CN113382467A - 一种上行发送定时调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上行发送定时调整方法，控制站相对网络时隙时间发送下行突发；若移动站可获取网络时隙时间，移动站相对网络时隙时间提前一个估计的路径传播时延向控制站发送上行PRACH突发；若移动站无法获取网络时隙时间，移动站先推算当前网络时隙时间，然后相对推算的网络时隙时间提前一个估计的路径传播时延向控制站发送上行PRACH突发；移动站基于控制站告知的上行定时误差来更新估计的路径传播时延和当前网络时隙时间，并相对当前网络时隙时间提前一个最新估计的传播时延向控制站发送上行突发，本发明不仅上行资源利用率高，而且控制站的上行突发接收定时复杂度小。

Description

一种上行发送定时调整方法

技术领域

本发明涉及通信领域，并且更具体地，涉及一种上行发送定时调整方法。

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中有采用集中式的资源调度通信方式的有用于地面岸站与移动站通信的地面通信VDE-TER，和用于卫星和移动站通信的卫星通信VDE-SAT两部分。

VDE-TER和VDE-SAT中多个移动站都以时分复用方式共享上行信道。当前设计中，移动站均按照网络时隙时间向控制站发送上行突发。因为不同位置的移动站发送的上行突发对应的路径传播时延δ∈[δ_MIN,δ_MAX)，因此在接收端，连续的两个上行突发会在时间上重叠，造成上行干扰。为避免这种干扰，每个上行突发结构中都需要加入一个长度至少等于δ_MAX-δ_MIN的保护时间。以基于轨道高度为600km的LEO卫星的VDE-SAT为例，控制站也即卫星与移动站的路径传播时延范围为[2ms,10ms)，意味着每个上行突发结构中都需要加入一个长度至少等于8ms的保护时间。一方面这个保护时间造成相当高的资源开销(上行突发为1时隙，则对应约30％开销)，另一方面控制站接收上行突发的时间不确定度很大也造成其接收定时困难。此外，若移动站因为某些原因无法获取网络时隙时间，当前机制无法支持移动站的上行传输。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种上行发送定时调整方法，通过控制站指导移动站进行上行发送定时调整，以省去除初始上行随机接入信道PRACH突发之外的所有其他上行突发结构中的保护间隔，提高上行资源利用率和减小控制站的上行突发接收定时复杂度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种上行发送定时调整方法，应用于移动站，控制站相对网络时隙时间发送下行突发；若移动站可获取网络时隙时间，移动站相对网络时隙时间提前一个估计的路径传播时延向控制站发送上行PRACH突发；若移动站无法获取网络时隙时间，移动站先锁定接收的下行突发时间并假设估计的路径传播时延为最小路径传播时延来推算当前网络时隙时间，然后相对推算的网络时隙时间提前一个估计的路径传播时延向控制站发送上行PRACH突发；控制站根据接收的上行突发估计上行定时误差并告知移动站；移动站基于控制站告知的上行定时误差来更新估计的路径传播时延和当前网络时隙时间，并相对当前网络时隙时间提前一个最新估计的传播时延向控制站发送上行突发，具体包括以下步骤：

步骤1，控制站相对网络时隙时间发送下行突发，

若移动站可获取网络时隙时间，移动站将接收的下行突发时间和网络时隙时间的初始差值δ⁰作为单向路径传播时延的估计值，并相对网络时隙时间提前Δ_TA＝δ⁰向控制站发送初始上行PRACH突发，Δ_TA表示上行定时提前量。

若移动站无法获取网络时隙时间，所述移动站锁定接收的下行突发时间

将初始差值δ⁰＝δ_MIN作为单向路径传播时延的估计值并初始推算网络时隙时间为

然后相对初始推算网络时隙时间

提前Δ_TA＝δ⁰向控制站发送初始上行PRACH突发，δ_MIN为移动站与控制站间的最小路径传播时延。

步骤2，控制站接收初始上行PRACH突发，将接收的初始上行PRACH突发时间和网络时隙时间的差值作为初始上行定时误差

然后在下行突发中发送上行定时调整信息以将所述初始上行定时误差

告知所述移动站。

控制站每成功接收一个上行突发，都根据上行突发接收时间和网络时隙时间的差值估计出上行定时误差

i表示控制站根据上行突发估计上行定时误差的次数。控制站在下行突发中发送上行定时调整信息以将最新的上行定时误差

告知移动站。

步骤3，移动站锁定接收的下行突发时间

并根据接收到的初始上行定时误差

或上行定时误差

调整上行发送定时：

步骤31，所述移动站将路径传播时延估计值更新为

δⁱ表示第i次的路径传播时延估计值。

步骤32，所述移动站将当前网络时隙时间更新为

表示第i次的网络时隙时间推算值。

步骤33，所述移动站相对所述当前网络时隙时间

提前Δ_TA＝δⁱ向控制站发送上行突发。

优选的：若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，所述移动站相对当前网络时隙时间提前Δ_TA＝δⁱ+τ_T-R向控制站发送上行突发，τ_T-R表示切换时间。

优选的：切换时间τ_T-R至少大于收发机从发送状态到接收状态的切换时间。

优选的：初始上行PRACH突发中加入保护间隔。其他上行突发中无需加入保护间隔。

优选的：所述保护间隔至少大于初始上行定时误差

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明的上行发送定时调整方法适用于移动站可获取网络时隙时间和无法获取网络时隙时间的情况。若移动站因为某些原因无法获取网络时隙时间，只在发送初始上行PRACH突发时与可获取网络时隙时间的情况有不同，对于其他上行突发的发送时间调整则完全一致。

采用本发明的上行发送定时调整方法，使得除初始上行随机接入信道PRACH突发之外的所有其他上行突发结构中都不需要保护间隔，提高了上行资源利用率，减小了控制站的上行突发接收定时复杂度。

附图说明

图1为VDE-SAT上行突发结构示意图；

图2为FDD模式下，上行发送定时提前在理想情况下的示意图；

图3为本发明提出的在移动站可获取网络时隙时间情况下的上行发送定时调整示意图；

图4为本发明提出的在移动站无法获取网络时隙时间情况下的上行发送定时调整示意图；

图5为本发明提出的上行发送定时调整方法流程图；

图6为TDD模式下，上行发送定时提前在理想情况下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，以VDE-SAT系统为例进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

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。控制站也叫基站、中央节点、空间站、卫星、岸站等。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。控制站总是作为网络时隙时间参照，也就是按照UTC时间节点向移动站发送下行突发(Burst)。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。

请参考图1，其示出了VDE-SAT上行突发结构，每个上行突发占用1个或多个时隙。VDES中一个时隙长为80/3ms。在保护间隔不存在的情况下，下降沿将与下一个上行突发的上升沿出现交叠甚至重叠，但这并不会损害到下一个突发的同步字。因为下降沿T_ramp≈0.4毫秒，因此其至少可容纳0.4毫秒的路径传播时延差。如果需要更多的路径传播时延容忍度，则必须要在上行突发结构中加入保护间隔。我们将下降沿加上保护间隔这两部分称为上行突发结构中的保护时间部分。

VDE-SAT中多个移动站以时分复用方式共享上行信道。在上行传输期间，因为不同位置的移动站发送的上行突发到达控制站(也即卫星/空间站)对应的路径传播时延δ∈[δ_MIN,δ_MAX)。因此在接收端，连续的两个上行突发会在时间上重叠，造成上行干扰。为避免这种干扰，上行突发结构中至少需要一个大小为δ_MAX-δ_MIN的保护时间。以基于轨道高度为600km的LEO卫星的VDE-SAT为例，卫星到地面上移动站的最远距离为水平切线方向，长度约3000km，对应最大路径传播时延为δ_MAX＝10ms，最近距离为卫星星下点方向，长度为600km，对应最小路径传播时延为δ_MIN＝2ms。意味着每个上行突发结构中都需要加入一个长度至少等于8ms的保护时间，也即至少需要7.6ms的保护间隔。一方面这个保护间隔造成相当高的资源开销(上行突发为1时隙，则对应约30％开销)，另一方面控制站接收上行突发的时间不确定度很大也造成其接收定时困难。

如果能让所有上行突发到达控制站的时间是对齐的，上行突发结构中就可以不需要保护时间来节省这一开销。请参考图2，通过让移动站提前其上行传输时间使得上行传输路径时延δ提前补偿便可达到这一目的。因为δ是时变的，因此需要在传输过程中对其进行估计。本发明实施例提出一种上行发送定时调整方法，通过控制站指导移动站进行上行发送定时调整。

请参考图3，若移动站可获取网络时隙时间，则移动站将接收的下行突发(如系统广播信号)时间和网络时隙时间的初始差值δ⁰作为单向路径传播时延的估计值，并相对网络时隙时间提前Δ_TA＝δ⁰向控制站发送初始的物理上行随机接入信道PRACH(PhysicalRandom Access Channel)突发。因为每个移动站提前补偿上行路径传播时延，因此理想情况下上行PRACH突发到达空间站的时间都与网络时隙时间对齐。

应当说明的是，上行PRACH突发可用于承载上行资源申请信息。移动站在发上行数据之前，需要先通过PRACH向控制站发送上行资源申请信息，表示自己有上行数据要传输。移动站接收到上行资源申请信息后，会给该移动站分配上行资源，用于移动站发送其上行数据。移动站失去网络时隙时间的情况下，也可以通过PRACH向控制站发送网络时隙时间申请信息。

在实际中，移动站估计的δ⁰存在误差，影响上行PRACH突发到达空间站时的对齐精度，也即存在上行定时提前误差。定时提前误差由三个元素决定：1)移动站的UTC同步误差ε_mobile和空间站的UTC同步误差ε_satellite。2)移动站检测下行信号的定时误差ε_d。3)移动站和空间站的移动性。

请参考图3，其示出了只考虑移动站的UTC同步误差ε_mobile时引入上行定时误差的示意图。图3中移动站端同步的网络时隙时间晚于网络时隙时间，因此移动站根据接收到的下行时间和其自身网络时隙时间做差值小于路径传输时延，也即δ⁰＝δ-|ε_mobile|。移动站相对自身的网络时隙时间提前Δ_TA＝δ⁰发送的PRACH突发到达控制站端的时间与网络时隙时间之间的差值为两倍移动站的UTC同步误差2|ε_mobile|，也即移动站的UTC同步误差引入的定时误差。其他因素引入的上行定时误差分析类似。综合定时提前误差的三个元素，控制站端的定时提前误差满足|ε_TA|≤2(|ε_mobile|+|ε_satellite|)+|ε_d|+|ε_m|。其中|ε_m|为移动站和控制站的移动性引入的定时误差，取值由移动站的移动速度、控制站的移动速度、以及从移动站估计δ⁰到移动站提前Δ_TA＝δ⁰发送上行突发之间的时间差决定。为了容纳定时误差，上行PRACH突发中至少需要一个大小为2|ε_TA|的保护时间。由于|ε_TA|由移动站的UTC和空间站的UTC同步误差主导，其2(|ε_mobile|+|ε_satellite|)通常在500微妙左右，因此保护时间通常在1毫秒，大于下降沿的路径传播时延容忍度，因此上行PRACH突发中需要加入一个保护间隔。

请参考图4，若移动站无法获取网络时隙时间，例如由于GPS停机或者移动站中没有GPS接收机导致UTC源中断，由于没有UTC参考时间，移动站最好的做法是以接收的下行信号时间为其上行传输时间基点。具体地，移动站先锁定接收的下行突发时间

其中t_slot为网络时隙时间。对于移动站而言δ还是未知的，移动站就将初始差值δ⁰＝δ_MIN作为单向路径传播时延的初始估计值并推算网络时隙时间为

然后相对所述推算的网络时隙时间

提前Δ_TA＝δ⁰向控制站发送初始的PRACH突发。控制站收到的上行信号将包括两倍路径传播时延以及下行定时检查误差，意味着至少需要一个大小为2(δ_MAX-δ_MIN)+2|ε_d|的保护时间。对于基于轨道高度为600km的LEO卫星的VDE-SAT来说，对应约16毫秒的保护时间或15.6毫秒的保护间隔。这可以看作是移动站无法获取网络时隙时间付出的代价。为了降低保护间隔开销，对于移动站无法获取网络时隙的情况，一种实现方式是在拥有长传输时间间隔的PRACH资源处传输PRACH资源。

显然，为了节省上行突发结构中的保护时间开销，移动站在传输上行突发之前必须先获得正确的时间点。请继续参考图3和图4，控制站接收上行PRACH突发，将接收的所述上行PRACH突发时间和网络时隙时间的差值作为上行定时误差

然后在下行突发中发送上行定时调整信息以将所述

告知移动站。然后移动站锁定接收的下行突发时间

并根据接收到的

调整上行发送定时，包括：

1)移动站将路径传播时延估计值更新为

2)移动站将当前网络时隙时间更新为

3)移动站相对当前网络时隙时间

提前Δ_TA＝δ¹向控制站发送上行突发。

理想情况下，因为定时误差被纠正了，所以不同移动站发送的上行突发到达空间站的时间是完全对齐的。实际中，还存在定时检测误差、控制站移动性等引入的定时误差，需要控制站不停的检测接收到的上行突发并估计定时误差以指导移动站的上行定时。

请参考图5，控制站每成功接收一个上行突发，都根据所述上行突发接收时间和网络时隙时间的差值估计出上行定时误差

控制站在需要的时候在下行突发中发送上行定时调整信息以将最新的上行定时误差告知移动站。移动站锁定接收的下行突发时间

并根据接收到的

调整上行发送定时，包括：

1)移动站将路径传播时延估计值更新为

2)移动站将当前网络时隙时间更新为

3)移动站相对当前网络时隙时间

提前Δ_TA＝δⁱ向控制站发送上行突发。

一般情况下，经过一次的定时误差纠正，之后的定时误差会小得多，也即

因此为了将定时调整信息更有效的告知移动站，对于小的定时误差，控制站可能在给移动站分配上行或下行数据传输的资源时顺带(Piggyback)将定时调整信息一并告知给该移动站。这种方式和控制站通过在一个下行突发专门告知定时调整信息的方式之间是互补关系而不是替代关系。

一种实现方式是，在下行突发中专门告知的定时调整信息是定时误差的整数部分(假设粒度/间隔为40微妙)，而在分配上下行资源时顺带告知的定时调整信息是定时误差的小数部分(假设粒度/间隔为20微妙)。比如，控制站估计出的定时误差为100微妙。因为整数部分只能以40微妙为粒度告知，因此其告知的定时误差为80微妙，而剩下的小数部分为20微妙。如果移动站从控制站的定时调整功能接收到两种形式的定时误差信息时，也即同时收到80微妙和20微妙的定时误差，那么两种更新过程都会执行，就将100微妙的定时误差纠正了。

但是不管怎样，定时误差调整都存在精度问题。比如，如果控制站估计出的定时误差为110微妙，则整数部分告知的定时误差为80微妙和小数部分告知的20微妙，最后还仍有10微妙的误差。这个误差就会使得上行定时误差仍然存在。此外，控制站检测上行突发存在检测误差，控制站和移动站的移动性也会引入定时误差。好在这个些因素引入的定时误差通常在微妙级别，可以完全由上行突发结构中的下降沿部分吸收掉。

至此，采用本发明的上行发送定时调整机制，只有PRACH突发结构中需要一个保护间隔，而其他上行突发不再需要保护间隔。

应当说明的是，在移动站无法获取网络时隙时间的情况下，当缺少上行传输时，随着时间的推进，移动站即使从最新接收的定时调整更新信息中获取定时提前量可能还是已经过时了，毕竟控制站告知的定时调整信息也是基于其之前成功接收到的上行突发估计而来的。因此，可能还是需要通过普通PRACH周期性的更新时间。

最后，TDD通信模式下的上行发送定时调整机制和全双工FDD中的一致，但是由于TDD的上下行传输是分时复用同一个无线信道资源的，因此还要考虑转换传输方向时可能出现的上下行突发之间的重叠问题。

显然，上行采用和全双工FDD中同样的上行发送定时调整机制使得上行传输过渡到下行传输处的时间重叠问题已经得以解决。然而，由于下行传输突发结构中没有时间保护，而移动站接收控制站发来的下行突发又包括了一个单向传播路径时延，且移动站会相对网络时隙时间提前进行上行传输，因此下行传输过渡到上行传输处发生时间重叠。这种重叠造成移动站端的下行突发和上行突发之间的同信道干扰。解决方法是在下行传输过渡到上行传输处预留一个“时间间隔”，其至少容纳下行传播路径时延和上行定时提前量。与全双工FDD相比，TDD的最大缺点是对这种时间间隔的需求，这是额外的资源开销。

另外，收发机从发送切换到接收需要一个切换时间τ_T-R,从接收切换到发送也需要一个切换时间τ_R-T，通常均小于等于100微妙。这就要求在上行传输过渡到下行传输处也预留一个时间间隔来容纳这个切换时间。为了解决这一问题，可以利用上行定时提前将这个两个切换时间合并在一起考虑。请参考图5，在TDD通信模式下，上行发送在原来的定时提前量基础上再增加一个τ_T-R,也即Δ_TA＝δ+τ_T-R，这样上行传输过渡上下行传输处就有一个大小为τ_T-R的间隔用作切换时间。

在下行传输过渡到上行传输处的时间间隔至少需要容纳最大下行传播路径时延、最大上行定时提前量、切换时间τ_T-R、切换时间τ_R-T，也即2δ_MAX+τ_R-T+τ_T-R，约为20毫秒。以在下行传输过渡到上行传输处预留的时间间隔为1个时隙也即80/3毫秒为例，采用本发明在TDD模式下的上行发送定时调整方法，下行传输过渡到上行传输处至少还有80/3-(2δ_MAX+τ_T-R)，约6.6毫秒的时间，远大于切换时间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种上行发送定时调整方法，应用于移动站，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制站相对网络时隙时间发送下行突发，

若移动站可获取网络时隙时间，移动站将接收的下行突发时间和网络时隙时间的初始差值δ⁰作为单向路径传播时延的估计值，并相对网络时隙时间提前Δ_TA＝δ⁰向控制站发送初始上行PRACH突发，Δ_TA表示上行定时提前量；

若移动站无法获取网络时隙时间，所述移动站锁定接收的下行突发时间

将初始差值δ⁰＝δ_MIN作为单向路径传播时延的估计值并初始推算网络时隙时间为

然后相对初始推算网络时隙时间

提前Δ_TA＝δ⁰向控制站发送初始上行PRACH突发，δ_MIN为移动站与控制站间的最小路径传播时延；

步骤2，控制站接收初始上行PRACH突发，将接收的初始上行PRACH突发时间和网络时隙时间的差值作为初始上行定时误差

然后在下行突发中发送上行定时调整信息以将所述初始上行定时误差

告知所述移动站；

控制站每成功接收一个上行突发，都根据上行突发接收时间和网络时隙时间的差值估计出上行定时误差

i表示控制站根据上行突发估计上行定时误差的次数；控制站在下行突发中发送上行定时调整信息以将最新的上行定时误差

告知移动站；

步骤3，移动站锁定接收的下行突发时间

并根据接收到的初始上行定时误差

或上行定时误差

调整上行发送定时：

步骤31，所述移动站将路径传播时延估计值更新为

δⁱ表示第i次的路径传播时延估计值；

步骤32，所述移动站将当前网络时隙时间更新为

表示第i次的网络时隙时间推算值；

步骤33，所述移动站相对所述当前网络时隙时间

提前Δ_TA＝δⁱ向控制站发送上行突发。

2.根据权利要求1所述上行发送定时调整方法，其特征在于：若控制站与移动站间使用FDD半双工或TDD通信模式，所述移动站相对当前网络时隙时间提前Δ_TA＝δⁱ+τ_T-R向控制站发送上行突发，τ_T-R表示切换时间。

3.根据权利要求2所述上行发送定时调整方法，其特征在于：切换时间τ_T-R至少大于收发机从发送状态到接收状态的切换时间。

4.根据权利要求3所述上行发送定时调整方法，其特征在于：初始上行PRACH突发中加入保护间隔；其他上行突发中无需加入保护间隔。

5.根据权利要求4所述上行发送定时调整方法，其特征在于：所述保护间隔至少大于初始上行定时误差

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