專利名稱：一種基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信中時分雙工模式下的一種基于終端位置分區(qū)的上行信號對 齊方法，屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
第三代(3G)地面移動通信系統(tǒng)包括頻分雙工(FDD frequency Division Duplexing)和時分雙工(TDD =Time Division Duplexing)兩類體制，我國具有自主知識 產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)即屬于3G標(biāo)準(zhǔn)中基于TDD類型的通信體制。[3GPP TS 25. 221V4. 8.0 (2005-06) "3rdGeneration Partnership Project ；Technical Specification Group Radio Access Network ；Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (TDD) (Release 4)，，]。近期我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE-Advanced技術(shù)方案已成為了國際電信聯(lián) 盟(ITU-R)的4G通信技術(shù)候選方案之一，有望成為今后4G的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同樣地， TD-LTE-Advanced方案也是基于TDD模式。在地面移動通信系統(tǒng)中采用TDD雙工模式，相比FDD而言具有以下的一些優(yōu)勢 (1)收發(fā)同頻，可以節(jié)省一半的頻帶資源；(2)有利于開展上下行非對稱業(yè)務(wù)；(3)終端無需 使用雙工器并可以共用中/射頻模塊，因而可以簡化終端設(shè)計；(4)收發(fā)同頻有利于直接利 用上下行信道估計的結(jié)果，有利于上行同步、智能天線等技術(shù)的采用。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于存在較大的星地傳輸時延(例如，靜止軌道GEO衛(wèi)星軌道 高度約為36000公里，最大單跳往返時延約有270ms)，采用TDD模式較為困難，因此，目前除 銥系統(tǒng)外，絕大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)均未考慮TDD雙工方式，并且相關(guān)研究也較少。[Wolfgang Kogler,et al. ,"Timing Synchronization in MF-TDMA Systems for Geostationary Satellites，，，IEEE Communications Magazine, Dec. 2007]分析了靜止軌 道衛(wèi)星(GEO)系統(tǒng)中多頻時分多址(MF-TDMA)方式下，因大的傳輸時延引起的各終端所產(chǎn) 生的時隙對齊問題，提出了高層和低層兩種定時同步調(diào)整方案。[HULBERT, et al. ， EU Patent EP 1 698 075 Bi,"A METHOD OF COMMUNICATION INA TIME DIVISION DUPLEX (TDD) SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM，，，Jan. 2008]公開了 一種時分雙工衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信方法，以時隙為基本單位，考慮了衛(wèi)星傳輸時延影響下 的TDD雙方的時隙對齊問題，提出了基于細(xì)小時隙的TDD方案。[Rec.ITU-R M. 1457-6, "Detailed specifications of the radio interfaces of International Mobile Telecommunications_2000 (IMT—2000)，，，2006]描述了一種用 于IMT-2000的FDD/TDD衛(wèi)星通信的B類衛(wèi)星無線接口 W-C/TDMA標(biāo)準(zhǔn)，其幀結(jié)構(gòu)是基于一 種包含9個20ms幀的多幀結(jié)構(gòu)。該文獻(xiàn)中并未給出具體的幀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并且也未給出相應(yīng) 的傳輸時延影響的分析和設(shè)計。[Arif Ansari, et al. ,"S-ffiMAX =Adaptation of IEEE 802.16e for Mobile Satellite Services, " IEEE Communications Magazine, Jun. 2009]分析了在衛(wèi)星通信中采用WiMAX技術(shù)的適應(yīng)性問題。在考慮TDD模式時分析了具有不同傳輸時延的地面終端在 上行和下行幀設(shè)計上的適應(yīng)性問題，提出了一種在下行幀和上行幀尾部設(shè)置足夠長保護(hù)時 間(大于2倍的傳輸時延差)的解決方案。但是該文獻(xiàn)中并未真正解決TDD的可行性，即 未提出針對平均傳輸時延的星地時隙對齊問題的解決方案，也未針對衛(wèi)星波束提出具體適 應(yīng)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種基于位置分區(qū)的時分雙 工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法。 本方法能夠使時分雙工衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決一個波束內(nèi)傳輸延遲差不同的問題，為 不同位置的終端信號提供一種上行信號對齊的解決方案，避免數(shù)據(jù)丟失。該方法適用于具 有CDMA或OFDMA等信號形式的多衛(wèi)星終端系統(tǒng)。本發(fā)明涉及到衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)的幾種衛(wèi)星與終端之間的傳輸時延的定義，如 圖1所示。最大傳輸時延衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)衛(wèi)星與具有最長路徑的終端之間的傳輸時 延；通常表示為τ max ；最小傳輸時延是衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)衛(wèi)星與具有最短路徑的終端之間的傳輸時 延；通常表示為 min，中間傳輸時延衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)衛(wèi)星與具有中間路徑的終端之間的傳輸時 延，該值大約是最大和最小傳輸時延的算術(shù)平均值，即τω_= (τω3χ+Tfflin)/2；最大傳輸時延差最大傳輸時延與最小傳輸時延的差值，即τ max- τ min。單邊最大傳輸時延差中間傳輸時延與最大或最小傳輸時延的差值，即
(τ max" τ min) /2。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，所述方法包括衛(wèi)星向地面終端發(fā)送下行信號，接收地面終端發(fā)送的上行信號，所述發(fā)送和接收 在同一頻率信道的不同時隙進(jìn)行；地面終端向衛(wèi)星發(fā)送上行信號，接收衛(wèi)星發(fā)送的下行信號，所述發(fā)送和接收在同 一頻率信道的不同時隙進(jìn)行，也就是說，衛(wèi)星在某時隙向地面終端發(fā)送下行信號，必須在其他時隙接收地面終 端發(fā)送的上行信號，終端在某時隙接收衛(wèi)星發(fā)送的下行信號，必須在其他時隙向衛(wèi)星發(fā)送 上行信號，即衛(wèi)星側(cè)與終端側(cè)的發(fā)送和接收都是在不同時隙進(jìn)行的，但發(fā)送和接收可利用 相同頻率的信道，和現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，所述上行信號包括無線幀，所述無線幀包括下行塊和上行窗口，所述上行窗口包 括上行塊和寬度相等的第一和第二保護(hù)時間；此外，在本發(fā)明方法中，根據(jù)終端所處區(qū)域的不同傳輸時延，將衛(wèi)星波束覆蓋范圍 分成三個波束子區(qū)域，即中間傳輸時延區(qū)，大傳輸時延區(qū)和小傳輸時延區(qū)a)中間傳輸時延區(qū)一個衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，包含中間傳輸時延點(diǎn)的特定的波束子區(qū)域，其發(fā)送信號到達(dá)衛(wèi)星的傳輸時延處于中間水平，具體來說，其傳輸時延在 [^fflean-A2, τ_+Δι]的范圍內(nèi)，因此，“ τ_-Δ2”和“ τ_+Δι”是中間傳輸時延區(qū)的時 延邊界，具體的數(shù)值可以根據(jù)衛(wèi)星與波束相對位置，切換頻率等因素進(jìn)行具體調(diào)整，不適合 統(tǒng)一限定；b)大傳輸時延區(qū)一個衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，發(fā)送信號到達(dá)衛(wèi)星的傳輸時延大于 中間傳輸時延區(qū)的波束子區(qū)域，具體來說，其傳輸時延在(Tmea^A1, TfflaJ的范圍內(nèi)；c)小傳輸時延區(qū)一個衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，發(fā)送信號到達(dá)衛(wèi)星的傳輸時延小于 中間傳輸時延區(qū)的波束子區(qū)域，具體來說，其傳輸時延在[Tmin，Tmean-A2)的范圍內(nèi)。其中τ _表示最大傳輸時延，表示最小傳輸時延，τ m_表示中間傳輸時延； A1^P Δ2各自在(0，(τ_-τ_)/4]的范圍內(nèi)，相互之間既可以相同也可以不同。當(dāng)?shù)孛娼K端在中間傳輸時延區(qū)時，所述第一和第二保護(hù)時間分別位于上行塊的兩 側(cè)；在大傳輸時延區(qū)時，所述第一和第二保護(hù)時間均位于上行塊的右側(cè)；在小傳輸時延區(qū) 時，所述第一和第二保護(hù)時間均位于上行塊的左側(cè)。地面終端可通過測距或定位等方式，確定當(dāng)前位置所處的波束子區(qū)域，然后按照 上述規(guī)則采用相應(yīng)的無線幀配置方式進(jìn)行通信。優(yōu)選地，所述第一保護(hù)時間的寬度大于(τ max- τ min)/2。優(yōu)選地，A1=(τ ·χ- τ mJ /4, A2= (τ ·χ- τ mJ /4。優(yōu)選地，所述無線幀由15個時隙組成，其中下行塊可以由7個時隙組成，上行塊可 以由6個時隙組成，則在此情況下，第一和第二保護(hù)時間各由1個時隙組成。通過上述描述可知，在本發(fā)明方法中，地面終端的上行塊發(fā)送時間以下行塊的接 收結(jié)束時間為基準(zhǔn)。在一個無線幀內(nèi)，當(dāng)終端完整接收一個下行塊后，立刻進(jìn)入上行時間窗 口，按照三種不同的無線幀配置進(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)上行信號對齊。在本發(fā)明方法中，無線幀內(nèi) 的上行時隙并非在上行塊窗口內(nèi)連續(xù)滑動，并且上行塊發(fā)送無絕對時間標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，因此終端 僅需基于本地接收的下行信號確定發(fā)送時間，而無需與衛(wèi)星取得精確定時信息。所有處于 不同位置的終端，各自上行信息起始發(fā)送的絕對時間點(diǎn)均不同。


圖1是衛(wèi)星通信不同傳輸時延的示意圖；圖2-4是本發(fā)明的時分雙工無線幀的三種固定配置方式的示意圖；圖5是本發(fā)明的衛(wèi)星波束覆蓋范圍分區(qū)方式的示意圖；圖6是本發(fā)明方法的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述?？紤]多波束天線系統(tǒng)中，一個最大傳輸時延差大約為1. 3毫秒(ms)的典型衛(wèi)星波 束覆蓋范圍。本發(fā)明所設(shè)置的三種無線幀配置結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。為兼容現(xiàn)有3G標(biāo)準(zhǔn)，無線幀 的總長度為10ms，分為15個時隙。其中上下行塊的長度比例可調(diào)整，本實(shí)施例中規(guī)定，無線 幀下行塊長度約為4. 67ms,即包含7個下行時隙；上行塊長度約為5. 33ms，包含6個連續(xù)上行時隙和2段星上對齊保護(hù)時間。假設(shè)波束內(nèi)最大傳輸時延差為1.3ms，則單邊最大傳輸 時延差，也即每段星上對齊保護(hù)時間應(yīng)不小于0. 65ms,因此為每段星上對齊保護(hù)時間分配 1個時隙數(shù)(1個時隙為0. 67ms)。而對于圖2-4三種無線幀配置，星上對齊保護(hù)時間所處 的位置不同。如圖3所示，一個衛(wèi)星波束覆蓋范圍可分為大傳輸時延區(qū)、小傳輸時延區(qū)及中間 傳輸時延區(qū)三個波束子區(qū)域，分別對應(yīng)圖2-4三種無線幀配置。本實(shí)施例選取圖3中所示 的A、B、C、D、E五個特殊位置點(diǎn)說明該上行信號對齊過程的原理，如圖4所示。上行塊發(fā)送時間基準(zhǔn)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)星上對齊保護(hù)，首先需要選擇上行塊的發(fā)送時間 點(diǎn)。本發(fā)明的地面終端的上行塊發(fā)送時間以下行塊的接收結(jié)束時間為基準(zhǔn)。任何位置的終 端，在一個無線幀內(nèi)，當(dāng)其判斷已完整接收一個下行塊后，立刻進(jìn)入上行時間窗口，按照三 種不同的上行塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)送。這樣終端在發(fā)送時無需根據(jù)衛(wèi)星時鐘進(jìn)行精確的時間校 準(zhǔn)。C點(diǎn)若終端定位在C點(diǎn)(即中間傳輸時延點(diǎn))，由于該點(diǎn)處于中間傳輸時延區(qū)，采 用圖4的無線幀配置方式。衛(wèi)星在初始發(fā)送下行塊后，經(jīng)過一次完整的上下行傳輸，C點(diǎn)的 第一個上行塊可對齊在兩個超幀后的相同位置上行塊內(nèi)。由于星上對齊保護(hù)時間內(nèi)無數(shù)據(jù) 傳輸，因此允許往返共有1/2單邊最大傳輸時延差，仍可保證上行信號在星上對齊，也即在 中間傳輸時延區(qū)其他位置均可采用圖2中(c)配置方式。A點(diǎn)、E點(diǎn)若終端分別定位在A點(diǎn)和E點(diǎn)，由于分別處于大傳輸時延區(qū)和小傳輸時 延區(qū)，因此分別采用圖2中(a)和(b)的無線幀配置。由于A點(diǎn)和E點(diǎn)相對C點(diǎn)而言，雙向 傳輸后分別滯后和提前了兩倍的單邊最大傳輸時延差值(即2X)。由于A和E點(diǎn)的兩種無 線幀配置中，星上對齊保護(hù)時間分別共同置于上行時隙之后和之前，而該保護(hù)時間內(nèi)無數(shù) 據(jù)傳輸，因此，雖然上行塊在兩個超幀之后到達(dá)衛(wèi)星有2X的拖尾，但不會造成上行數(shù)據(jù)丟 失。同時，由于A和E點(diǎn)分別是兩個區(qū)的端點(diǎn)，因此具有最大和最小的傳輸時延，(a)和(b) 配置可滿足A和E點(diǎn)的對齊要求，則也可區(qū)內(nèi)任意非最大和最小傳輸時延點(diǎn)的對齊要求。B點(diǎn)、D點(diǎn)若終端分別定位在B點(diǎn)和D點(diǎn)，同樣分別采用圖2中(a)和(b)的無 線幀配置。與A點(diǎn)和E點(diǎn)相比，B點(diǎn)和D點(diǎn)雙向傳輸?shù)臏笈c提前的傳輸時延只有一倍的 單邊最大傳輸時延差(即X)。因此B、C點(diǎn)之間的任一點(diǎn)，采用圖2中(a)或(c)配置方式 均可保證上行信號在星上對齊無丟失；D、C點(diǎn)之間的任一點(diǎn)，采用圖2中(b)或(c)配置方 式均可保證上行信號在星上對齊無丟失。因此當(dāng)兩條分界線Y1和Y2分別介于B和C，D和 C之間時，越區(qū)切換不會存在干擾或數(shù)據(jù)丟失問題。本發(fā)明提出了在一種時分雙工方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，基于位置分區(qū)的無線幀配 置方式，以及相應(yīng)的上行信號對齊方法。該方法是基于終端通過測距或定位等方式獲取位 置信息來實(shí)現(xiàn)的。該方法在為具有大傳輸時延的衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用時分雙工方式提供了一 種解決方案，一定程度上可為衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面第三代或第四代地面移動通信技術(shù)相兼 容提供依據(jù)。以上雖然僅僅是參考特定的具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了圖示和說明，但是任何熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可能對本發(fā)明進(jìn)行的形式和細(xì)節(jié)上的 任何修改，都應(yīng)該包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，所述方法包括衛(wèi)星向地面終端發(fā)送下行信號，接收地面終端發(fā)送的上行信號，所述發(fā)送和接收在同一頻率信道的不同時隙進(jìn)行；地面終端向衛(wèi)星發(fā)送上行信號，接收衛(wèi)星發(fā)送的下行信號，所述發(fā)送和接收在同一頻率信道的不同時隙進(jìn)行，其特征在于，所述上行信號包括無線幀，所述無線幀包括下行塊和上行窗口，所述上行窗口包括上行塊和寬度相等的第一和第二保護(hù)時間；將衛(wèi)星波束覆蓋范圍分成中間傳輸時延區(qū)，大傳輸時延區(qū)和小傳輸時延區(qū)，所述三個時延區(qū)的時延依次在[τmean Δ2，τmean+Δ1]，(τmean+Δ1，τmax]，和[τmin，τmean Δ2)的范圍內(nèi)，其中τmax表示最大傳輸時延，τmin表示最小傳輸時延，τmean表示中間傳輸時延；Δ1和Δ2各自在(0，(τmax τmin)/4]的范圍內(nèi)；在中間傳輸時延區(qū)，所述第一和第二保護(hù)時間分別位于上行塊的兩側(cè)；在大傳輸時延區(qū)，所述第一和第二保護(hù)時間均位于上行塊的右側(cè)；在小傳輸時延區(qū)，所述第一和第二保護(hù)時間均位于上行塊的左側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，其特征 在于，所述第一保護(hù)時間的寬度大于(τ max- τ min)/2。
3.如權(quán)利要求1所述的基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，其特征 在于，A1 = ( τ·_ Tmin)/4。
4.如權(quán)利要求1所述的基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，其特征 在于，A2 = ( τ·_ Tmin)/4。
5.如權(quán)利要求1所述的基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，其特征 在于，所述無線幀由15個時隙組成。
6.如權(quán)利要求5所述的基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，其特征 在于，所述下行塊由7個時隙組成。
7.如權(quán)利要求6所述的基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，其特征 在于，所述上行塊由6個時隙組成，所述第一和第二保護(hù)時間各由1個時隙組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于位置分區(qū)的時分雙工衛(wèi)星通信上行信號對齊方法，屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域。所述上行信號包括無線幀，所述無線幀包括下行塊和上行窗口，所述上行窗口包括上行塊和寬度相等的第一和第二保護(hù)時間；將衛(wèi)星波束覆蓋范圍分成中間傳輸時延區(qū)，大傳輸時延區(qū)和小傳輸時延區(qū)，所述三個時延區(qū)的時延依次在[τmean-Δ2，τmean+Δ1]，(τmean+Δ1，τmax]，和[τmin，τmean-Δ2)的范圍內(nèi)；Δ1和Δ2各自在(0，(τmax-τmin)/4]的范圍內(nèi)；在中間傳輸時延區(qū)，第一和第二保護(hù)時間分別位于上行塊的兩側(cè)；在大傳輸時延區(qū)，第一和第二保護(hù)時間均位于上行塊的右側(cè)；在小傳輸時延區(qū)，第一和第二保護(hù)時間均位于上行塊的左側(cè)。本發(fā)明可用于衛(wèi)星移動通信。
文檔編號H04B7/212GK101951286SQ20101024957
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者任術(shù)波, 吳建軍, 徐曉燕, 欒西, 程宇新 申請人:北京大學(xué)