CN107197517B - 基于ta分组的lte卫星上行链路同步方法 - Google Patents

基于ta分组的lte卫星上行链路同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及宽带卫星通信导航领域，特别涉及一种基于TA分组的LTE卫星上行链路同步方法。本发明基于TA提前量分组的LTE适用于卫星上行链路的同步方法，通过根据用户链路传输的往返时延差进行分组配置TA提前量，避免了修改地面LTE协议标准中TA的设置范围，并且通过保证TA提前量在一个较小的范围，提高了卫星通信的有效性和实时性。

Description

基于TA分组的LTE卫星上行链路同步方法
技术领域
本发明涉及宽带卫星通信导航领域，特别涉及一种基于TA分组的LTE卫星上行链路同步方法。
背景技术
随着无线通信的发展，要实现全球通信***的无缝覆盖，地面通信***与卫星通信***的体制融合是一个必然趋势。目前地面LTE***已经进入大规模商用，实现LTE***在卫星通信上的适用性，这对天地一体化通信网络融合、提高目前卫星通信的数据传输率和频谱利用率有重要意义。
在LTE***中，上行传输的一个重要特征是不同UE在时频上正交多址接入(orthogonal multiple access)，即来自同一小区的不同UE的上行传输之间互不干扰。为了保证上行传输的正交性，避免小区内(intra-cell)干扰，eNodeB要求来自同一子帧但不同频域资源(不同的RB)的不同UE的信号到达eNodeB的时间基本上是对齐的。eNodeB只要在CP(Cyclic Prefix)范围内接收到UE所发送的上行数据，就能够正确地解码上行数据，因此，上行同步要求来自同一子帧的不同UE的信号到达eNodeB的时间都落在CP之内。为了保证接收侧(eNodeB侧)的时间同步，LTE提出了上行定时提前TA(Uplink Timing Advance)的机制。定时提前量与小区半径有关。
由于卫星通信中波束半径一般远大于地面移动通信的小区半径，导致波束内用户之间的最大往返时延差较大，使得目前地面LTE***中的TA提前量不能直接适用于卫星通信中。目前地面LTE标准中的提前量TA为0～0.67ms，但卫星波束中不同用户的往返时延差较大，可达几毫秒，所以是必须对TA提前量方案作出适用性改进。目前的改进方案并没有保持现有LTE中TA提前量范围的不变性，导致影响了卫星通信与LTE***融合的最大共性，而且不能针对卫星通信的大时延特性做出一定得改进，使得实时性更好。
发明内容
本发明的目的在于：为实现LTE***在卫星通信上的适用性，针对上行链路同步提供一种TA提前量分组的设计方法，该方法可以充分保证LTE在卫星通信中和地面现行商用LTE***的共性，无需修改协议中关于TA的提前量范围。同时保证了定时提前量在一个较小的范围，提高了卫星通信的有效性和实时性。
为实现上述目的，本发明基于定时提前量分组的LTE适用于卫星上行链路的同步设计方法，其包括以下步骤，
一种基于定时提前量分组的LTE卫星上行链路同步方法，包括以下步骤，
步骤一:根据LTE协议中随机前导码的产生规则预设生成随机前导码，用户端UE发射包含该随机前导码的信号；该预设生成随机前导码可以是根据LTE协议中随机前导码的产生规则产生，也可以自定义产生。
步骤二：卫星根据接收到的随机前导码计算出各用户端UE到卫星的链路传输往返时延；
步骤三：根据地面LTE***中定时提前量(Timing Advance，TA)的设置范围，在这个范围内选择一个合理值L，该L值应该尽可能的接近定时提前量范围内的最大值从而使后面分成的组数尽可能少，根据各个用户端UE到卫星的往返时延将各个用户端UE分为至少两个用户组；
步骤四：卫星分别对不同用户组发射相应的TA调整信息；
步骤五：各用户组中的用户根据接收到的TA调整信息决定信息上行发送时间。包括，是否进行上行链路传输与何时进行上行链路传输，从而使卫星接收端对不同分组之间进行时分处理、同一组的不同用户同步达到卫星接收端同时处理。
进一步的，用户段根据卫星轨道高度产生随机前导码，卫星根据接收到的随机前导码计算出各个用户端UE到卫星的链路传输往返时延。
进一步的，所述设定值L由地面LTE***TA提前量的设置范围和卫星波束内所有接入用户的最大往返时延差决定；其取值范围为0ms<L≤0.67ms。
此处需使分组后的组数尽可能少、每组中的用户数尽可能均匀。所以L可以随着卫星轨道高度，卫星波束大小和卫星仰角等因素做适应性变化。
进一步的，将各个用户端UE分为不同用户组的方法为：获取单一卫星波束内各个用户端UE到卫星的最大传输往返时延Ta，获取该卫星波束内各个用户端UE到卫星的最小往返时延Tb，计算该卫星波束内的所有用户端UE的最大往返时延差Δt＝Ta-Tb；
按照公式
Figure BDA0001368044270000031
将该卫星波束内各个用户端UE分为n个用户组；每个用户组内的用户端UE之间的往返时延都小于或等于L；则可以把所有用户按相对于B处最小往返时延的用户时延差分成n组，分别为[0,L*1],(L*1,L*2]......(L*(n-1),L*n]。可以看出，在每组中的用户时延差都在0ms<L≤0.67ms之间，满足现有LTE标准中的提前量TA为0～0.67ms，所以卫星波束中的用户可以按组来实现上行链路同步通信。
进一步的，各个用户组根据卫星的资源调度分配决定本组内各个用户端UE的信号上行发射之间，使得不同用户组发出的信号到达卫星的时间不同；从而卫星可以分时处理不同分组的用户数据。
进一步的，同一用户组中，各个用户端UE根据TA调整信息调整自身信息上行发送时间，使得本组内所有用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同。
而使得本组内所有用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同的方法按照如下步骤进行：
(2-1)用户组中的任一地面终端UE设定为第一地面终端，确定该第一地面终端自身所处波束信息和自身位置信息；
(2-2)接收卫星发射的导频信号，获取最新时刻的卫星星历数据，进而确定当前时刻的卫星位置信息和波束中心位置信息；
(2-3)根据第一地面终端自身位置信息与卫星位置信息、波束中心位置信息，计算第一地面终端自身与卫星，波束中心与卫星的距离，获取第一地面终端自身到卫星的信号传播所需第一时间与波束中心到卫星的信号传播所需第二时间的时延差；
(2-4)相对于位于波束中心位置处的第二地面终端，第一地面终端提前该时延差的时长发送上行信号；通过对地面终端发射上行信号进行定时调整；
(2-5)同一用户组中各个地面终端均按照步骤(2-1)至(2-4)进行处理，从而使得同一用户组中的各个地面终端发射的信号同时到达卫星，实现卫星接收端定时同步。
进一步的，所述卫星的通信体制为LTE。
进一步的，所述步骤(2-3)中，终端UE或波束中心到卫星的距离计算公式为：
Figure BDA0001368044270000041
式中，d为所求距离；Re为地球的平均半径；r为卫星与地心之间的距离；θ为地球中心角，其计算公式为：
Figure BDA0001368044270000051
其中，
Figure BDA0001368044270000052
和
Figure BDA0001368044270000053
分别为地面点和卫星的经纬度；所述地面点为地面终端UE位置或波束中心位置。
进一步的，所述时延差计算公式为：
Figure BDA0001368044270000054
式中，Δτ为所求的时延差；c为光的传播速度；d为地面终端UE到卫星的距离，dr为波束中心位置到卫星的距离。
进一步的，所述位置信息包括经度、纬度和高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明基于TA提前量分组的LTE适用于卫星上行链路的同步方法，通过根据用户链路传输的往返时延差进行分组配置TA提前量，避免了修改地面LTE协议标准中TA的设置范围，并且通过保证TA提前量在一个较小的范围，提高了卫星通信的有效性和实时性。
附图说明：
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是在一个卫星波束内地面用户的分布图。
图3是实施例中用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同的流程图。
图4是用户端UE相对于波束中心到卫星传输的时延差计算是相对位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：如图1所示，一种基于TA提前量分组的LTE卫星上行链路同步方法，包括以下步骤，
S1：根据LTE协议中随机前导码的产生规则预设生成随机前导码，用户端UE发射包含该随机前导码的信号；
S2：卫星根据接收到的随机前导码计算出各用户端UE到卫星的链路传输往返时延；
S3：根据地面LTE***中定时提前量(Timing Advance，TA)的设置范围，在这个范围内选择一个合理值L，该L值应该尽可能的接近范围内的最大值从而使后面分成的组数尽可能少，根据各个用户端UE到卫星的往返时延将各个用户端UE分为至少两个用户组；
S4：卫星分别对不同用户组发射相应的TA调整信息；
S5：各用户组中的用户根据接收到的TA调整信息决定信息上行发送时间。
是否进行上行链路传输与何时进行上行链路传输，从而使卫星接收端对不同分组之间进行时分处理、同一组的不同用户同步达到卫星接收端同时处理。
进一步的，用户端UE根据卫星轨道高度产生随机前导码，卫星根据接收到的随机前导码计算出各个用户端UE到卫星的链路传输往返时延。
进一步的，所述设定值L由地面LTE***TA提前量的设置范围和卫星波束内所有接入用户的最大往返时延差决定；其取值范围为0ms<L≤0.67ms。需使分组后的组数尽可能少、每组中的用户数尽可能均匀。所以L可以随着卫星轨道高度，卫星波束大小和卫星仰角等因素做适应性变化。
进一步的，将各个用户端UE分为不同用户组的方法为：获取单一卫星波束内各个用户端UE到卫星的最大传输往返时延Ta，获取该卫星波束内各个用户端UE到卫星的最小往返时延Tb，计算该卫星波束内的所有用户端UE的最大往返时延差Δt＝Ta-Tb；
按照公式
Figure BDA0001368044270000071
将该卫星波束内各个用户端UE分为n个用户组；每个用户组内的用户端UE之间的往返时延都小于或等于L；则可以把所有用户按相对于B处最小往返时延的用户时延差分成n组，分别为[0,L*1],(L*1,L*2]......(L*(n-1),L*n]。可以看出，在每组中的用户时延差都在0ms<L≤0.67ms之间，满足现有LTE标准中的提前量TA为0～0.67ms，所以卫星波束中的用户可以按组来实现上行链路同步通信。
进一步的，各个用户组根据卫星的资源调度分配决定本组内各个用户端UE的信号上行发射之间，使得不同用户组发出的信号到达卫星的时间不同；从而卫星可以分时处理不同分组的用户数据。
进一步的，同一用户组中，各个用户端UE根据TA调整信息调整自身信息上行发送时间，使得本组内所有用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同。
而使得本组内所有用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同的方法按照如图3所示步骤进行：具体包括，
S21：在卫星投射到地面的同一波束中，将某用户组中的任一地面终端UE设定为第一地面终端UE，该第一地面终端UE通过自身具有的GPS定位功能确定自身的位置信息，该位置信息包括但不限于经度、纬度和高度。具体地，所述地面终端是指在所述卫星覆盖波束范围内的用于与所述卫星进行通信的处理装置，所述若干地面终端以改进的LTE接入所述卫星，所述第一地面终端UE是指若干地面终端中的任意一个。
S22：该第一地面终端UE通过接收卫星发射的导频信号，获取最新时刻的卫星星历等数据，进而确定当前时刻的卫星位置信息和波束中心位置信息，位置信息包括经度、纬度和高度；所述导频信号包括卫星星历信息、卫星波束星下点位置信息等，所述地面终端接收导频信号的目的是为了确认所述卫星和第一地面终端UE所在波束的波束中心位置信息。
S23：该第一地面终端UE根据已经获得的位置信息，分别计算该第一地面终端与卫星的距离，以及波束中心位置到卫星的距离，进而求得地面终端UE到卫星与波束中心到卫星的信号传播时延差；具体地，卫星到第一地面终端UE到卫星的距离，或者，波束中心到卫星的距离计算公式为：
Figure BDA0001368044270000081
式中，d为卫星到地面点的距离；Re为地球的平均半径；r为卫星与地心之间的距离；θ为地球中心角，其计算公式为：
Figure BDA0001368044270000082
其中，
Figure BDA0001368044270000083
和
Figure BDA0001368044270000084
分别为地面点和卫星的经纬度。地面点为地面终端UE或波束中心。
UE相对于波束中心到卫星传输的时延差计算公式为：
Figure BDA0001368044270000085
式中，Δτ为所求的时延差；c为光的传播速度；d和dr分别为地面终端UE和波束中心与卫星之间的距离，如图4所示。
S24：第一地面终端UE根据步骤S23计算得到的时延差Δτ，相对于位于波束中心位置处的第二地面终端，提前该时延差的时长发送上行信号。具体地，地面终端UE发送上行信号的时刻为t0，则位于波束中心位置处的第二地面终端发送上行信号的时刻为t0+Δτ。通过对地面终端发射上行信号进行定时调整，使得不同地面终端发射的信号同时到达卫星，实现卫星接收端定时同步。
S25：同一用户组中各个地面终端均按照步骤(2-1)至(2-4)进行处理，从而使得同一用户组中的各个地面终端发射的信号同时到达卫星，实现卫星接收端定时同步。

Claims (8)

1.一种基于TA分组的LTE卫星上行链路同步方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一：根据预设生成随机前导码，用户端UE发射包含该随机前导码的信号；
步骤二：卫星根据接收到的随机前导码计算出各用户端UE到卫星的链路传输往返时延；
步骤三：根据地面LTE***中定时提前量的设置范围，在该范围内选择一合理值L，根据各个用户端UE到卫星的往返时延将各个用户端UE分为至少两个用户组；
步骤四：卫星分别对不同用户组发射相应的定时提前量调整信息；
步骤五：各用户组中的用户根据接收到的定时提前量调整信息决定信息上行发送时间；
同一用户组中，各个用户端UE根据定时提前量调整信息调整自身信息上行发送时间，使得本组内所有用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同，其中，使得本组内所有用户端UE发送的信息到达卫星的时间相同的方法按照如下步骤进行：
(2-1)用户组中的任一地面终端UE设定为第一地面终端，确定该第一地面终端自身所处波束信息和自身位置信息；
(2-2)接收卫星发射的导频信号，获取最新时刻的卫星星历数据，进而确定当前时刻的卫星位置信息和波束中心位置信息；所述导频信号包括卫星星历信息、卫星波束星下点位置信息；
(2-3)根据第一地面终端自身位置信息与卫星位置信息、波束中心位置信息，计算第一地面终端自身与卫星，波束中心与卫星的距离，获取第一地面终端自身到卫星的信号传播所需第一时间与波束中心到卫星的信号传播所需第二时间的时延差；
(2-4)相对于位于波束中心位置处的第二地面终端，第一地面终端提前该时延差的时长发送上行信号；通过对地面终端发射上行信号进行定时调整；
(2-5)同一用户组中各个地面终端均按照步骤(2-1)至(2-4)进行处理，从而使得同一用户组中的各个地面终端发射的信号同时到达卫星，实现卫星接收端定时同步。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用户段UE根据卫星轨道高度产生随机前导码，卫星根据接收到的随机前导码计算出各个用户端UE到卫星的链路传输往返时延。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述L由地面LTE***TA提前量的设置范围和卫星波束内所有接入用户的最大往返时延差决定；其取值范围为0ms<L≤0.67ms。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将各个用户端UE分为不同用户组的方法为：获取单一卫星波束内各个用户端UE到卫星的最大传输往返时延Ta，获取该卫星波束内各个用户端UE到卫星的最小往返时延Tb，计算该卫星波束内的所有用户端UE的最大往返时延差△t＝Ta-Tb；
按照公式
Figure FDA0002630836110000021
将该卫星波束内各个用户端UE分为n个用户组；每个用户组内的用户端UE之间的往返时延都小于或等于L。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各个用户组根据卫星的资源调度分配决定本组内各个用户端UE的信号上行发送时间，使得不同用户组发出的信号到达卫星的时间不同。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2-3)中，第一地面终端或波束中心到卫星的距离计算公式为：
Figure FDA0002630836110000031
式中，d为所求距离；Re为地球的平均半径；r为卫星与地心之间的距离；θ为地球中心角，其计算公式为：
Figure FDA0002630836110000032
其中，
Figure FDA0002630836110000033
和
Figure FDA0002630836110000034
分别为地面点和卫星的经纬度；所述地面点为第一地面终端位置或波束中心位置。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时延差计算公式为：
Figure FDA0002630836110000035
式中，Δτ为所求的时延差；c为光的传播速度；d为第一地面终端到卫星的距离，dr为波束中心位置到卫星的距离。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置信息包括经度、纬度和高度。
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