一种5G卫星通信时间同步方法与流程

一种5g卫星通信时间同步方法
技术领域
1.本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种5g卫星通信时间同步方法。


背景技术：

2.相比地面移动通信网络，卫星通信系统可以实现广域甚至全球覆盖，为全球用户提供无差别的通信服务。同时，地面第五代移动通信(5g)系统已具备完善的产业链、巨大的用户群体、灵活高效的应用服务模式。卫星通信与5g相互融合，取长补短，共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网，满足用户无处不在的多种业务需求，是未来通信发展的重要方向。
3.5g卫星通信系统和地面5g系统一样采用ofdm(正交频分复用)调制方式，ofdm具有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及高频频利用率，在宽带通信领域具有很大的潜力。尽管ofdm技术具有天然抗多径衰落的优点，非常适合用于高速数据传输，但是ofdm技术对时偏却非常的敏感，时偏会使各个符号之间的定时窗口偏差，造成符号解调失败。因此，消除时偏对ofdm系统的影响，是在卫星通信高速移动环境下应用ofdm系统的关键。卫星通信系统中，卫星与地面终端的距离非常遥远，因此单向信号传输时间远大于地面通信系统，而且近点终端和远点终端与卫星之间的距离差异也很大，相对来说时间偏差也更高；另外卫星的移动速度远高于地面网络场景，单位时间内时偏变化也大很多。因此，对抗时偏对于5g卫星通信系统具有更加重要的意义。
4.低地(球)轨道/近地(球)轨道(leo:low earth orbit)轨道高度约为400-2000公里，假设卫星最小工作倾角30度，则如图1所示，卫星在其轨道的任意位置点均对应一个近点和一个远点，对应最大距离范围为800-4000公里，对应的无线信号单向传输时间为2600us-13300us。
5.如图2所示，为传统5g卫星通信技术中典型上行帧结构，无线帧长度为10ms，子帧长度为1ms，每个子帧分为n个时隙，n的取值与子载波间隔有关，比如在120khz子载波间隔(扩展循环前缀)的情况下n取值为8，即每个子帧分为8个时隙，时隙长度为125us，其中上行数据传输的基本单位为1个时隙，每个时隙中的12个符号，每个符号10.4us，其中循环前缀长度2.6us，为了保证信号成功解调，时间偏差应小于循环前缀长度的一半，即1.3us，而1.3us时间偏差与信号传输时间相比非常短，对上行时间控制造成很大难度。
6.如图3所示，为传统5g卫星通信技术中上行接收窗口示意图，卫星上行信号接收时间窗口与上行信号时隙长度相等，均为125us，系统会通过ta流程或星历预补偿修改不同位置终端的上行信号发送时间，使得不同位置的卫星终端发送的上行信号同时到达卫星。另外，低轨卫星相对地面的运动速度近似为第一宇宙速度7.9km/s，每秒钟距离变化造成的时偏差异约为26us，考虑到1.3us的限制，相当于卫星每运动20ms就会造成时偏超过解调窗口。
7.而为了解决5g卫星通信的时偏问题，当前一般的方式为借助上行ta(timing advance定时提前)调整和星历预补偿，但ta调整有调整周期，而且要占用下行传输通道，实
时性很难满足要求；星历则需要提前存储于终端，而且需要借助于gnss信息获得自身位置和准确时间，灵活性和准确度都有局限，并且终端不一定能随时获得最新的星历信息。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的5g卫星通信过程中各终端上行信号难以实现严格同步的问题，本发明的目的在于提供一种5g卫星通信时间同步方法，以便于至少部分地解决上述问题。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
10.第一方面，本发明提供一种5g卫星通信时间同步方法，所述方法应用于终端，所述方法包括以下步骤：
11.响应于由卫星发出的下行信号，各终端分别根据所接收到的下行信号中携带的信息向所述卫星发送上行信号，以便于所述卫星在预设的上行信号接收时间窗口内接收各所述终端发送的上行数据；
12.其中，所述下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构；所述上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，所述独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。
13.第二方面，本发明提供一种5g卫星通信时间同步方法，所述方法应用于卫星，所述方法包括以下步骤：
14.卫星向各终端发送下行信号，并在预设的上行信号接收时间窗口内接收各所述终端发送的上行数据；
15.其中，各终端在接收到下行信号后，即根据所接收到的下行信号中携带的信息向所述卫星发送上行信号；
16.其中，所述下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构；所述上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，所述独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。
17.优选的，所述上行信号接收时间窗口的窗口长度等于所述上行帧结构的长度与保护间隔之和，所述保护间隔大于或等于远点终端发出的上行信号与近点终端发出的上行信号到达所述卫星的传输时差；且所述上行信号接收时间窗口的起点为所述近点终端发送的上行信号到达所述卫星的时刻。
18.优选的，所述上行信号接收时间窗口的起点由所述卫星的运行轨道和倾角决定。
19.优选的，具有相同上行帧结构的上行信号对应同一所述上行信号接收时间窗口。
20.采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：通过改变终端发送的上行帧结构和卫星的上行信号接收时间窗口，使得各个终端只需要在接收到下行信号后，再按照上行帧结构发送上行信号，即可被卫星通过上行信号接收时间窗口接收并解调，如此无需进行复杂的运算即可在同一个上行信号接收时间窗口内接收多个终端发送的上行信号，通过将传统的上行信号严格同步转变为非严格同步，从而大大降低了系统复杂程度，并易于实现。另外通过将上行帧结构的传输单位配置为时隙并设置多个，相比于传统技术(传输单位为符号)，能够有效增加上行帧结构的长度，进而降低上行信号接收时间窗口中保护间隔的占比，则使得单个上行信号接收时间窗口能够接收到的数据量大大提高，从而提高了通信效
率。
附图说明
21.图1为5g卫星通信系统示意图；
22.图2为现有技术中5g卫星通信系统中终端发送的典型上行帧示意图；
23.图3为现有技术中5g卫星上行信号接收时间窗口示意图；
24.图4为本发明中5g卫星通信时间同步方法的原理示意图；
25.图5为本发明中终端发送的上行帧结构的示意图；
26.图6为本发明中5g卫星的上行信号接收时间窗口的构成示意图；
27.图7为本发明中5g卫星的上行信号接收时间窗口的工作示意图；
28.图8为本发明实施例三中一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。
32.另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.实施例一
34.一种5g卫星通信时间同步方法，该方法应用于终端，如图4所示，该方法包括以下步骤：
35.响应于由卫星发出的下行信号，各终端分别根据所接收到的下行信号中携带的信息向卫星发送上行信号，以便于卫星在预设的上行信号接收时间窗口内接收各终端发送的上行数据。
36.其中，下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构。如图5所示，上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。实际操作时，上行帧结构包含的时隙数量及独特字长度可根据需求确定，并由卫星基站通过下行信令配置到各个终端。
37.如图6所示，上行信号接收时间窗口的窗口长度等于上行帧结构的长度与保护间隔之和，保护间隔大于或等于远点终端发出的上行信号与近点终端发出的上行信号到达所述卫星的传输时差；并且上行信号接收时间窗口的起点为近点终端发送的上行信号到达卫星的时刻，如图7所示。
38.如此设置，通过将上行帧结构的传输单位配置为时隙并设置多个，相比于传统技术(传输单位为符号)，能够有效增加上行帧结构的长度，进而降低上行信号接收时间窗口中保护间隔的占比，则使得单个上行信号接收时间窗口能够接收到的数据量大大提高，从而提高了通信效率。
39.其中，上行信号接收时间窗口的起点由卫星的运行轨道和倾角决定，在卫星的运行轨道和倾角确定的情况下，对于近点终端，从下行信号被卫星发出、近点终端接收到下行信号、近点终端处理下行信号、近点终端发送上行信号的时间均是确定的，因此上行信号接收时间窗口的起点也是确定的。因此只要卫星的运行轨道和倾角不变，则上行信号接收时间窗口的起点与下行信号的发出时刻之间的间隔也是固定不变的。
40.可以理解的是，为了提高卫星的处理效率，配置各个终端发出的上行信号中，具有相同上行帧结构的上行信号对应卫星开设的同一个上行信号接收时间窗口，使得在该上行信号接收时间窗口的窗口范围内所接收到的由不同终端发送的上行信号都能够被成功解调。
41.反之，各个终端发出的上行信号中，具有不同上行帧结构的上行信号则分别对应卫星所开设的不同的上行信号接收时间窗口。通常，卫星可以根据具体需求，在不同的时间和载波频率上，设定多种上行帧结构以及相匹配的上行信号接收时间窗口长度；对于同一个终端来说，卫星还可以在不同时间为其分配不同的载波频率位置、不同的上行帧结构及上行信号接收时间窗口，从而实现更加灵活的资源分配。
42.实施例二
43.一种5g卫星通信时间同步方法，与实施例一相比，其区别仅在于，本实施例提供的方法则应用于卫星，方法包括以下步骤：
44.卫星向各终端发送下行信号，并在预设的上行信号接收时间窗口内接收各终端发送的上行数据；
45.其中，各终端在接收到下行信号后，即根据所接收到的下行信号中携带的信息向卫星发送上行信号；
46.其中，下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构；上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。
47.实施例三
48.一种电子设备，如图8所示，包括存储有可执行程序代码的存储器以及与该存储器耦合的处理器；其中，处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，执行上述实施例公开的方法步骤。
49.实施例四
50.一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例公开的方法步骤。
51.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
52.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
53.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
54.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种5g卫星通信时间同步方法，其特征在于：所述方法应用于终端，所述方法包括以下步骤：响应于由卫星发出的下行信号，各终端分别根据所接收到的下行信号中携带的信息向所述卫星发送上行信号，以便于所述卫星在预设的上行信号接收时间窗口内接收各所述终端发送的上行数据；其中，所述下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构；所述上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，所述独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。2.一种5g卫星通信时间同步方法，其特征在于：所述方法应用于卫星，所述方法包括以下步骤：卫星向各终端发送下行信号，并在预设的上行信号接收时间窗口内接收各所述终端发送的上行数据；其中，各终端在接收到下行信号后，即根据所接收到的下行信号中携带的信息向所述卫星发送上行信号；其中，所述下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构；所述上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，所述独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。3.根据权利要求1或2所述的5g卫星通信时间同步方法，其特征在于：所述上行信号接收时间窗口的窗口长度等于所述上行帧结构的长度与保护间隔之和，所述保护间隔大于或等于远点终端发出的上行信号与近点终端发出的上行信号到达所述卫星的传输时差；且所述上行信号接收时间窗口的起点为所述近点终端发送的上行信号到达所述卫星的时刻。4.根据权利要求1或2所述的5g卫星通信时间同步方法，其特征在于：所述上行信号接收时间窗口的起点由所述卫星的运行轨道和倾角决定。5.根据权利要求1或2所述的5g卫星通信时间同步方法，其特征在于：具有相同上行帧结构的上行信号对应同一所述上行信号接收时间窗口。6.一种电子设备，其特征在于：包括存储有可执行程序代码的存储器以及与所述存储器耦合的处理器；其中，所述处理器调用所述存储器中存储的可执行程序代码，执行如权利要求1-5任一项所述的方法。7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1-5任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种5G卫星通信时间同步方法，方法应用于终端，方法包括以下步骤：响应于由卫星发出的下行信号，各终端分别根据所接收到的下行信号中携带的信息向卫星发送上行信号，以便于卫星在预设的上行信号接收时间窗口内接收各终端发送的上行数据；下行信号中携带的信息包括用于指示终端发送上行信号的载波频率和上行帧结构；上行帧结构包括若干个上行时隙以及插设在相邻两个上行时隙间的独特字，独特字用于进行上行时隙连续传输中的时频估计和纠正。本发明通过将传统的上行信号严格同步方式转变为非严格同步方式，降低了系统复杂程度；通过增加上行帧结构的长度，降低上行信号接收时间窗口中保护间隔的占比，从而提高了通信效率。通信效率。通信效率。


技术研发人员：胡海峰 解安亮 陈庆华
受保护的技术使用者：上海谱域科技有限公司 南京谱域科技有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/23