CN116318333A - 一种减少5g卫星波束切换带来的容量损失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，包括如下步骤：S1、基于地球坐标系对整个卫星网络服务区域进行波位划分和编号；S2、卫星基站在广播消息中新增跳波束图案信息，所述跳波束图案信息包含卫星波束服务的地面波位数量、波束扫描波位的周期、周期内波束驻留每个波位的起止时间、起止时间内的开始符号；S3、卫星终端收到广播消息后，根据跳波束图案，卫星终端确定波束服务其所在波位的起止时间、波束切换到本波位后有用符号开始时间。本发明能够在波束服务的波位数、波位服务时长灵活变化的情况下，更高效地剔除波束切换时信号损坏的OFDM符号，相比现有技术可提升通信容量14％。

Description

一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法

技术领域

本发明涉及5G卫星通信技术领域，尤其涉及一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法。

背景技术

5G系统的通信资源调度分配的时间粒度是时隙(slot)，5G卫星通信的波位时间片分配粒度为毫秒，一毫秒包含8个时隙。当一个收发信机通过跳波束服务多个波位时，跳波束发生在两个时隙之间。

每次跳波束——收发信机的发送/接收波束从当前波位切换到另一个波位——需要重新计算卫星收发信机到地面波位的方向角，并根据波束方向角重新计算和设置天线系统发送和接收信号的相关参数，波束方向角计算->天线参数计算->天线参数应用生效的过程需要一定时间，中间会存在短暂的天线参数不一致，带来波束收发信号异常，通信信号不可用。在现有的天线系统技术条件下，跳波束带来的信号损坏时间长度超过1微秒，已经超过正常CP的长度0.57微秒，导致跳波束的第一个时隙的第一个OFDM符号的“有用符号长度”部分也被破坏，影响有用通信信号的正常收发。而且根据5G系统方案，5G下行信道每个时隙前面的1～3个OFDM符号会用来传输关键的控制信息，控制信息错误会导致整个时隙不可用，带来严重的通信损失。

为了解决上述跳波束的第一个时隙的第一个OFDM符号被破坏的问题，现有的技术方案是采用扩展CP。扩展CP长度约2微秒，超过跳波束带来的信号损坏时间1微秒，因为CP本来就是留出来保护OFDM符号的“有用符号长度”部分，因此，通过采用扩展CP、延长每个OFDM符号头部的保护时间片长度，可以规避跳波束过程对“有用符号长度”部分的信号的破坏。

虽然采用扩展CP能够规避跳波束过程带来的收发信号被破坏问题，采用扩展CP会导致每个时隙的OFDM符号数从14个减少到12个，进而导致单位时间内的RE数减少14％，在其他条件不变的情况下，网络通信容量也就损失了14％。

真正受跳波束影响的仅仅是跳波束发生时的第一个时隙的第一个OFDM符号。假设每2毫秒发生一次跳波束(实际应用中跳波束的平均时间间隔会比2毫秒更长)，则每2毫秒真正受跳波束破坏的OFDM符号只有1个，占比为：1符号/(2毫秒*8时隙*14符号)*100％≈0.45％，但是一旦设置扩展CP，2毫秒包含的全部224个OFDM符号都采用扩展CP，从而对通信容量影响达14％。

发明内容

为了减少通信容量的损失，本发明提供了一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法解决上述问题。

一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，包括如下步骤：

S1、基于地球坐标系对整个卫星网络服务区域进行波位划分和编号；

S2、卫星基站在广播消息中新增跳波束图案信息，包含卫星波束服务的地面波位数量、波束扫描波位的周期、周期内波束驻留每个波位的起止时间、起止时间内的开始符号；

S3、卫星终端收到广播消息后，根据跳波束图案，卫星终端确定波束服务其所在波位的起止时间、波束切换到本波位后有用符号开始时间。

优选地，步骤S1、基于地球坐标系对整个卫星网络服务区域进行波位划分和编号包括：

卫星波束每次驻留一个波位时，通过系统消息广播该波位的波位号，或在UE预置全网波位规划信息，然后卫星终端再根据GPS测量的经纬度信息，自行计算所在波位号。

优选地，步骤S2、卫星基站在广播消息中新增跳波束图案信息包括：

当规划好新的跳波束图案时，卫星基站先按老的跳波束图案进行一个跳波束周期的波位扫描，广播消息中指示新的跳波束图案；从下一个波束扫描周期开始，卫星基站和卫星终端应用新的跳波束图案。

优选地，步骤S3、卫星终端收到广播消息后，根据跳波束图案，卫星终端确定波束服务其所在波位的起止时间、波束切换到本波位后有用符号开始时间包括：

通过随机接入专用波束用于为空闲态终端提供最初的接入服务，通过普通波束为卫星提供真正的应用数据通信服务。

优选地，对于空闲态终端在随机接入专用波束上的信号收发包括约定随机接入专用波束在每个波位固定驻留m毫秒，每个整除m毫秒的时间片的第一个时隙，卫星基站和卫星终端都固定废弃前1个OFDM符号不用。

优选地，对于空闲态终端在随机接入专用波束上的信号收发包括随机接入专用波束统一采用扩展CP。

优选地，对于非空闲态终端，若该卫星终端已经接入了随机接入专用波束，尚未接入普通波束，但即将接入普通波束，则通过随机接入专用波束下发控制消息，通知它即将接入的普通波束的跳波束图案。

优选地，对于非空闲态终端，若该卫星终端已由某个普通波束服务，但即将接入新的普通波束，则由当前波束通过控制消息，通知它即将接入的新波束跳波束图案。

本发明的有益效果：能够在波束服务的波位数、波位服务时长灵活变化的情况下，更高效地剔除波束切换时信号损坏的OFDM符号，相比现有技术可提升通信容量14％；

附图说明

图1为无线帧-子帧-时隙-OFDM符号逐级划分示意图；

图2为子载波-OFDM符号结构示意图；

图3为时隙-OFDM符号结构示意图；

图4为点波束地面覆盖示意图。

图5为本发明实施例提供的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

5G通信采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术，根据OFDM原理，通信资源按照通信频率和时间两个维度划分。通信频率资源按照一定频率带宽划分为子载波，5G支持的子载波带宽有多种，包括15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，其中5G卫星通信的载频为毫米波频段，对应的子载波带宽为120kHz。通信时间资源按照“无线帧-子帧-时隙-OFDM符号”逐级划分，如图1所示，一个无线帧(radioframe)时长10毫秒，包含10个子帧(subframe)。每个子帧时长1毫秒，120kHz子载波带宽情况下一个子帧划分为8干时隙(slot)，每个时隙长度为0.125毫秒。每个时隙又划分为14个或12个OFDM符号(OFDM sybmol)。

5G系统基础的用于传输信息的通信资源结构按照“子载波-OFDM符号”两个维度构成。如图2所示，横向为时间，最小粒度为OFDM符号，图中底部的l为OFDM符号编号；纵向为频率，最小粒度为“子载波”——可用通信频段通常远大于一个子载波，可以划分为成百上千个子载波。这样，时间上按OFDM符号划分、通信频率按子载波划分，共同构成了5G系统通信的基础资源网格，图中的一个格子称为“资源元素”(RE，Resource Element)，是5G系统用来传输信息的基础资源——被传输信息经调制后就放入一个一个的“资源元素”格子中传输。不过虽然RE是5G系统的最小粒度资源单位，但正常的一个通信数据包的数据量需要很多RE才能传输，所以，5G系统的通信资源调度分配的最小单位是时隙和资源块(ResourceBlock，RB)——一个RB包含12个RE。

如图3所示，一个时隙包含若干个OFDM符号，每一个OFDM符号分为CP(图中红色和蓝色部分)和有用符号长度(图中绿色部分)两部分。CP为Cyclic Prefix(循环前缀)的缩写，是用于保护后面的“有用符号长度”部分不受干扰的保护时间片，不能用于传输有用数据。CP长度有两种：正常CP和扩展CP，前者短后者长，120kHz子载波带宽时正常CP约0.57微秒、扩展CP约2微秒。

5G卫星通信使用的120kHz子载波带宽1毫秒对应8个时隙，每一个时隙长度固定为0.125毫秒，即125微秒。每个符号长度约8.9微秒(125微秒除以14个符号约等于8.9微秒)。当采用扩展CP时，一个OFDM符号长度增加约1.4微秒、达到约10.3微秒，导致一个时隙的OFDM符号数减少为12个(125微秒除以10.3微秒约等于12)。在传输带宽不变的情况下，采用扩展CP相比采用正常CP会导致单位时间(比如1毫秒)内可用的“资源元素”(RE)减少，从而导致数据传输速率下降，下降幅度为(14-12)/14*100％≈14％。

当前通信卫星都采用“点波束”技术，可以使通信信号能量集中在较小的区域，提升信号强度从而提升数据传输速率。点波束在地面的覆盖区称为“波位”，如图4地面上的椭圆形区域：“点波束”信号的发送和接收由卫星上的收发信机完成，为了提升通信容量和数据传输速率，单颗卫星可以配备多套收发信机，每套收发信机可以在独立的频段上独立工作，为地面终端提供通信服务。但由于频率资源、重量、功耗、成本等约束，一颗卫星支持的收发信机是有限的(通常为个位数)，需要服务的波位却多达几百个，必须用有限的收发信机采用波束时分扫描的方法才能实现对全部波位的覆盖。比如，假设一颗卫星配备了5套收发信机，但是需要服务50个波位，则平均每个收发信机需要服务50/5＝10个波位。服务的方法是把一段服务时间(称为跳波束周期)，比如20毫秒，均匀分成10个时间片，每个时间片2毫秒，每个时间片收发信机的发送/接收波束朝向其中一个波位，为该波位中的终端提供通信服务，下一个2毫秒时间片则将收发信机的发送/接收波束朝向另一个波位，…，如此可用一个收发信机按时间片轮流服务10个波位，每个波位每20毫秒会得到2毫秒的服务时间。一个收发信机通过按时间片改变波束方向、服务不同波位的方式称为跳波束。

上面的例子仅仅为了说明卫星通过跳波束来用一个波束(一套收发信机)服务多个波位的机制。现实中20毫秒时间片通常不一定按波位均分，而要考虑不同波位的负载情况，负载重的波位时间片占比大，负载轻的波位时间片占比小。一个波束的一小段服务时间划分为更细粒度的若干时间片、分别分配给不同波位，得到一个“波位1+时间片1、波位2+时间片2、…”的序列，称为跳波束图案。当一个波束服务的终端业务量变化、卫星移动、终端移动、新终端接入、已接入终端退出等，都会导致波束的跳波束图案变化。

本发明采用正常CP，但不在跳波束的第一个时隙被损坏的OFDM符号上进行信号收发，通过每次跳波束牺牲一个OFDM符号，换来所有OFDM符号都采用正常CP，从而将跳波束对通信容量的影响尽量降低。这样做的关键在于卫星基站与卫星终端之间需要就哪个时隙会发生跳波束、哪个OFDM符号不能使用达成一致。由于跳波束图案是动态变化的，这意味着在哪个时隙发生跳波束、哪个OFDM被损坏是动态变化的，需要一套具体的技术方案使得卫星基站与卫星终端对此保持一致，整个通信过程才能正常进行。

如图5所示，本发明实施例提供了一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，能够更高效的波束切换时剔除信号损坏的OFDM符号，从而减少通信容量的损失，具体的技术方案如下:

第一步，基于地球坐标系对整个卫星网络服务区域进行波位划分和编号。

卫星基站波束逐波位进行扫描，跳波束图案是卫星基站根据所服务的各波位的负载计算的，因此卫星基站知道特定时刻卫星波束驻留波位的波位号(“驻留”是指卫星波束瞄准该波位服务一小段时间)。为了让卫星终端知道波位号，卫星波束每次驻留一个波位时，可通过系统消息广播该波位的波位号，或也可在UE预置全网波位规划信息——包含波位编号、波位经纬度范围，然后UE再根据GPS测量的经纬度信息，自行计算自己所在波位号。

第二步，卫星基站在广播消息中新增跳波束图案信息，包含卫星波束服务的地面波位数量、波束扫描波位的周期、周期内波束驻留每个波位的起止时间、起止时间内的开始符号

在已知的5G卫星通信技术中，卫星波束会在驻留每个波位时通过广播消息通知波位下的所有卫星终端关于本波束的一系列无线参数，基于此，在广播消息中新增跳波束相关信息，信元参数设计如下：

跳波束图案是基于各波位负载动态调整的，当跳波束图案需要修改时，卫星基站提前规划各个波束的新跳波束图案，但并不立即生效，需要先通过上述广播消息通知该波位下的全部卫星终端新的跳波束图案后，才在约定的时间(一般为下一轮跳波束周期)生效。反之，如果在没有通知全部卫星终端前，卫星基站单方面开始生效，会导致卫星基站与卫星终端理解的跳波束图案不一致，引发错误。

具体方法是，在规划好新的跳波束图案，卫星基站先进行一个跳波束周期的波位扫描——此时仍然按老的跳波束图案进行，但广播消息中指示新的跳波束图案。然后，从下一个波束扫描周期开始，卫星基站和卫星终端都应用新的跳波束图案。

第三步，卫星终端收到广播消息后，根据跳波束图案，卫星终端确定波束服务其所在波位的起止时间、波束切换到本波位后有用符号开始时间。

根据上述跳波束图案，每一次发生跳波束时，卫星终端根据跳波束图案中的“开始符号”确定波束切换后开始的有用符号——即，开始符号之前的符号放弃不用，从而规避波束切换时第一个时隙头部的信号损坏问题。

比如，若信元“开始符号”取值1，则意味着波束切换后的前面1个符号(即符号0)放弃不用，从符号1开始使用(注，根据5G技术体制，一个时隙内的OFDM符号从0开始编号)。由于卫星终端在上一个波束扫描周期已经获知跳波束图案，从而知道本轮及后续波束扫描周期，波束什么时候(即，哪个时隙)切换到本波位，从而知道哪个时隙的前面哪几个符号不可用。

根据卫星5G现有技术，PDCCH(Physical Downlink Control Channel)信道负责发送关键的调度命令，每个时隙的前面1～3个符号(即，符号0～符号2)是作为PDCCH信道的符号，即，PDCCH约定从符号0开始。为此，可以重新约定：根据跳波束图案，跳波束后的第一个时隙，PDCCH信道资源不是固定从符号0开始，而是从“开始符号”指示的OFDM符号开始。

上述技术方案有一个隐含前提条件：卫星终端首先需要能够正确接收卫星基站现有的广播消息——但这又依赖于卫星终端知道现有的跳波束图案，形成循环依赖，此问题的解决方法如下。

首先，根据现有技术5G卫星网络波束分为随机接入专用波束和普通波束，通过随机接入专用波束用于为空闲态终端(未与卫星基站建立通信连接的终端)提供最初的接入服务，普通波束为卫星提供真正的应用数据通信服务。

对于空闲态终端在随机接入专用波束上的信号收发：

方法1，约定随机接入专用波束在每个波位固定驻留m毫秒，即，随机接入专用波束在每个整除m毫秒的时间进行跳波束。则进而约定，每个整除m毫秒的时间片的第一个时隙，卫星基站和卫星终端都固定废弃前1个OFDM符号不用；

方法2，随机接入专用波束统一采用扩展CP——因为随机接入专用波束仅完成终端接入相关的少量信令消息发送，不用于应用数据传输，随机接入专用波束采用扩展CP不影响网络通信容量。

对于非空闲态终端，它已经接入了某个卫星的某个波束，与卫星基站建立了通信连接。

分为两种场景：

1)若该卫星终端已经接入了随机接入专用波束，尚未接入普通波束，但即将接入普通波束，则通过随机接入专用波束下发控制消息(比如，通过随机接入响应消息)通知它即将接入的普通波束的跳波束图案；

2)若该卫星终端已由某个普通波束服务，但即将接入新的普通波束，则由当前波束通过控制消息(比如，MAC CE)通知它即将接入的新波束跳波束图案。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于地球坐标系对整个卫星网络服务区域进行波位划分和编号；

S2、卫星基站在广播消息中新增跳波束图案信息，所述跳波束图案信息包含卫星波束服务的地面波位数量、波束扫描波位的周期、周期内波束驻留每个波位的起止时间、起止时间内的开始符号；

S3、卫星终端收到广播消息后，根据跳波束图案，卫星终端确定波束服务其所在波位的起止时间、波束切换到本波位后有用符号开始时间。

2.如权利要求1所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，步骤S1、基于地球坐标系对整个卫星网络服务区域进行波位划分和编号包括：

卫星波束每次驻留一个波位时，通过系统消息广播该波位的波位号，或在UE预置全网波位规划信息，卫星终端再根据GPS测量的经纬度信息，自行计算所在波位号。

3.如权利要求1所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，步骤S2、卫星基站在广播消息中新增跳波束图案信息包括：

当规划好新的跳波束图案时，卫星基站先按老的跳波束图案进行一个跳波束周期的波位扫描，广播消息中指示新的跳波束图案；从下一个波束扫描周期开始，卫星基站和卫星终端应用新的跳波束图案。

4.如权利要求1所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，步骤S3、卫星终端收到广播消息后，根据跳波束图案，卫星终端确定波束服务其所在波位的起止时间、波束切换到本波位后有用符号开始时间包括：

通过随机接入专用波束用于为空闲态终端提供最初的接入服务，通过普通波束为卫星提供真正的应用数据通信服务。

5.如权利要求4所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，对于空闲态终端在随机接入专用波束上的信号收发包括约定随机接入专用波束在每个波位固定驻留m毫秒，每个整除m毫秒的时间片的第一个时隙，卫星基站和卫星终端都固定废弃前1个OFDM符号不用。

6.如权利要求4所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，对于空闲态终端在随机接入专用波束上的信号收发包括随机接入专用波束统一采用扩展CP。

7.如权利要求4所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，对于非空闲态终端，若该卫星终端已经接入了随机接入专用波束，尚未接入普通波束，但即将接入普通波束，则通过随机接入专用波束下发控制消息，通知它即将接入的普通波束的跳波束图案。

8.如权利要求4所述的一种减少5G卫星波束切换带来的容量损失的方法，其特征在于，对于非空闲态终端，若该卫星终端已由某个普通波束服务，但即将接入新的普通波束，则由当前波束通过控制消息，通知它即将接入的新波束跳波束图案。

Images