CN115189750A - 一种基于两星等时延差线分区的ra前导长度降低方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，属于通信技术领域；设计了一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，地面终端依靠两颗卫星进行自主定位分区，通过对子区最小往返时延进行更加精确的补偿，减小波束覆盖范围内子区的最大往返时延差，达到降低RA前导长度的目的。本发明地面终端依靠两颗卫星进行自主定位分区，通过对子区最小往返时延进行更加精确的补偿，减小波束覆盖范围内子区的最大往返时延差，达到降低RA前导长度的目的。

Description

一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法。

背景技术

针对随机接入过程，现有的卫星通信系统标准主要考虑了地面移动通信系统标准中的随机接入过程，并结合了卫星通信系统自身覆盖范围较广、往返传播时延较大的特点，加入了时延预补偿方案，对卫星波束内最小往返时延进行补偿，该方案可以满足基本的通信要求。

卫星通信随机接入前导序列由循环前缀(Cycle Prefix，CP)，序列(SEQ)和保护间隔(Guard Time，GT)三部分组成，各部分相应的持续时间分别为T_CP，T_SEQ和T_GT。

循环前缀CP持续时间T_CP应不小于最大往返时延差ΔRTD与最大时延扩展τ_ds之和，即：

T_CP≥ΔRTD+τ_ds (2-1)

其中，最大往返时延差ΔRTD定义为最大往返时延和最小往返时延的差值。保护间隔GT的持续时间T_GT应当大于等于小区的最大往返时延差，即：

T_GT≥ΔRTD (2-2)

卫星移动通信系统中，最大时延扩展(根据ITU-R.M.1225卫星信道模型，卫星的最大时延扩展为250ns)远小于最大往返时延差，因此可以认为：

T_CP＝T_GT≥ΔRTD (2-3)

前导序列持续时间T_SEQ与覆盖性能直接相关，随机接入前导序列的持续时间可以由下式确定。

其中P_RA(r)为卫星接收到的基带PRACH信号功率，可由链路预算得到；N_f是接收机噪声系数，取经验值5dB；E_p/N₀为序列能量与热噪声比；N₀为噪声功率谱密度。为了进一步实现卫星对终端的定位和定时功能，序列的持续时间需要大于CP的长度。即

T_SEQ≥T_CP (2-5)

但是传统卫星通信对于波束最小往返传播时延补偿精度较低，导致最大往返时延差ΔRTD较大，需要较长的前导序列循环前缀CP持续时间来需克服波束内的最大往返时延差ΔRTD；由式(2-3)和(2-5)可以得到较大的ΔRTD也会增大前导序列的持续时间T_SEQ和保护间隔T_GT。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，地面终端依靠两颗卫星进行自主定位分区，通过对子区最小往返时延进行更加精确的补偿，减小波束覆盖范围内子区的最大往返时延差，达到降低RA前导长度的目的。

本发明解决技术的方案是：

一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，包括：

步骤一、测量第一卫星的空间位置为(x₁，y₁，z₁)、第二卫星的空间位置为(x₂，y₂，z₂)，计算2个卫星到达共同覆盖波束区域内的各用户终端U_i(x_i，y_i，z_i)的时延差τ_i；i为2个卫星到达共同覆盖波束区域内的用户终端序号；

步骤二、设定等时延差线CPTD，CPTD(τ_i)＝{(x，y，z)|r₂-r₁＝cτ_i}；随着τ_i不同，等时延差线CPTD将2个卫星共同覆盖的区域划分成K个子区{G₁，G₂，……，G_K}；r₁为用户终端与第一卫星之间的距离；气为用户终端与第二卫星之间的距离；c为光速；

步骤三、第j个卫星的空间位置记为(x_j，y_j，z_j)，j为卫星的序号，j＝1或2；计算用户终端U_i(x_i，y_i，z_i)与第j个卫星的往返传播时延T_j(U)；

步骤四、以两星共同覆盖区域为范围，筛选出终端用户U_i(x_i，y_i，z_i)到达第j卫星的往返传播时延的最大值max T_j(U)和最小值min T_j(U)；并计算以两星共同覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j；

步骤五、通过步骤二的等时延差线CPTD将2个卫星共同覆盖区域划各分子区G_k；以各子区G_k覆盖区域为范围，按照步骤三的方法计算各子区G_k内用户终端U_i(x_i，y_i，z_i)与第j个卫星的往返传播时延

步骤六、以各子区G_k覆盖区域为范围，筛选出各子区G_k内终端用户U_i(x_i，y_i，z_i)到达第j卫星的往返传播时延的最大值

和最小值

并计算以各子区G_k覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)；

步骤七、按照2个星等时延差线CPTD的分区方案，各子区的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)＜ΔRTD_j，实现降低卫星前导序列的持续时间T_SEQ和保护间隔T_GT，实现降低随机接入RA前导序列的长度。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤一中，时延差τ_i满足如下方程：

式中，r₁为用户终端与第一卫星之间的距离；

r₂为用户终端与第二卫星之间的距离；

c为光速。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤二中，所述等时延差线CPTD为：当2个卫星同时发送信号时，由于2个卫星对应的星地距离不同，2路信号到达用户终端的时间不同，存在时延差，将传播时延差相等的地面位置连成曲线，即为等时延差线CPTD。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤二中，每个子区记为G_k，k＝1，2，……，K；设定每个子区的边界线[A_k，A_k+1]，即每个子区G_k的范围为G_k＝{CPTD(τ)|A_k≤τ＜A_k+1}。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤二中，K为不小于2的正整数。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤三中，往返传播时延T_j(U)的计算方法为：

式中，c为光速。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤四中，以两星共同覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j的计算方法为：

ΔRTD_j＝max T_j(U)-min T_j(U)。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，以两星共同覆盖区域为范围进行最大往返传播时延差ΔRTD_j计算时，需要克服最大往返传播时延差ΔRTD_j产生的不确定性。

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，所述步骤六中，以各子区G_k覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)的计算方法为：

在上述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，以各子区G_k覆盖区域为范围进行最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)计算时，只需克服各子区最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)产生的不确定性。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用现有的两颗卫星终端可以自主定位出所在的小区分区位置，无需引用定位系统；

(2)本发明基于两星等时延差线分区方案可以对往返传播时延进行较为精确的补偿，降低随机接入前导长度；

(3)本发明设计了一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，地面终端依靠两颗卫星进行自主定位分区，通过对子区最小往返时延进行更加精确的补偿，减小波束覆盖范围内子区的最大往返时延差，达到降低RA前导长度的目的。

附图说明

图1为本发明两星等时延差线划分子区示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明针对卫星波束往返时延差大导致前导长度较长的特点，设计了一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，地面终端依靠两颗卫星进行自主定位分区，通过对子区最小往返时延进行更加精确的补偿，减小波束覆盖范围内子区的最大往返时延差，达到降低RA前导长度的目的。

基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，具体包括如下步骤：

步骤一、测量第一卫星的空间位置为(x₁，y₁，z₁)、第二卫星的空间位置为(x₂，y₂，z₂)，计算2个卫星到达共同覆盖波束区域内的各用户终端U_i(x_i，y_i，z_i)的时延差τ_i；i为2个卫星到达共同覆盖波束区域内的用户终端序号；时延差τ_i满足如下方程：

式中，r₁为用户终端与第一卫星之间的距离；

r₂为用户终端与第二卫星之间的距离；

c为光速。

步骤二、设定等时延差线CPTD，CPTD(τ_i)＝{(x，y，z)|r₂-r₁＝cτ_i}；随着τ_i不同，等时延差线CPTD将2个卫星共同覆盖的区域划分成K个子区{G₁，G₂，……，G_K}；K为不小于2的正整数。等时延差线CPTD的具体定义为：当2个卫星同时发送信号时，由于2个卫星对应的星地距离不同，2路信号到达用户终端的时间不同，存在时延差，将传播时延差相等的地面位置连成曲线，即为等时延差线CPTD。随着τ_i的不同，CPTD(τ)可以将两卫星波束共同覆盖的小区划分成不同的子区，如图1所示。

每个子区记为G_k，k＝1，2，……，K；设定每个子区的边界线[A_k，A_k+1]，即每个子区G_k的范围为G_k＝{CPTD(τ)|A_k≤τ＜A_k+1}。

步骤三、第j个卫星的空间位置记为(x_j，y_j，z_j)，j为卫星的序号，j＝1或2；计算用户终端U_i(x_i，y_i，z_i)与第j个卫星的往返传播时延T_j(U)；往返传播时延T_j(U)的计算方法为：

式中，c为光速。

步骤四、以两星共同覆盖区域为范围，筛选出终端用户U_i(x_i，y_i，z_i)到达第j卫星的往返传播时延的最大值max T_j(U)和最小值min T_j(U)；并计算以两星共同覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j；以两星共同覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j的计算方法为：

ΔRTD_j＝max T_j(U)-min T_j(U)。

以两星共同覆盖区域为范围进行最大往返传播时延差ΔRTD_j计算时，需要克服最大往返传播时延差ΔRTD_j产生的不确定性。

步骤五、通过步骤二的等时延差线CPTD将2个卫星共同覆盖区域划各分子区G_k；以各子区G_k覆盖区域为范围，按照步骤三的方法计算各子区G_k内用户终端U_i(x_i，y_i，z_i)与第j个卫星的往返传播时延

步骤六、以各子区G_k覆盖区域为范围，筛选出各子区G_k内终端用户U_i(x_i，y_i，z_i)到达第j卫星的往返传播时延的最大值

和最小值

并计算以各子区G_k覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)；以各子区G_k覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)的计算方法为：

以各子区G_k覆盖区域为范围进行最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)计算时，只需克服各子区最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)产生的不确定性。

传统卫星通信系统时延补偿方案是对波束覆盖区域内终端的最小往返传播时延进行补偿，通过补偿后的随机接入前导序列CP持续时间只需克服最大往返时延差ΔRTD_j带来的时间不确定性。而对基于两星等时延差线分区方案来说，各子区需对子区内终端最小往返时延差

进行补偿，补偿后各子区随机接入前导序列CP持续时间只需克服各自子区最大往返时延差ΔRTD_j(k)带来的时间不确定性。

步骤七、按照2个星等时延差线CPTD的分区方案，各子区的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)＜ΔRTD_j，实现降低卫星前导序列的持续时间T_SEQ和保护间隔T_GT，实现降低随机接入RA前导序列的长度。

实施例

两卫星位于同一IGSO轨道，轨道倾角为10°，星下点经度相差5°。基于两星等时延差线分区方案对两卫星波束共同覆盖的小区进行分区，其中卫星1和卫星2波束参数如表1所示。此处CPTD间隔取45us，将小区分为{G₁，G₂，G₃，G₄，G₅}共5个子区。

表1波束参数

卫星	方位角	仰角
			卫星1	180°	86.7053°
卫星2	180°	85.8816°

传统卫星通信随机接入前导的CP和GT的持续时间应大于等于最大往返时延差，即T_CP＝T_GT≥ΔRTD，其中ΔRTD＝1.461ms。对于传统随机接入方案，两波束共同覆盖小区的CP和GT的持续时间为1.461ms。

参照地面LTE的设计规则，随机接入序列持续时间T_SEQ须大于CP长度，因此序列持续时间需满足：

T_SEQ≥1.461ms

从覆盖性能的角度出发，一般来说，较长的序列持续时间将会获得较好的覆盖范围(较大的小区半径)。T_SEQ的取值不仅要大于CP与GT的持续时间，还应满足一定的覆盖性能要求。计算得，小区序列持续时间为0.4571ms。由此可见，根据小区覆盖性能要求得到的小区序列长度均较小。随机接入信号总持续时间必须是子帧长度的整数倍，所以两卫星共同覆盖边缘小区的前导序列持续时间最终确定为2ms。随机接入信号持续时间如表2所示：

表2传统RA前导序列各部分时长设计参数

CP(ms)	SEQ(ms)	GT(ms)	总持续时间(ms)
				1.5	2	1.5	5

随机接入前导序列长度N_zc与采样频率f_s和序列持续时间T_SEQ有关，基于传统RA方案的前导序列持续时间T_SEQ＝2ms，所以

N_zc＝T_SEQ×f_s＝2ms×1.08MHz＝2160

取质数后，前导序列长度N_zc＝2153。

基于两星等时延差线分区方案随机接入前导的CP和GT的持续时间应大于等于最大往返时延差，即T_CP＝T_GT≥ΔRTD(k)，那么基于两星等时延差线分区方案的5个子区分别对应的CP和GT的持续时间分别为0.1640ms、0.3936ms、0.4268ms、0.4274ms和0.1988ms。参照地面LTE的设计规则，随机接入序列持续时间T_SEQ须大于CP长度，因此各子区序列持续时间需分别满足如下条件：

从覆盖性能的角度出发，一般来说，较长的序列持续时间将会获得较好的覆盖范围(较大的小区半径)。T_SEQ的取值不仅要大于CP与GT的持续时间，还应满足一定的覆盖性能要求。计算得，小区五个子区序列持续时间为0.2366ms、0.3163ms、0.3236ms、0.3236ms和0.2501ms。随机接入信号总持续时间必须是子帧长度的整数倍，所以该小区的5个子区前导序列持续时间最终确定为0.6ms、1.2ms、1ms、1ms和0.6ms，并且随机接入信号持续时间如表3所示：

表3子区RA前导序列各部分时长设计参数

子区	CP(ms)	SEQ(ms)	GT(ms)	总持续时间(ms)
					G<sub>1</sub>	0.2	0.6	0.2	1
G<sub>2</sub>	0.5	1	0.5	2
					G<sub>3</sub>	0.5	1	0.5	2
G<sub>4</sub>	0.5	1	0.5	2
					G<sub>5</sub>	0.2	0.6	0.2	1

若小区的5个子区采用同一长度的前导序列，则采用子区2、子区3或子区4的时长参数。随机接入前导序列长度N_zc与采样频率f_s和序列持续时间T_SEQ有关，基于两星等时延差线分区方案的前导序列持续时间T_SEQ＝1ms，所以子区前导序列长度：

N_ZC＝T_SEQ×f_s＝1ms×1.08MHz＝1080

取质数后，前导序列长度N_zc＝1069。

基于传统RA方案的前导序列长度为2153，序列总持续时间5ms；基于两星等时延差线分区方案的前导序列长度为1069，序列总持续时间2ms。由此可见，随机接入序列长度降低50.35％，序列总持续时间降低60％，由此可以看出所提出的基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法可以有效的达到降低前导长度的目的。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：包括：

步骤一、测量第一卫星的空间位置为(x₁,y₁,z₁)、第二卫星的空间位置为(x₂,y₂,z₂)，计算2个卫星到达共同覆盖波束区域内的各用户终端U_i(x_i,y_i,z_i)的时延差τ_i；i为2个卫星到达共同覆盖波束区域内的用户终端序号；

步骤二、设定等时延差线CPTD，CPTD(τ_i)＝{(x,y,z)|r₂-r₁＝cτ_i}；随着τ_i不同，等时延差线CPTD将2个卫星共同覆盖的区域划分成K个子区{G₁,G₂,……,G_K}；r₁为用户终端与第一卫星之间的距离；r₂为用户终端与第二卫星之间的距离；c为光速；

步骤三、第j个卫星的空间位置记为(x_j,y_j,z_j)，j为卫星的序号，j＝1或2；计算用户终端U_i(x_i,y_i,z_i)与第j个卫星的往返传播时延T_j(U)；

步骤四、以两星共同覆盖区域为范围，筛选出终端用户U_i(x_i,y_i,z_i)到达第j卫星的往返传播时延的最大值maxT_j(U)和最小值minT_j(U)；并计算以两星共同覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j；

步骤五、通过步骤二的等时延差线CPTD将2个卫星共同覆盖区域划各分子区G_k；以各子区G_k覆盖区域为范围，按照步骤三的方法计算各子区G_k内用户终端U_i(x_i,y_i,z_i)与第j个卫星的往返传播时延U∈G_kT_j(U)；

步骤六、以各子区G_k覆盖区域为范围，筛选出各子区G_k内终端用户U_i(x_i,y_i,z_i)到达第j卫星的往返传播时延的最大值

和最小值

并计算以各子区G_k覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)；

步骤七、按照2个星等时延差线CPTD的分区方案，各子区的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)＜ΔRTD_j，实现降低卫星前导序列的持续时间T_SEQ和保护间隔T_GT，实现降低随机接入RA前导序列的长度。

2.根据权利要求1所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤一中，时延差τ_i满足如下方程：

式中，r₁为用户终端与第一卫星之间的距离；

r₂为用户终端与第二卫星之间的距离；

c为光速。

3.根据权利要求1所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤二中，所述等时延差线CPTD为：当2个卫星同时发送信号时，由于2个卫星对应的星地距离不同，2路信号到达用户终端的时间不同，存在时延差，将传播时延差相等的地面位置连成曲线，即为等时延差线CPTD。

4.根据权利要求3所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤二中，每个子区记为G_k，k＝1,2,……，K；设定每个子区的边界线[A_k,A_k+1]，即每个子区G_k的范围为

5.根据权利要求1所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤二中，K为不小于2的正整数。

6.根据权利要求1所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤三中，往返传播时延T_j(U)的计算方法为：

式中，c为光速。

7.根据权利要求1所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤四中，以两星共同覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j的计算方法为：

ΔRTD_j＝maxT_j(U)-minT_j(U)。

8.根据权利要求7所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：以两星共同覆盖区域为范围进行最大往返传播时延差ΔRTD_j计算时，需要克服最大往返传播时延差ΔRTD_j产生的不确定性。

9.根据权利要求1所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：所述步骤六中，以各子区G_k覆盖区域为范围的最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)的计算方法为：

10.根据权利要求9所述的一种基于两星等时延差线分区的RA前导长度降低方法，其特征在于：以各子区G_k覆盖区域为范围进行最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)计算时，只需克服各子区最大往返传播时延差ΔRTD_j(k)产生的不确定性。

Images