專利名稱：自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信中一種時分雙工模式空中無線接口的自適應物理幀結構調 整方法，屬于衛(wèi)星通信技術領域。
背景技術：
時分雙工模式(TDD =Time Division Duplexing)是第三代(3G)地面移動通信 系統(tǒng)的主流工作模式之一，其中我國具有自主知識產權的TD-SCDMA標準就是基于TDD模 式的技術[3GPP TS 25.221 V4. 8. 0 (2005-06) "3rd Generation Partnership Project ； Technical Specification Group Radio Access Network ；Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels(TDD)(Release 4)”]。近期ITU將公布最終的第四代(4G)地面移動通信標準的評選結果，我國具有自主 知識產權的TD-LTE-Advanced技術方案已成為了國際電信聯(lián)盟4G通信技術的候選方案之 一，有望成為今后4G的國際技術標準。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，相比較頻分雙工模式(FDD frequency Division Duplexing)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；(2) 有利于開展上下行非對稱業(yè)務；(3)終端無需使用雙工器并可以共用中/射頻模塊，因而可 以簡化終端設計；(4)收發(fā)同頻有利于直接利用上下行信道估計的結果，有利于上行同步、 智能天線等技術的采用。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，因此相應的 系統(tǒng)及技術研究并不多。銥系統(tǒng)(Iridium)是采用低軌道(LEO)衛(wèi)星星座的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)[St印hen R. Pratt,et al.，‘‘AN OPERATIONAL AND PERFORMANCE OVERVIEW OF THE IRIDIUM L0WEARTH ORBIT SATELLITE SYSTEM，” IEEE Communications Surveys, Q21999]，軌道高度為 780 公 里。銥系統(tǒng)基于時分多址(TDMA)的多用戶方式和TDD雙工方式。由于LEO衛(wèi)星的傳輸時 延不算特別大，因此采用TDD-TDMA模式的幀結構設計并不復雜，相應的上、下行時隙間的 保護間隔只需要0. 4毫秒即可滿足要求。[Thomas Peter Emmons, et al. , US Patent 6，411，609 Bi，“System and method for providing dual satellite communications coverage，，，Jun· 25，2002]公幵了一禾中 基于TDD模式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)(即Iridium系統(tǒng))幀內收、發(fā)時隙的排列結構，及其一系列 變型方式。[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 生的時隙對齊問題，提出了高層和低層兩種定時同步調整方案。[HULBERT, et al. ， EU Patent EP 1 698 075 Bi,"A METHOD OF COMMUNICATIONIN A 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標準，其幀結構是基于一 種包含9個20ms幀的多幀結構。該文獻中并未給出具體的幀結構細節(jié)，并且也未給出相應 的傳輸時延影響的分析和設計。[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)星移動通 信中采用WiMAX技術的適應性問題。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計上的適應性問題，提出了一種在下行幀和上行幀尾部設置足夠長保 護時間(大于2倍的傳輸時延差)的解決方案。不過該文獻中并未真正解決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。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的技術問題，提出一種基于衛(wèi)星波束覆蓋 范圍內各用戶位置的物理幀結構自適應調整方法，使時分雙工的衛(wèi)星通信方法可以在克服 衛(wèi)星大傳輸時延的前提下，盡可能地提高系統(tǒng)的傳輸效率，同時保證系統(tǒng)自適應調整前后 的傳輸可靠性。本發(fā)明同樣可以用于具有CDMA或OFDMA等典型信號形式的衛(wèi)星通信系統(tǒng) 中。本發(fā)明將一個衛(wèi)星波束覆蓋范圍內包括所有激活用戶的最小圓稱為一個波束自 適應子區(qū)域。波束自適應子區(qū)域的變化由衛(wèi)星波束覆蓋范圍內激活用戶的數(shù)目和位置變化 引起當初始波束自適應子區(qū)域邊界外增加了新的激活用戶，或邊界上的激活用戶向子區(qū) 域外的方向移動時，波束自適應子區(qū)域擴大，如圖2(a)所示；當初始波束自適應子區(qū)域邊 界上的激活用戶消失，或向子區(qū)域內的方向移動時，波束自適應子區(qū)域縮小，如圖2(b)所 示；當初始波束自適應子區(qū)域邊界上的激活用戶位置不發(fā)生變化時，波束自適應子區(qū)域不 變。在一個波束自適應子區(qū)域中，衛(wèi)星到終端(或相反)具有最長路徑時的傳輸時延 稱為最大傳輸時延，通常表示為；相應地，衛(wèi)星到終端(或相反)具有最短路徑時的傳 輸時延稱為最小傳輸時延，通常表示為τ min ；如圖2所示。波束自適應子區(qū)域在圓心處的傳輸時延則稱為中間傳輸時延，它在數(shù)值上和最大 傳輸時延和最小傳輸時延的算術平均值非常接近，可近似認為τ_η= (τ_+τω η)/2，其 中τ m_表示中間傳輸時延；另外，最大傳輸時延與最小傳輸時延的差值稱為最大傳輸時延差?？梢岳斫?，波束自適應子區(qū)域的變化會導致子區(qū)域的中間傳輸時延和/或最大傳 輸時延差的變化。根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明旨在提出一種時分雙工的衛(wèi)星通信方法，該方法能夠 自適應調整波束自適應子區(qū)域中的用戶變化。
所述時分雙工的衛(wèi)星通信方法包括衛(wèi)星向地面終端發(fā)送下行信號同時接收地面 終端發(fā)送的上行信號，地面終端向衛(wèi)星發(fā)送上行信號同時接收衛(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行；用于衛(wèi)星信號上下行的物理幀包括超幀(圖 3給出了超幀的一個實例)，它包括一個或多個正常幀和一個或零個短幀，相鄰兩個超幀 的起始點之間的時間差等于波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延，所述正常幀由多個時隙組 成；所述短幀由一個或多個時隙組成，所述短幀的寬度小于所述正常幀的寬度。所述時隙是物理幀結構中的基本(最小)信息傳輸單元。進一步，所述正常幀(圖4給出了正常幀的一個實例)包括至少一個下行塊和至 少一個上行窗口 ；所述上行窗口包括一個上行塊和位于上行塊左右兩側的保護時間。所述短幀(圖5給出了短幀的兩個實例)包括至少一個下行塊、或者至少一個上 行窗口、或者至少一個下行塊和至少一個上行窗口。在上述方法中，超幀的寬度可以等于或者小于中間傳輸時延。就前者而言(如圖 3所示)，超幀還包括一個填充域；就后者而言(如圖6所示)，相鄰兩個超幀之間包括一個 填充域。事實上，上述兩種情況僅僅在概念上存在區(qū)別，從整體來看，均符合相鄰兩個超幀 的起始點之間的時間差等于中間傳輸時延這一條件。上述填充域不包含任何信息內容，寬度小于兩個時隙的寬度。當波束自適應子區(qū)域變化時，衛(wèi)星向終端發(fā)送超幀調整信息，在連續(xù)的下一幀中， 衛(wèi)星和終端均根據(jù)所述調整信息對超幀進行調整；一方面，當波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延變化時，超幀按下列方式進行調整 當中間傳輸時延變化超過一個正常幀長度時，調整正常幀的數(shù)量和短幀長度，使相鄰兩個 超幀的起始點之間的時間差等于變化后的中間傳輸時延；當中間傳輸時延變化小于一個正 常幀長度時，僅調整短幀的長度，使相鄰兩個超幀的起始點之間的時間差等于變化后的中 間傳輸時延；另一方面，當波束自適應子區(qū)域的最大傳輸時延差變化時，調整正常幀的上行窗 口的保護時間，使保護時間等于變化后的最大傳輸時延差；第三方面，當波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延和最大傳輸時延差同時變化時， 則按上述兩個方面同時進行調整。這也是實際當中最常見的情況。和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于本發(fā)明針對時分雙工的衛(wèi)星通信系統(tǒng)提出的一種自適應物理幀結構調整方法，該 方法能夠使衛(wèi)星通信系統(tǒng)在克服衛(wèi)星大傳輸時延的前提下，盡可能的提高系統(tǒng)的傳輸效 率，同時保證自適應調整前后的傳輸可靠性，這非常有利于提高時分雙工的衛(wèi)星通信系統(tǒng) 速率和業(yè)務能力。


圖1表示波束自適應子區(qū)域變化示意圖，圖中大圓表示衛(wèi)星波束覆蓋范圍，小圓 表示波束自適應子區(qū)域，A、B、C表示激活用戶(終端)；圖2表示三種傳輸時延的示意圖；圖3表示超幀結構的一個實例，其中，超幀長度等于中間傳輸時延等于135毫秒， 超幀由13個正常幀，1個短幀和1個填充域組成，它們的長度分別為10毫秒，4. 67毫秒和0. 33毫秒；圖4表示正常幀結構的一個實例，其中下行塊由5個下行時隙組成，上行窗口由上 行塊和上行塊兩側的保護時間組成，上行塊由5個上行時隙組成；圖5表示短幀結構的兩個實例，其中圖5(a)表示短幀僅由下行塊(由下行時隙 0-6組成)組成的實例，圖5(b)表示短幀由一個下行塊和一個上行窗口組成的實例；圖6表示超幀結構的另一實例，其中，超幀長度小于中間傳輸時延，等于134. 82毫 秒，超幀由13個正常幀和1個短幀組成，兩個相鄰的超幀之間包括1個填充域；圖7表示超幀中的短幀長度自適應變化的兩個實例；圖8表示超幀中的保護時間長度自適應變化的兩個實例。
具體實施例方式下面通過具體實施例結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。本發(fā)明實施例涉及的超幀結構如圖3所示，一個超幀的長度等于相鄰超幀的間 距，等于中間傳輸時延(135毫秒)；一個超幀由13個正常幀，1個短幀和1個填充域組成， 它們的長度分別為10毫秒，4. 67毫秒和0.33毫秒。此外，正常幀的結構如圖4所示，短幀 的結構如圖5(a)所示。當用戶發(fā)生變化，如圖1(a)所示，初始波束自適應子區(qū)域邊界外增加了新的激活 用戶C，或者邊界上的激活用戶B向子區(qū)域外的方向移動時，則波束自適應子區(qū)域擴大，此 時波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延和最大傳輸時延差通常會發(fā)生變化。實施例1-中間傳輸時延變大在本實施例中，中間傳輸時延變大，且中間傳輸時延變化小于一個正常幀的長度， 則擴大短幀的長度使超幀長度擴大并等于變大后的中間傳輸時延，如圖7(a)所示(1)衛(wèi)星在第i超幀時隙內向終端發(fā)送“超幀長度擴大”的調整信息，但本身并不 調整超幀結構，因此衛(wèi)星超幀長度保持不變；(2)終端在第i+Ι超幀接收到超幀長度擴大調整信息，并隨即相應改變第i+Ι超幀 的短幀長度，使超幀的長度等于變大后的中間傳輸時延，自適應完成終端側的超幀擴大調
iF. ο(3)衛(wèi)星也在第i+Ι超幀相應增加短幀長度，使超幀的長度等于變大后的中間傳 輸時延，完成本次過渡調整。實施例2-中間傳輸時延變大在本實施例中，中間傳輸時延變大，且中間傳輸時延變化大于一個正常幀的長度， 則增加一個正常幀并在必要時擴大短幀的長度使超幀長度等于變大后的中間傳輸時延，如 圖7(b)所示(1)衛(wèi)星在第i超幀時隙內向終端發(fā)送“超幀長度擴大”的調整信息，但本身并不 調整超幀結構，因此衛(wèi)星超幀長度保持不變；(2)終端在第i+Ι超幀接收到超幀長度擴大調整信息，并隨即相應增加一個正常 幀并擴大短幀長度，使超幀的長度等于變大后的中間傳輸時延，自適應完成終端側的超幀 擴大調整。(3)衛(wèi)星也在第i+Ι超幀相應增加短幀長度，使超幀的長度等于變大后的中間傳輸時延，完成本次過渡調整。上述實施例1和2描述了中間傳輸時延擴大的情況，相應的，中間傳輸時延縮小的 情況也類似，通過正常幀的數(shù)量和/或短幀的長度來對整個超幀的長度進行調整。實施例3-最大傳輸時延差增大在本實施例中，最大傳輸時延差變大，則增大正常幀中的保護時間，使保護時間等 于變化后的最大傳輸時延差，如圖8(a)所示(1)衛(wèi)星在第i超幀時隙內向終端發(fā)送“保護時間擴大”的調整信息，但其自身的 第i超幀暫時保持不變；(2)終端在第i+Ι超幀接收到保護時間擴大的調整信息，并隨即相應擴大第i+Ι超 幀的保護時間，使保護時間等于變化后的最大傳輸時延差，自適應完成終端側的保護時間 擴大調整。(3)衛(wèi)星也在第i+Ι超幀相應增加保護時間長度，使保護時間等于變化后的最大 傳輸時延差，完成本次過渡調整。實施例4-最大傳輸時延差縮小在本實施例中，最大傳輸時延差變小，則縮小正常幀中的保護時間，使保護時間等 于變化后的最大傳輸時延差，如圖8(b)所示(1)衛(wèi)星在第i超幀時隙內向終端發(fā)送“保護時間縮小”的調整信息，但其自身的 第i超幀暫時保持不變；(2)終端在第i+Ι超幀接收到保護時間縮小的調整信息，并隨即相應縮小第i+Ι超 幀的保護時間，使保護時間等于變化后的最大傳輸時延差，自適應完成終端側的保護時間 擴大調整。(3)衛(wèi)星也在第i+Ι超幀相應縮小保護時間長度，使保護時間等于變化后的最大 傳輸時延差，完成本次過渡調整。以上雖然僅僅是參考特定的具體實施例對本發(fā)明進行了圖示和說明，但是任何熟 悉本領域的技術人員在本發(fā)明所揭示的技術范圍內，可能對本發(fā)明進行的形式和細節(jié)上的 任何修改，都應該包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，所述方法包括衛(wèi)星向地面終端發(fā)送下行信號同時接收地面終端發(fā)送的上行信號，地面終端向衛(wèi)星發(fā)送上行信號同時接收衛(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行；其特征在于，用于衛(wèi)星信號上下行的物理幀包括超幀；所述超幀包括一個或多個正常幀和一個或零個短幀，相鄰兩個超幀的起始點之間的時間差等于波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延，所述正常幀由多個時隙組成；所述短幀由一個或多個時隙組成，所述短幀的寬度小于所述正常幀的寬度；以衛(wèi)星波束覆蓋范圍內包括所有激活用戶的最小圓作為波束自適應子區(qū)域，當所述波束自適應子區(qū)域變化時，衛(wèi)星向終端發(fā)送超幀調整信息，在連續(xù)的下一幀中，衛(wèi)星和終端均根據(jù)所述調整信息對超幀進行調整。
2.如權利要求1所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，其特征在 于，所述正常幀包括至少一個下行塊和至少一個上行窗口，所述上行窗口包括一個上行塊 和位于上行塊左右兩側的保護時間。
3.如權利要求1所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，其特征在 于，所述短幀包括至少一個下行塊、或者至少一個上行窗口、或者至少一個下行塊和至少一 個上行窗口，所述上行窗口包括一個上行塊和位于上行塊左右兩側的保護時間。
4.如權利要求1-3任意一項所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法， 其特征在于，當波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延變化時，超幀按下列方式進行調整當中間傳輸時延變化超過一個正常幀長度時，調整正常幀的數(shù)量和短幀長度，使相鄰 兩個超幀的起始點之間的時間差等于變化后的中間傳輸時延；當中間傳輸時延變化小于一個正常幀長度時，僅調整短幀的長度，使相鄰兩個超幀的 起始點之間的時間差等于變化后的中間傳輸時延。
5.如權利要求2所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，其特征在 于，當波束自適應子區(qū)域的最大傳輸時延差變化時，調整所述正常幀的上行窗口的保護時 間，使保護時間等于變化后的最大傳輸時延差。
6.如權利要求1所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，其特征在 于，所述超幀的寬度等于中間傳輸時延，所述超幀還包括一個填充域。
7.如權利要求1所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，其特征在 于，所述超幀的寬度小于中間傳輸時延，相鄰兩個超幀之間包括一個填充域。
8.如權利要求6或7所述的自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，其特征 在于，所述填充域不包含任何信息內容，寬度小于兩個時隙的寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自適應調整物理幀結構的時分雙工衛(wèi)星通信方法，屬于衛(wèi)星通信技術領域。在本發(fā)明的方法中，用于衛(wèi)星信號上下行的物理幀包括超幀；超幀包括一個或多個正常幀和一個或零個短幀，相鄰兩個超幀的起始點之間的時間差等于波束自適應子區(qū)域的中間傳輸時延；正常幀由多個時隙組成；短幀由一個或多個時隙組成，短幀的寬度小于正常幀的寬度；所述波束自適應子區(qū)域是以衛(wèi)星波束覆蓋范圍內包括所有激活用戶的最小圓，當所述波束自適應子區(qū)域變化時，衛(wèi)星向終端發(fā)送超幀調整信息，在連續(xù)的下一幀中，衛(wèi)星和終端均根據(jù)所述調整信息對超幀進行調整。本發(fā)明可用于衛(wèi)星移動通信。
文檔編號H04B7/216GK101980457SQ20101051596
公開日2011年2月23日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者任術波, 吳建軍, 徐曉燕, 欒西, 程宇新 申請人:北京大學