CN115473563A - 一种时分双工的非同步卫星通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种时分双工的非同步卫星通信方法及装置，其中方法包括，根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；根据帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。本发明提供了一套可用于时分双工非同步通信卫星系统的帧结构设计、干扰避免和传输方案，能够与现有5G地面通信系统帧结构兼容，同时具有较高频谱效率。

Description

一种时分双工的非同步卫星通信方法及装置
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域。
背景技术
与陆地通信相比，卫星通信具有覆盖范围广、受地面环境影响小等特点。相较目前在卫星通信领域应用广泛的频分双工(FDD)范式，时分双工(TDD)可根据业务类型进行上下行时长的灵活配置，有效提高频谱利用率。同时，卫星能够利用信道互易性，避免对上下行信道分别进行信道估计，从而节约系统开销，有利于星载相控阵天线的应用。此外，时分双工技术使用开关电路进行发送和接收状态转换，与频分双工中的双工器相比，设计更加简单、在对抗宇宙空间辐射干扰时鲁棒性更好。最后，TDD卫星通信系统无需规划成对频谱资源，方便部署。
目前，卫星通信协议碎片化严重，缺少统一标准，主要借鉴的标准是DVB-S标准，该标准继承自原有的数字媒体广播协议，为单载波体制，与现有地面体制差异较大，不利于互联互通，且存在着频谱利用率低；不对业务、数据信道进行区分，安全性保障不足；终端接入、资源管理不够灵活，难以支撑未来通信网络对万物互联的需求等问题。为此，ITU、3GPP、Sat5G以及ETSI等多家国际标准化组织都在研究如何对地面通信体制进行改进从而使其可以适应于卫星通信场景。针对时分双工场景，需针对卫星通信具有动态性高，时延大的特点，对帧结构配置、无线资源调度、以及时延补偿等方面进行针对性设计。在帧结构配置方面，部分专利对时分双工模式下的帧结构设计进行了讨论，具有一定的参考借鉴价值，不过这部分专利并未提及如何在现有时分双工通信框架下实现其帧结构设计，在实际场景部署中存在不足，且无法适应于轨道高度较低的非同步卫星。在无线资源调度方面，现有研究和机制主要关注于卫星波束的跳变，对因卫星通信高时延特性所导致的交叉时隙干扰这一问题考虑不充分。在时延补偿方面，现有研究主要关注于信号处理方面的算法，未考虑卫星移动的规律性。
本专利适用于基于时分双工的非同步卫星，对基础参数及上下行帧结构配置、基于无线资源调度的干扰避免、定时误差补偿三方面进行了研究，并给出了具体实现方案。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种时分双工的非同步卫星通信方法，用于在现有时分双工通信框架下实现轨道高度较低的非同步卫星的帧结构设计。
本发明的第二个目的在于提出一种时分双工的非同步卫星通信装置。
本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。
本发明的第四个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种时分双工的非同步卫星通信方法，包括：
S1:根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；
S2:根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；
S3:根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。
另外，根据本发明上述实施例的时分双工的非同步卫星通信方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星帧结构及相关参数进行配置，包括：
根据各波束中心位置、所述卫星的位置、所述卫星的速度和方向对各波束进行多普勒频偏预补偿；
根据所述卫星的高度及波束覆盖信息确定最大子载波间隔；
根据所述最大子载波间隔确定正交频分复用OFDM符号长度、循环前缀CP长度；
根据所述卫星的高度计算所述卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期；
根据所述定时提前的最大更新周期确定帧结构的配置周期；
以子帧为单位，根据支持业务进行上下行帧结构编排。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案，还包括：
根据业务请求进行传输调度规划；
将所述传输调度规划信息保存到调度信息表中，所述调度信息表存储有调度信息的发送时间以及调度内容；
根据所述调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息及上下行数据的发送。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，包括：
记录每次时频同步时间点及地面终端获取的定时提前量；
根据当前获得的定时提前量、上次获得的定时提前量，以及时频同步周期，计算定时提前量平均变化率；
根据所述时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据所述定时提前量平均变化率，计算当前时刻的定时偏差；
根据所述定时偏差，对数据的发送和接收过程进行补偿。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种时分双工的非同步卫星通信的装置，包括以下模块：
配置模块，用于根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；
调度模块，用于根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；
补偿模块，用于根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述配置模块，还用于：
根据各波束中心位置、所述卫星的位置、所述卫星的速度和方向确定最大子载波间隔；
根据所述最大子载波间隔确定OFDM符号长度、CP长度；
根据所述卫星的高度计算所述卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期；
根据所述定时提前的最大更新周期确定帧结构的配置周期；
以子帧为单位，根据支持业务进行上下行帧结构编排。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调度模块，还用于：
根据业务请求进行传输调度规划；
将所述传输调度规划信息保存到调度信息表中，所述调度信息表存储有调度信息的发送时间以及调度内容；
根据所述调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息及上下行数据的发送。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述补偿模块，还用于：
记录每次时频同步时间点及地面终端获取的定时提前量；
根据当前获得的定时提前量、上次获得的定时提前量，以及时频同步周期，计算定时提前量平均变化率；
根据所述时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据所述定时提前量平均变化率，计算当前时刻的定时偏差；
根据所述定时偏差，对数据的发送和接收过程进行补偿。
为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的时分双工的非同步卫星通信方法。
为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的时分双工的非同步卫星通信方法。
本发明实施例提出的时分双工的非同步卫星通信方法及装置，主要优点是：(1)相对传统配置方案，本发明所提通信方法可针对卫星波束相对于卫星固定及相对于地面固定等应用场景，进行OFDM符号长度、循环前缀长度、帧结构配置的动态配置、有利于实现时分双工非同步低轨卫星通信网络的灵活化和智能化。(2)本发明所提方案既适用于传统的透明转发部署方式，也可适用于星上处理的部署方式，在实际部署中可根据需求及条件的不同，采用不同的网络建设方式。(3)本发明所提方案可利用用户定时提前信息或位置信息进行调度，从而在时分双工模式下，克服因星地链路传输时延大造成的交叉时隙干扰及用户同时收发等问题，使基于时分双工的卫星通信也可采用类似于地面的按需调度机制，提升信道资源使用率，从而降低网络建设成本。(4)本发明所提方案可利用用户定时提前信息对OFDM符号的解调进行补偿，降低实际传输中因卫星高速移动、定时不准确造成的误码率高的问题。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种时分双工的非同步卫星通信方法流程示意图。
图2为星上处理实现下的各部分组成；
图3为透明转发实现下的各部分组成；
图4为本发明所涉及通信方案的流程图；
图5为波束内地面终端最小仰角的计算方法示意图；
图6为不同业务的帧结构配置方案示意图；
图7为系统信息块字段示意图；
图8为调度信息表中上行信息存储格式示意图；
图9为调度信息表中下行信息存储格式示意图；
图10为星地传输场景下，定时偏差对地面终端接收影响的示意图；
图11为星地传输场景下，定时偏差对地面终端发送影响的示意图；
图12为地面终端根据本发明所提方案进行接收补偿的示意图；
图13为地面终端根据本发明所提方案进行发送补偿的示意图；
图14为本发明实施例所提供的一种时分双工的非同步卫星通信装置流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的时分双工的非同步卫星通信方法和装置。
实施例1
图1为本发明实施例所提供的一种时分双工的非同步卫星通信方法的流程示意图。
如图1所示，该时分双工的非同步卫星通信方法方法包括以下步骤：
S1:根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；
S2:根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；
S3:根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。
本发明给出了适用于所提方案的实现设备，根据应用场景的不同，可分为星上处理实现和透明转发实现：
星上处理实现中，实现设备包括卫星通信载荷100和地面终端200。其中，卫星通信载荷100进一步包括帧结构编排器101、无线资源调度器102以及传输单元103。卫星通信载荷用多波束方案同时为地面不同区域提供通信服务，波束瞄准位置既可相对于地面固定也可相对于卫星位置固定。地面终端由传输单元203构成，可分为基带处理单元和射频处理单元，基带处理单元和射频处理单元均为本领域专业术语，分别负责基带信号以及基带信号到射频信号的调制解调。
透明转发实现中，实现设备包括卫星通信载荷100，地面终端200和地面信关站300。其中，地面终端由传输单元203构成，卫星载荷由转发单元104构成，地面信关站由帧结构编排器301，无线资源调度器302及传输单元303构成。转发单元104可接收来自地面终端或地面信关站的信号,并转发给地面信关站或地面终端。因两类实现中，专利相关内容几乎完全相同，下面以星上处理场景为主进行发明内容说明。
所述帧结构编排器101和301负责帧结构基本参数配置以及上下行子帧编排。其输入包括，星载传输单元及地面终端传输单元的多普勒频偏补偿能力、卫星高度、各波束中心位置、波束覆盖区域及业务类型。帧结构编排器输出包括卫星用户通信所用的子载波间隔、OFDM符号长度、循环前缀(CP)长度、上下行配置周期及帧结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星帧结构及相关参数进行配置，包括：
根据各波束中心位置、所述卫星的位置、所述卫星的速度和方向对各波束进行多普勒频偏预补偿；
根据所述卫星的高度及波束覆盖信息确定最大子载波间隔；
根据所述最大子载波间隔确定OFDM符号长度、CP长度；
根据所述卫星的高度计算所述卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期；
根据所述定时提前的最大更新周期确定帧结构的配置周期；
以子帧为单位，根据支持业务进行上下行帧结构编排。
具体地，S1可细分为以下步骤：
S101，卫星传输单元103根据各波束中心位置、当前卫星位置、卫星速度和方向对各波束进行多普勒频偏预补偿。补偿量f′的具体数值可由下式计算得到。
Figure BDA0003766382130000061
其中，v为地面终端和卫星之间的相对速度，c为光速，一般取值为3×108m/s，f为卫星通信载荷使用的载波频点，θ1为卫星当前速度方向与卫星-波束中心连线所形成的夹角。帧结构编排器101根据频偏补偿后的多普勒频偏残留确定最小的子载波间隔。某一波束的子载波间隔SCS应满足如下限制。
Figure BDA0003766382130000062
其中，Δf为可容忍频偏百分比，该值影响接收机的解调正确率，可根据具体需求进行设置，一般将该值设置为5％。
Figure BDA0003766382130000071
为该波束内星载传输单元和地面传输单元经过补偿后的最大残余多普勒频偏，其取值可由如下公式计算得到。
Figure BDA0003766382130000072
其中，θ2为卫星当前速度方向与卫星-波束覆盖范围内一点连线所构成的夹角。
当卫星波束相对于地面区域固定时，卫星应优先考虑为各波束配置相同的子载波间隔。此时，
Figure BDA0003766382130000073
应为卫星覆盖区域内所有可选波束多普勒频偏残留的最大值。假设各波束覆盖半径相同，最大值将出现在星下点波束处，对应的最大多普勒频偏残留
Figure BDA0003766382130000074
可由如下公式计算得到。
Figure BDA0003766382130000075
其中，h为卫星高度，d为星下点波束边界同星下点最远距离。
在透明转发实现中，S101中的卫星传输单元103及帧结构编排器101的功能由地面信关站的传输单元303和帧结构编排器301完成。
S102，帧结构编排器101根据卫星高度及波束覆盖信息确定可使用的最大子载波间隔。首先，卫星通信载荷根据波束中心位置和波束覆盖区域，确定该波束下用户仰角的最小值θ。该仰角可由下式计算得到。
Figure BDA0003766382130000076
其中，R为地球半径，取值一般为6371公里，h为卫星高度，α为取得最小仰角时对应的地面终端的圆心角。α取值同波束中心位置及波束覆盖区域有关，可由如下公式计算得到。
Figure BDA0003766382130000077
其中，daim为波束中心位置同星下点间距离，dbeam为波束边界同波束中心最远距离。编排器在获得地面终端最小仰角后，可根据3GPP组织在技术报告TR38.821中提出的信道模型获得多径时延的均方根时延拓展的均值μ和方差σ，并进一步得到最大时延拓展LDS，其取值由以下公式计算得到。
LDS＝μ+σ，
为降低符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)，OFDM符号的循环前缀长度需满足以下限制。
Lcp≥LDS，
其中，Lcp为选取的子载波间隔对应的循环前缀长度。其取值与子载波间隔大小一一对应，对应关系3GPP已给出，如表1所示。
表1子载波间隔与OFDM符号、循环前缀长度对应关系
子载波间隔 OFDM符号长度 循环前缀长度
15kHz 约66.67μs 约4.69μs
30kHz 约33.33μs 约2.34μs
60kHz 约16.67μs 约1.17μs/4.17μs
120kHz 约8.33μs 约0.58μs
其中，60kHz子载波间隔因支持拓展CP而具有两种CP长度，为最小化循环前缀开销，在通信过程中一般采用常规CP。据此，确定可用最大子载波间隔。
S103，帧结构编排器101在步骤S101和S102确定的子载波间隔范围内进行优选，并根据选择的子载波间隔确定OFDM符号长度、CP长度等参数，具体取值可参见表1。本步骤中，优选方式主要考虑基带处理单元可支持的最大带宽、频率利用率以及处理复杂度等因素。当射频单元使用的频段低于频率门限f时，在保证所选子载波间隔支持信道带宽配置的情况下，考虑到频率利用率等因素，应优选较小的子载波间隔。当射频单元使用的频段高于频率门限f时，应使用较大的子载波间隔，尽量减弱多普勒频偏残留带来的影响。根据5G通信系统协议，该频率门限f一般取7GHz。
S104，帧结构编排器101根据卫星高度计算卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期。为避免出现OFDM符号间干扰，在该周期内，因卫星与地面终端相对运动所造成的最大定时偏差与多经时延拓展之和应小于OFDM符号的循环前缀长度。定时提前的最大更新周期T由如下公式得到。
Figure BDA0003766382130000081
其中，LDS和Lcp分别为步骤S102得到的最大多经时延拓展和选择的子载波间隔对应的循环前缀长度，v和c分别为地面终端和卫星之间的最大相对速度和光速，具体计算方法已在上文中给出，在此不做赘述。
S105，帧结构编排器101需根据最大定时提前更新周期确定帧结构的配置周期。配置周期需满足
P＝{5ms，10ms}
P≤T，
其中，T为步骤S104中得到的最大更新周期。在星地通信场景中，优选10ms的配置周期，5ms帧配置周期作为特殊选项保留，当业务对时延要求较高时，可采用5ms的帧结构配置周期。
S106，帧结构编排器101以子帧为单位，根据所支持业务进行上下行帧结构编排。首先，编排器101根据用户业务类型确定初始上下行时间占比，如语音业务初始上下行时间占比为1∶1，高清视频分发等下行需求较大的业务初始上下行占比为1∶3，物联网数据上传等上行需求较大的业务初始上下行占比为3：1。不失一般性地，假设某一业务的上下行占比为n∶m，其中n为上行时间占比，m为下行时间占比。假设一个帧配置周期中包含M个子帧，考虑到传输单元需要一定时间进行上下行转换，因此总可用子帧数为M-1。此时，上行子帧数NUL和下行子帧数NDL分别按如下公式计算。
Figure BDA0003766382130000091
Figure BDA0003766382130000092
其中，floor(*)为向下取整函数；k和l为附加系数，保证上行子帧数、下行子帧数与保护子帧之和等于配置周期所包含的子帧数。k和l具体取值可由下式得到。
Figure BDA0003766382130000093
其中，
Figure BDA0003766382130000094
和
Figure BDA0003766382130000095
为不考虑附加系数k和l时的取值，即
Figure BDA0003766382130000101
Figure BDA0003766382130000102
在编排器101获得下行子帧数和上行子帧数后，配置帧结构的前NDL个子帧为下行子帧，最后NUL个子帧为上行子帧，下行子帧和上行子帧间的一个子帧作为上下行保护子帧。
S107，编排器101确定帧结构配置后，星载传输单元103采用与5G系统相同的方式对帧结构配置进行广播。部分广播内容如表2所示。
表2帧结构配置字段
字段名称 内容
referenceSubcarrierSpacing 选取的子载波间隔
*dl-UL-TransmissionPeriodicity 帧配置周期
*nrofDownlinkSlots 下行时隙数
*nrofDownlinkSymbols 下行符号数(设为0)
*nrofUplinkSlots 上行时隙数
*nrofUplinkSymbols 上行符号数(设为0)
字段名称 内容
referenceSubcarrierSpacing 选取的子载波间隔
*dl-UL-TransmissionPeriodicity 帧配置周期
*nrofDownlinkSlots 下行时隙数
*nrofDownlinkSymbols 下行符号数(设为0)
*nrofUplinkSlots 上行时隙数
*nrofUplinkSymbols 上行符号数(设为0)
其中，下行时隙数nrofDownlinkSlots和上行时隙数nrofUplinkSlots的取值可由以下公式计算得到。
Figure BDA0003766382130000111
Figure BDA0003766382130000112
其中，NDL和NUL分别为计算得到的下行子帧数和上行子帧数，SCS为步骤S103确定的子载波间隔，单位为kHz。
上述信息包含在系统信息块1(SIB1)中的servingCellConfigCommon数据域，在下行共享信道(PDSCH)上发送。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案，还包括：
根据业务请求进行传输调度规划；
将所述传输调度规划信息保存到调度信息表中，所述调度信息表存储有调度信息的发送时间以及调度内容；
根据所述调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息及上下行数据的发送。
具体地，步骤S2细分为以下步骤：
S201，卫星通信载荷中的无线资源调度器102根据用户业务请求进行用户传输调度规划。无线资源调度器的输入包括各地面终端的传输需求、调度信息表及各地面终端的定时提前量(TA)。其中，调度信息表存储有调度信息的发送时间以及具体的调度内容；定时提前量为通信行业周知术语，其保证各个地面终端的发送数据在同一时刻到达卫星通信载荷处，取值由随机接入流程得到。
对于任意地面终端A，首先考虑卫星通信载荷为该地面终端进行下行调度的情形。若td0为最早可用下行时间点，即td0前的信道资源已分配完毕，则无线资源调度器102判断是否可在时间td0处进行终端A的下行数据发送。具体地，无线资源调度器首先根据地面终端A的TA值估算下行数据到达用户接收端的时间范围(td1,td2)。td1，td2分别由以下公式计算得到。
Figure BDA0003766382130000113
Figure BDA0003766382130000114
其中，tslot为单个时隙的时隙长度。其取值与子载波间隔SCS的关系如下式所示。
Figure BDA0003766382130000121
其中，子载波间隔的单位为kHz，时隙长度的单位为ms。若终端A下行数据接收时间范围(td1,td2)与终端A已有上行数据发送时间范围(tu1,tu2)重叠，则不能在时间td0处向用户A发送数据，需顺延td0并重复上述步骤；若终端A下行数据接收时间范围(td1,td2)与调度信息表中终端A所有上行调度的发送时间范围(tu1,tu2)均不重叠，则可在时间td0处进行下行调度，其中，tu1和tu2可通过无线资源调度器存储的调度信息表中的终端A上行调度信息获得，表格格式如图8所示。tu1和tu2计算方式为
Figure BDA0003766382130000122
Figure BDA0003766382130000123
其中，t′u0为卫星通信载荷发送上行调度信息的时间点，K为上行调度时隙偏移，其取值将在后文上行调度的部分进行介绍。
S202定义集合U为已调度的上行发送时间段(tu1,tu2)同用户A的下行接收时间段(td1,td2)有重叠且与终端A的间距小于距离门限
Figure BDA0003766382130000124
的所有终端构成的集合,无线资源调度器102根据调度信息表内数据判断是否有用户属于集合U。若集合U为空集，则根据终端A下行数据量计算所需信道数，进行下行数据发送。若集合U非空，则检查集合U中终端在上行发送时间段(tu1,tu2)内使用的信道资源，基于此为终端A的下行传输选择正交的信道资源。在完成信道资源选择后，无线资源调度器102将相关信息保存到调度信息表中，表格信息格式如图9所示。以上步骤保证地面终端不会同时处于收发两种状态，终端间也不会产生交叉时隙干扰。
与下行调度不同，TDD情况下，需额外确定调度信息发送时间点t′u0和调度信息和实际传输间的时隙偏移K。调度信息发送时间点t′u0的选取规则如下：当有上行传输时，无线资源调度器102查询调度信息表，确定下行控制信道(PDCCH)未被全部占用的可用下行时隙，此时，调度信息发送时间点t′u0为对应的下行时隙起始时间点。确定调度信息发送时间点t′u0后，确定调度信息和实际传输间的时隙偏移K。时隙偏移K的选取方式如下：无线资源调度器查询调度信息表，确定未分配的上行时隙，为保证地面终端A收到上行调度信息后，可进行基于定时提前的发送，该上行时隙需满足以下关系
tu0-t′u0＞TA+tslot，
其中，tu0为卫星开始接收上行数据的时间点，也即卫星侧上行时隙的起始时间点。当该上行时隙不满足该关系时，应选择下一上行时隙，进行相应判断。确定tu0后，可由以下公式计算得到时隙偏移K。
Figure BDA0003766382130000131
完成上行调度资源选择后，无线资源调度器102将上行调度信息存储到调度信息表中，格式如图8所示。在进行多用户调度时，只需按照终端优先级，依次进行上下行调度即可。
S203，卫星通信载荷每时隙根据调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息DCI及上下行数据的发送。并对调度信息表中满足如下条件的信息进行清理。
td0≤tnow(下行调度)
t′u0+K×tslot-TA≤tnow(上行调度)，
其中，td0和t′u0分别为上文中提到的下行调度信息和上行调度信息中调度信息发送时间点，K为上行时隙偏移，tsloy为时隙长度，tnow为本时隙起始时刻。
与步骤S1中类似，在透明转发实现中，卫星无线资源调度器102的任务将由信关站处的无线资源调度器302完成。
在步骤S1中，帧结构编排器101已通过时间同步周期对因卫星高速移动造成的卫星和终端间的定时偏差进行了初步控制，为进一步降低定时偏差带来的数据解调错误，地面传输单元203根据步骤S3进行定时偏差补偿。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，包括：
记录每次时频同步时间点及地面终端获取的定时提前量；
根据当前获得的定时提前量、上次获得的定时提前量，以及时频同步周期，计算定时提前量平均变化率；
根据所述时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据所述定时提前量平均变化率，计算当前时刻的定时偏差；
根据所述定时偏差，对数据的发送和接收过程进行补偿。
具体地，步骤S3细分为以下步骤：
S301，地面终端传输单元203在完成每次时频同步后，记录本次时频同步的时间点t1及地面终端获取的定时提前量TA1。
S302,，地面终端200根据本次获得的定时提前量TA1、上一次获得的定时提前量TA2，以及时频同步周期T，根据下式计算定时提前量平均变化率
Figure BDA0003766382130000141
Figure BDA0003766382130000142
当TA2不存在时，即地面终端未同该卫星进行时频同步时，
Figure BDA0003766382130000143
等于0。
S303，地面终端200根据步骤S301记录的时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据步骤S302中计算得到的定时提前量变化率，估计当前时刻的定时偏差，定时偏差可用下式进行估算：
Figure BDA0003766382130000144
其中，t为当前时间，t1为最近一次时频同步的时间点，
Figure BDA0003766382130000145
为步骤S302中计算得到的定时提前量变化率。
S304，地面终端传输单元203根据步骤S303得到的定时提前误差，对数据的发送和接收过程进行补偿。补偿的具体方案如下：
在进行OFDM符号接收时，若步骤S303计算得到的定时偏差为负，则说明卫星通信载荷100与地面终端200相互靠近，此时，在对每个OFDM符号进行FFT运算时，需将接收窗适当提前，假设原来FFT接收窗的起点为TFFT，则变化后的FFT接收窗起点应修正为
Figure BDA0003766382130000146
其中,TFFT′为修正后的FFT接收窗起点，TAerror为步骤S303中计算得到的定时偏差，其取值为负，Toffset为FFT接收窗的提前偏置，其主要作用为降低因定时提前误差估计不准导致的符号间干扰(ISI)，其取值可设置为固定常数。若步骤S303计算得到的定时偏差为正，说明此时卫星通信载荷100与地面终端200互相远离，考虑到将FFT接收窗后移将破坏时频同步确定的子帧边界，需对基带处理单元做较大修改，因此通过对接收信号进行相应处理达到同等效果。具体方式如下：
根据步骤S303计算得到的定时偏差将接收窗内的采样数据分成两段，前
Figure BDA0003766382130000151
内的采样点为数据段1，之后的采样点为数据段2。传输单元203的基带处理单元在完成分段后，将数据段1中的采样点移至数据段2后，完成原有OFDM符号重构。重构完成后，基带处理单元对OFDM符号进行FFT变换等操作，完成数据解调。由于定时偏差估计的不准确性，补偿后的OFDM符号可能仍然存在相位误差残留，但此时该相位误差较小，可通过信道估计对该部分相位误差进行修正。信道估计为本领域的公知术语，其主要通过导频符号对信号的幅度和相位变化进行估计。
在进行OFDM符号发送时，地面终端传输单元203只需根据步骤S303中计算得到的定时偏差TAerror对定时提前量进行补偿，补偿后的定时提前量可由下式表示：
TA′＝TA1+TAerror-Toffset，
其中，TA′为补偿后地面终端的定时提前量，TA1为步骤S301中地面终端与卫星通信载荷进行时频同步时获得的定时提前量、TAerror为步骤S303中计算得到的定时提前误差、Toffset为一正常数，其目的在于减小由于定时提前误差估计不准带来的符号间干扰。
在透明转发实现中，卫星传输单元203的任务将由地面信关站处的传输单元303完成。
实施例2
根据实施例1所述的基于时分双工的非同步卫星通信方法，参照图2、图3和图4进行整体描述，其具体计算方式如下：
图2给出了星上处理实现下通信方案各组成部分的构成，其包括卫星通信载荷100和地面终端200。其中，卫星通信载荷100由运载火箭发射至指定轨道，多个卫星通信载荷100构成卫星通信系统的星座。卫星通信载荷100进入轨道，正式开始运行前，需进行卫星基本参数初始化，其基本参数主要包括：卫星星座构型、波束覆盖方案、卫星速度、系统频偏容限等，该部分参数由对该系统的设计确定，在实际实施时可认为是外部输入。图3给出了透明转发实现下通信方案各组成部分的构成，其包括卫星通信载荷100、地面终端200和地面信关站300。
图4给出了本发明所涉及的通信方案的流程图，从图4中可看出，本发明所涉及通信方案由三部分构成，步骤S1负责在基础参数上，对卫星通信载荷100的通信参数进行初始化。确定卫星通信载荷100的子载波间隔、帧结构配置等。在完成步骤S1后，通信系统的配置阶段结束，进入调度阶段。在本阶段中，地面终端向卫星通信载荷100发起调度请求，卫星通信载荷100在接收到该调度请求后，执行具体的上下行调度流程，为地面终端上下行传输分配信道资源。步骤S2对其中的上下行信道资源分配方案进行了详细描述。调度阶段完成后，卫星通信载荷100和地面终端在调度的资源上进行实际数据传输。步骤S3对本阶段中卫星移动性造成的定时偏差的补偿方法进行了说明。
进一步地，参照图5和图6对步骤S1的通信参数配置过程进行描述。在具体描述中，以600km高度的低轨卫星为例进行说明。
S101，帧结构编排器101根据系统频偏补偿后的多普勒频偏残留确定最小的子载波间隔。其中，卫星通信载荷100根据卫星和地面终端位置以及当前卫星速度矢量进行多普勒频偏补偿。在该频偏补偿方式下，多普勒频偏残留将由用户定位误差决定。当认为地面终端定位误差为1Km，卫星通信载荷100所使用的频点为20GHz，卫星同地面终端间的相对运动速度为8Km/s时，则频偏预补偿后，最大多普勒频偏残留约为900Hz，根据5％的最大可容忍频偏百分比可计算出卫星通信载荷100所配置的子载波间隔应不小于18kHz。
S102，帧结构编排器101根据卫星高度及波束覆盖信息确定可使用的最大子载波间隔。卫星通信载荷100可利用星载相控阵天线实现波束的动态扫描，但波束范围受到相控阵天线物理实现及卫星覆盖设计的限制。在本实施例中，认为卫星波束瞄准点同星下点的最远距离为600km，波束覆盖半径为25Km，根据图4提供的计算方法，可得到地面终端的最小仰角约为40°，考虑密集城区场景，通过查询3GPP信道模型，可计算得到此时最大多径时延约为0.05μs，小于120kHz子载波间隔对应的循环前缀长度，因为目前5G协议中数据信道的子载波间隔只支持到120kHz，因此卫星通信载荷100所配置的子载波间隔无特殊限制。
S103，根据步骤S101和S102，帧结构编排器101确定了可配置的子载波间隔范围，其范围为18kHz～120kHz。此时采用的频点高于7GHz，认为多普勒频偏的影响较大，应优先考虑，因此采用120kHz的子载波间隔配置。此时，对应的循环前缀时长为0.58μs，OFDM符号时长为8.33μs。
S104，完成基本参数配置后，帧结构编排器101将根据卫星速度，多径时延拓展及循环前缀长度确定帧结构配置周期，依照本实施例上述场景参数进行计算，可得到最大帧结构配置周期为21.375ms。
S105，根据S103中给出的确定的子载波间隔和S104中给出的最大帧结构配置周期，此时可看出帧结构配置可采用最大10ms的配置周期。
S106，确定配置周期后，编排器101根据卫星通信载荷100所服务的业务类型确定帧结构上下行配比，卫星通信载荷100所服务的业务类型可在星座设计时给定或从卫星测控站指令中获取。图7给出了不同业务的配置方案示例，其中，帧结构配置周期为10ms。
S107，帧结构编排器101根据确定的上下行结构对图8中系统信息的帧结构配置字段进行设置。以图7中通话业务方案为例，此时referenceSubcarrierSpacing应设置为120kHz，dl-UL-TransmissionPeriodicity应设置为5ms，nrofDownlinkSlots和nrofUplinkSlots均设置为16，nrofDownlinkSymbols和nrofUplinkSymbols均设置为0。完成数值具体设置后，系统信息将通过传输单元103在指定信道上进行广播。
完成步骤S1后，卫星通信载荷100可为地面终端200提供通信服务。无线资源调度器102和传输单元103在通信过程中负责资源调度及具体的发送接收处理。下文将结合图8-图13对步骤S2所涉及的通信资源调度和步骤S3所涉及的地面终端发送接收补偿方法进行详细描述。
S201，步骤S1在保护间隔选取中未考虑传输时延给上下行调度带来的影响，因此直接按照5G协议进行资源调度将使得地面终端需具备同时收发能力。无线资源调度器102需在调度时进行判断，保证地面终端不需同时收发。下面考虑下行调度场景。若卫星通信载荷100有未调度的数据需要发送给地面终端，卫星通信载荷通过调度信息表确定最早可用下行调度时间td0，并计算在该处进行下行发送所使用的接收时间窗(td1,td2)。之后，无线资源调度器102遍历调度信息表中所有该用户的上行调度信息，判断接收时间窗是否和已调度的发送时间窗相冲突，如没有，则可以在该时隙进行下行调度和传输，否则，顺延下行调度时间td0至下一可用时隙，并重复上述步骤。同理，若需进行上行发送，则先根据PDCCH信道占用情况确定调度信息发送时间点，调度信息发送时间点确定之后，无线资源调度器102通过调度信息表确定最早可用上行调度时间tu0，计算此时地面终端发送时间窗(tu1,tu2)。无线资源调度器遍历该用户的所有下行调度信息，若此时该用户的所有下行调度接收窗都不与发送时间窗冲突，则根据调度信息发送时间点和调度时间确定上行时隙偏移K，若K满足进行上行调度的最小偏移限制，则可在该时隙上进行上行调度，否则需顺延上行调度时间tu0至下一可用上行时隙。
S202，确定上下行调度时间点后，无线资源调度器102需进一步确定上下行调度所使用的信道资源。以下行调度为例，无线资源调度器102遍历调度信息表中的所有上行调度，并记录发送时间窗与本次下行接收窗相冲突的用户。若该用户与本调度用户的距离小于距离门限
Figure BDA0003766382130000181
则在进行信道资源分配时，排除该用户所使用的信道资源。若进行该判断后，若该时隙已无可使用的信道资源，则设置该时隙为不可用时隙，并返回步骤S201重新进行时隙选择。否则，根据业务需求，进行信道资源分配，并将对应的调度信息存入调度信息表。
S203，卫星传输单元103在每个时隙开始前，获取调度信息表中相关数据，并按照调度信息进行调度信息或实际数据的发送。之后，无线资源调度器102对调度信息是否过期进行判断，并删除过期的调度信息。
图10和图11分别对卫星移动导致的下行接收和上行发送定时误差影响进行了形象化说明。为对该定时误差进行补偿，地面终端处的传输单元203需在发送和接收时根据步骤S3进行相应补偿。
S301，地面终端传输单元203与卫星进行周期性时频同步，并记录本次时频同步的时间点和获取的TA，时频同步及TA获取可通过地面终端200向卫星通信载荷100发送已知序列得到，为移动通信行业内所周知，在此不再赘述。
S302，地面终端根据本次同步获得的TA1和上次同步获得的TA2计算定时提前量平均变化率。当地面终端处没有上次同步的TA时，令定时提前平均变化率为0。考虑高度为600km的非同步卫星场景，地面终端仰角40°，假设TA1-TA2为-0.67μs，此时可计算出定时提前量的变化率为-30μs/s。
S303，地面终端传输单元203在接收时，根据当前时间和最近一次同步的时间差以及计算处的定时提前量变化率，可对当前时刻的定时偏差进行估算，按照上述场景，如当前时间同上次同步的时间间隔为12ms时，估算得到的定时偏差应为-0.36μs。
S304，地面终端传输单元203根据估算得到的定时偏差对发送和接收过程进行补偿。考虑接收补偿时，当计算得到的定时偏差为负时，传输单元203中的基带处理单元应将接收窗提前。在本例中，应提前大约0.18μs。当计算得到的定时偏差为正时，基带部分应先按原有流程进行循环前缀去除，然后对结果数据进行OFDM符号重构，将结果数据的前一部分放置于结果数据尾部，在本例中，该部分时长约为0.18μs。考虑发送补偿时，地面终端传输单元203只需将计算得到的定时提前偏差与定时提前量相加得到本时刻的定时提前量估计值，并根据该估计值进行上行发送即可。图11和图12分别对接收和发送补偿方法进行了形象化说明。
本发明实施例提出的时分双工的非同步卫星通信方法，一方面解决了基于时分双工的非同步低轨卫星通信中，基本参数的配置方法问题；另一方面解决了单颗卫星的服务用户的干扰问题；并且还缓解了OFDM符号解调时因定时误差导致的解调误码率大的问题。
为了实现上述实施例，本发明还提出一种时分双工的非同步卫星通信装置。
图14为本发明实施例提供的一种时分双工的非同步卫星通信装置的结构示意图。
如图14所示，该时分双工的非同步卫星通信装置包括：配置模块10，调度模块20，补偿模块30，其中，
配置模块，用于根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；
调度模块，用于根据帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；
补偿模块，用于根据时频同步获得的定时提前量对资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。
进一步地，在本发明的一个实施例中，配置模块，还用于：
根据各波束中心位置、卫星的位置、卫星的速度和方向确定最大子载波间隔；
根据最大子载波间隔确定OFDM符号长度、CP长度；
根据卫星的高度计算所述卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期；
根据定时提前的最大更新周期确定帧结构的配置周期；
以子帧为单位，根据支持业务进行上下行帧结构编排。
进一步地，在本发明的一个实施例中，调度模块，还用于：
根据业务请求进行传输调度规划；
将传输调度规划信息保存到调度信息表中，调度信息表存储有调度信息的发送时间以及调度内容；
根据调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息及上下行数据的发送。
进一步地，在本发明的一个实施例中，补偿模块，还用于：
记录每次时频同步时间点及地面终端获取的定时提前量；
根据当前获得的定时提前量、上次获得的定时提前量，以及时频同步周期，计算定时提前量平均变化率；
根据所述时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据定时提前量平均变化率，计算当前时刻的定时偏差；
根据定时偏差，对数据的发送和接收过程进行补偿。
为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的时分双工的非同步卫星通信方法。
为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的时分双工的非同步卫星通信方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种时分双工的非同步卫星通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；
根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；
根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星帧结构及相关参数进行配置，包括：
根据各波束中心位置、所述卫星的位置、所述卫星的速度和方向对各波束进行多普勒频偏预补偿；
根据所述卫星的高度及波束覆盖信息确定最大子载波间隔；
根据所述最大子载波间隔确定正交频分复用OFDM符号长度、循环前缀CP长度；
根据所述卫星的高度计算所述卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期；
根据所述定时提前的最大更新周期确定帧结构的配置周期；
以子帧为单位，根据支持业务进行上下行帧结构编排。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案，还包括：
根据业务请求进行传输调度规划；
将所述传输调度规划信息保存到调度信息表中，所述调度信息表存储有调度信息的发送时间以及调度内容；
根据所述调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息及上下行数据的发送。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，包括：
记录每次时频同步时间点及地面终端获取的定时提前量；
根据当前获得的定时提前量、上次获得的定时提前量，以及时频同步周期，计算定时提前量平均变化率；
根据所述时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据所述定时提前量平均变化率，计算当前时刻的定时偏差；
根据所述定时偏差，对数据的发送和接收过程进行补偿。
5.一种时分双工的非同步卫星通信装置，其特征在于，包括：
配置模块，用于根据信道特征、业务特征以及传输单元能力对卫星的帧结构及相关参数进行配置；
调度模块，用于根据所述帧结构及相关参数的配置信息以及历史资源调度信息确定资源调度方案；
补偿模块，用于根据时频同步获得的定时提前量对所述资源调度方案进行定时误差补偿，根据经过定时误差补偿后的资源调度方案进行数据传输。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述配置模块，还用于：
根据各波束中心位置、所述卫星的位置、所述卫星的速度和方向确定最大子载波间隔；
根据所述最大子载波间隔确定OFDM符号长度、CP长度；
根据所述卫星的高度计算所述卫星相对地球的运动速度，并结合地球自转速度确定定时提前的最大更新周期；
根据所述定时提前的最大更新周期确定帧结构的配置周期；
以子帧为单位，根据支持业务进行上下行帧结构编排。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调度模块，还用于：
根据业务请求进行传输调度规划；
将所述传输调度规划信息保存到调度信息表中，所述调度信息表存储有调度信息的发送时间以及调度内容；
根据所述调度信息表中的信息在对应时间点进行调度信息及上下行数据的发送。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述补偿模块，还用于：
记录每次时频同步时间点及地面终端获取的定时提前量；
根据当前获得的定时提前量、上次获得的定时提前量，以及时频同步周期，计算定时提前量平均变化率；
根据所述时频同步时间点得到当前时刻同上次时频同步时刻间的时间差，并根据所述定时提前量平均变化率，计算当前时刻的定时偏差；
根据所述定时偏差，对数据的发送和接收过程进行补偿。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-4中任一所述的时分双工的非同步卫星通信方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任意一项所述的时分双工的非同步卫星通信方法。
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