播的系统信令或专属信令的方式发送给终端。

对于广播的系统信令，可以考虑如下的几种备选方案：

备选方案1：K_offset可以从广播信号中的传播延迟值或者一般定时提前量中导出。应该注意的是，时隙持续时间(slot duration)取决于帧格式(numerology)，因此对于不同的帧格式，K_offset偏移值可以不同。

K_offset＝ceil(传输时延/时隙持续时间)

备选方案2：K_offset偏移值可直接在广播的系统信令中发布。然而，如果要在广播的系统信令中包含多个K_offset偏移值，则信令开销对于系统信息有可能过大。为了减少信令开销，可以考虑以下备选方案：

备选方案2a：所有K_offset偏移值都在系统信息中广播，在这种情况下信令开销最大，但是用户终端不需要执行任何操作；

备选方案2b：只有K_offest偏移值的子集被包含在广播的系统信令中作为基准值，并且可以从这些基准值导出其他_offest偏移值以减少信令开销。例如需要在多个反馈信息传输过程中引入多个K_offset，那么可以将最小的K_offset放在广播的系统信令中作为基准值，而其他的K_offset可以只传输与该基准值的差值。

如果K_OFFSET偏移值使用专属信令通知终端用户，则可以考虑以下的备选方案：

备选方案1：K_offset偏移值可分为两部分,基准K_offset偏移和ΔK_offset偏移。如前所述，基准K_offset偏移值来自广播的系统信令中的传播延迟或一般定时提前量值。而ΔK_offset偏移量可通过上层信令(例如RRC或MAC)发出；

备选方案2：通过上层信令(例如，RRC或MAC)发送所有的K_offset偏移值；

备选方案3：为了减少信令开销，仅将K_offset偏移值的子集作为基准值包含在专属信令中，并且可以从这些基准值导出其他K_offset偏移值以减少信令开销。例如需要在多个反馈信息传输过程中引入多个K_offset，那么可以将最小的K_offset放在专属信令中作为基准值，而其他的K_offset可以只传输与该基准值的差值。

此外，广播的系统信令和上层专属信令可以有进一步组合。例如，可以只有K_offset偏移值的子集被包含在广播的系统信令中做为基准值，其他的K_offset偏移值可以通过上层信令(例如RRC或MAC)来发信号。

如前所述K_offset可以很容易地从广播信息中推导出，例如公共定时提前量。应该注意的是时隙持续时间取决于帧格式(numerology)，因此对于不同的帧格式，K_offset可以不同。每个小区的K_offset可以很容易地从广播信息中的小区公共定时提前量中推导出。然而，考虑到卫星，特别是同步卫星的极大小区覆盖，可以进一步支持基于波束覆盖的K_offset配置。如前所述，如果K_offset是从广播信息(例如小区公共定时提前量)导出的。如图1所示，如果每个波束配置波束公共定时提前量，则不会有任何问题。但是，如果公共定时提前量是按小区配置的，则不能从每个小区的公共定时提前量中导出每个波束的K_offset。在这种情况下则可以考虑下述解决方案，

备选方案1：改变当前小区公共定时提前量的配置，从按小区配置公共定时提前量改为按波束配置公共定时提前量，并在每个波束中根据每波束公共定时提前量推导每波束K_offset；

备选方案2：在不改变当前小区公共定时提前量配置的情况下，在系统信令中包含从每小区公共定时提前量推导出的每小区K_offset和系统信令中的每波束K_offset之间的差，从而减少信令开销，如图2所示。

需要说明的是，本发明中提到的定时提前量只是一个例子，其他包含传播延迟的参数也可以在本发明中使用。

2、对定时提前量进行采集并在系统信令中调整馈线链路定时提前量；

由于一般传播延迟，定时提前量可分为公共定时提前量和由于每个波束/小区的广泛覆盖而特定于每个用户终端的剩余定时提前量。剩余定时提前量涵盖了终端用户实际传输提前量和公共提前量之间的差值。公共定时提前量可以由公共传播延时推导出来。公共传播延迟包含基于单个参考点或多个参考点的公共传播延迟，该延迟是信号从卫星传输到地面参考点所需的时间，这样的信息可以由卫星广播的系统信令或者由用户终端自主地获取。

本发明中主要考虑两种体系结构：1)透明架构；2)再生架构。对于再生架构，用户终端可以从诸如其自身位置、卫星星历等信息中导出公共定时提前量。然而，对于透明架构，用户终端需要知道由于卫星和网关之间的馈线链路而导致的额外延迟。在这种情况下，馈线链路传播延迟或定时提前量应该由卫星广播，并且公共定时提前量的其余部分，也就是前文提到的用户终端剩余定时提前量，可以由用户终端自主地推导出。

3、传输参考点位置信息

如前所述，定时提前量采集需要在小区中选择一个或多个参考点。例如，在单参考点的情况下，该参考点的位置一般处于小区的中心。这一位置信息需要传输到小区中的每一个用户终端。对于多个参考点的情况，需要广播每个参考点的位置信息，可以考虑以下备选方案：

备选方案1：所有参考点的位置信息均包含在系统信令中；

备选方案2：以其中一个参考点作为基准，将其位置信息包含在系统信令中，而其他的参考点仅将与基准位置的差值包含在系统或专有信令中。所述专有信令是基站向特定用户传输的信令，包括MAC层和RRC层信令，只有特定用户才能接收该信令。

4、在广播系统信令或专有信令中发布卫星星历，终端获取卫星星历

如前所述，如果用户终端自主地获得定时提前量值，则用户终端应该可以获得卫星星历的信息。卫星星历可以预先存储在用户终端中，这样就不需要发送这样的信息从而减少信令开销。然而，对于低地球轨道的情况，可能有成千上万的卫星和卫星星历需要发送或更新。在这种情况下，用户终端可以使用以下的备选方案来获取卫星星历：

备选方案1：每颗卫星都向其覆盖范围内的所有用户广播自己的星历表；

备选方案2：每个卫星向其覆盖范围内的所有用户终端广播所有的星历表；

备选方案3：每颗卫星向其覆盖范围内的所有用户终端广播其自己的星历及其邻近的卫星星历。

对于备选方案2和3，信令开销有所增加，然而附加星历信息可以帮助终端用户进行快速的小区切换。

Claims (6)

1.一种基于非地面通信网络的时间同步方法，其特征在于，对广播的系统信令或专用信令进行优化配置，包括以下步骤：

(1)在系统信令中配置K_offset：配置参数K_offset来处理NTN中的大传播延迟，它可以借由广播的系统信令或专属信令的方式发送给终端。

(2)对定时提前量进行采集并在系统信令中调整馈线链路定时提前量。

(3)传输参考点位置信息。

(4)在广播系统信令或专有信令中发布卫星星历，终端获取卫星星历。

2.根据权利要求1所述基于非地面通信网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤1中，所述K_offset通过以下任一方式由广播的系统信令发送给终端：

(A)K_offset可以从广播信号中的传播延迟值或者一般定时提前量中导出：K_offset＝ceil(传输时延/时隙持续时间)。

(B)K_offset偏移值可直接在广播的系统信令中发布。该方式可以选用以下任一备选方式：

(B1)所有K_offset偏移值都在系统信息中广播。

(B2)只有K_offest偏移值的子集被包含在广播的系统信令中作为基准值，并且从这些基准值导出其他_offest偏移值以减少信令开销。

3.根据权利要求1所述基于非地面通信网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤1中，所述K_offset通过以下任一方式由专属信令发送给终端：

(a)K_offset偏移值可分为两部分,基准K_offset偏移值和ΔK_offset偏移值。基准K_offset偏移值来自广播的系统信令中的传播延迟或一般定时提前量值。而ΔK_offset偏移量通过上层信令发出。

(b)通过上层信令发送所有的K_offset偏移值。

(c)仅将K_offset偏移值的子集作为基准值包含在专属信令中，并且可以从这些基准值导出其他K_offset的偏移值以减少信令开销。

4.根据权利要求1所述基于非地面通信网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤2中，所述定时提前量可分为公共定时提前量和由于每个波束/小区的广泛覆盖而特定于每个用户终端的剩余定时提前量。对于再生架构，终端可以从其自身位置、卫星星历等信息中导出公共定时提前量。对于透明架构，卫星广播馈线链路传播延迟或定时提前量，终端推导出剩余定时提前量。

5.根据权利要求1所述基于非地面通信网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤3中，通过以下任一方式传输参考点位置信息：

(3.1)所有参考点的位置信息均包含在系统信令中。

(3.2)以其中一个参考点作为基准，将其位置信息包含在系统信令中，而其他的参考点仅将与基准位置的差值包含在系统或专有信令中。

6.根据权利要求1所述基于非地面通信网络的时间同步方法，其特征在于，所述步骤4中，通过以下任一方式在广播系统信令或专有信令中发布卫星星历：

(4.1)每颗卫星都向其覆盖范围内的所有用户广播自己的星历表。

(4.2)每个卫星向其覆盖范围内的所有用户终端广播所有的星历表。

(4.3)每颗卫星向其覆盖范围内的所有用户终端广播其自己的星历及其邻近的卫星星历。

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