专利名称：Tdd或hfdd模式卫星通信的上行导频信号发送方法
技术领域：
本发明涉及卫星通信技术，尤其涉及一种时分双工(TDD)以及频分-时分双工 (HFDD)模式的卫星通信系统中初始上行导频信号的发送方法，属于通信技术领域。
背景技术：
上行导频同步是第3代及第4代TDD模式地面移动通信系统中用户终端入网过程 的重要环节。第3代TDD模式地面移动通信标准TD-SCDMA以及其长期演进标准TD-LTE， 均采用了 UpPTS这样的特殊时隙进行初始上行导频发送。其中TD-SCDMA标准的帧结构如 图 1 所示。[3GPP TS 25.221 V4. 8. 0 (2005-06) "3rd Generation PartnershipProject ； Technical Specification Group Radio Access Network ；Physical channels andmapping of transport channels onto physical channels(TDD)(Release 4)”]。在卫星通信系统中，通常存在较大的星地传输时延(例如，静止轨道GEO卫星轨道 高度约为36000公里，最大单跳往返时延约有270ms)，如图2所示。此外，各卫星用户终端 之间也存在较大的传输时延差，即使在波束覆盖半径为200公里的系统中，各用户终端之 间的最大传输时延差也可能达到超过Ims左右。卫星通信的大时延及大时延差特性，直接 导致了在卫星通信系统中采用像TD-SCDMA这样的TDD模式进行传输存在一定的难度。[Arif Ansari, et al. ,"S-ffiMAX =Adaptation of IEEE 802. 16e for Mobile SatelliteServices, "IEEE Communications Magazine, Jun. 2009]分析了在卫星移动通信 中采用WiMAX技术的适应性问题。在考虑TDD模式(实际上是半频分半时分双工模式)时 分析了具有不同传输时延的地面终端在上行和下行帧设计上的适应性问题，提出了一种在 下行帧和上行帧尾部设置足够长保护时间(大于2倍的最大传输时延差)的解决方案。事 实上，由于对上行信号增加了额外的保护时间，造成了帧结构效率的下降。同样地，在时分双工模式乃至频分-时分双工模式的卫星通信系统中，直接在 UpPTS时隙中发送上行导频也是不可行的，必须考虑相应的额外保护时间。换言之，若假定 卫星波束范围内的最大传输时延差为2X，则可能由于用户终端传输时延的初始不可知性， UpPTS上行导频信号在到达卫星时会落入一个UpPTS时隙宽度加上2倍最大传输时延的时 间窗口内，因此不能仅在卫星侧对应的UpPTS时隙内进行接收。进一步地，由于UpPTS信号 的到达时间窗存在与子帧结构中上行时隙和下行时隙相重叠的可能性，因此在地面终端侧 的UpPTS信号发送时间也需要根据具体情况进行相应移位调整。这一移位调整技术类似于地面TD-SCDMA移动通信系统中相应的UpPTS Shifting 技术。当然，由于地面移动通信系统中采用的UpPTS lifting技术是为了解决相邻 TD-SCDMA小区DwPTS下行导频信号对本小区的UpPTS上行导频信号的干扰问题而采取的 UpPTS信号移位的解决方法，而卫星通信系统中采用的UpPTS移位技术则是为了解决波束 内不同用户终端之间的大时延差造成的可能对卫星侧的上、下行业务时隙重叠干扰或无法 接收的问题，相应的两种处理算法存在显著的差异。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，针对时分双工或者频分-时分双工 的卫星通信系统，提供一种初始上行导频信号的发送方法，以解决卫星通信中由于长时延 及长时延差等特性所带来的上行信号相对于接收时隙偏离，进而导致上行导频信号无法按 通常时隙位置进行接收的问题。本发明所针对的时分双工或者频分-时分双工的卫星通信系统具有特定的收发 传输帧之间的结构关系。具体来说，卫星在其信号帧A中将信号发送至地面终端，地面终端 收到信号后通过其信号帧B将信号发送至卫星，卫星则通过另一信号帧C接收地面信号，在 所述卫星的发送信号帧A和接收信号帧C中，相应的上行时隙组之间的时间差为中间传输 时延的两倍。如图3所示。图4示出了卫星通信系统中波束内不同传输时延的关系。其中的中间传输时延， 定义为波束覆盖范围内的最大传输时延与最小传输时延的平均值，而最大传输时延与最小 传输时延的差值即是最大传输时延差2X。对于工程应用而言，通常采用波束中心点的传输 时延作为中间传输时延，而取最大传输时延到中间传输时延的差值和中间传输时延到最小 传输时延的差值这两者中的较大值，作为半程最大传输时延差X。下面具体说明本发明实现其技术目的所采用的技术方案。A. 一种TDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，信号帧的可用上行信号区不小于Wmin时，终端在距离所述可用上行信号区起点 2X的时刻开始到距离所述可用上行信号区终点(2X+Wup)的时刻为止的发送窗口中，选择 任意时刻发送上行导频信号；信号帧的可用上行信号区小于Wmin且不小于·ρ+2Χ时，终端在所述可用上行信 号区的起点到距离终点(2X+Wup)的发送窗口 1中，选择任意时刻发送第一上行导频信号； 并在距离所述可用上行信号区的起点2Χ到距离终点mip的发送窗口 2中，选择任意时刻发 送第二上行导频信号；其中Wmin = ffup+4X, Wup表示上行导频时隙的宽度，2X表示最大传输时延差。优选地，在上述方法A中，所述信号帧由3个特殊时隙，位于所述特殊时隙前的1 个下行时隙和位于所述特殊时隙后的6个业务时隙组成；所述特殊时隙包括下行导频时 隙，保护间隔和上行导频时隙；所述6个业务时隙包括一个或多个上行时隙和一个或多个 下行时隙。所述可用上行信号区可以由一个所述信号帧内的保护间隔，上行导频时隙和4个 上行时隙组成；或者由一个所述信号帧内的保护间隔，上行导频时隙和3个上行时隙组成。B. 一种HFDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，信号帧的可用下行信号区不小于Wmin时，终端在距离所述可用下行信号区起点 2X的时刻开始到距离所述可用下行信号区终点(2X+Wup)的时刻为止的发送窗口中，选择 任意时刻发送上行导频信号；信号帧的可用下行信号区小于Wmin时，终端在所述可用下行信号区内或信号帧 内选择任意时刻发送上行导频信号。优选地，在上述方法B中，所述信号帧由3个特殊时隙，位于所述特殊时隙前的1 个下行时隙和位于所述特殊时隙后的6个业务时隙组成；所述特殊时隙包括下行导频时隙，保护间隔和上行导频时隙；所述6个业务时隙包括一个或多个上行时隙和一个或多个 下行时隙。所述可用下行信号区可以由连续两个所述信号帧内的前一信号帧的3个下行时 隙和后一信号帧的1个下行时隙及下行导频时隙，保护间隔和上行导频时隙组成；或者由 连续两个所述信号帧内的前一信号帧的2个下行时隙和后一信号帧的1个下行时隙及下行 导频时隙，保护间隔和上行导频时隙组成。下面通过原理说明对上述技术方案作进一步描述。本发明基于下列设想而实现卫星波束覆盖范围内所有用户终端都在信号帧内的相同位置发送上行导频信号。为此，对于具有中间传输时延的用户终端，在信号帧内的某一位置发送上行导频 信号；该上行导频信号经过一个中间传输时延到达卫星侧时，卫星接收机在对应信号帧内 的相同位置上接收上行导频信号。终端和卫星两侧的对应信号帧之间正好相差1个中间传 输时延。对于具有不同传输时延的用户终端，在各自的信号帧内采用与具有中间传输时延 的终端相同的位置发送上行导频信号；各个终端的上行导频信号到达卫星侧时，卫星接收 机在一个接收窗内接收各个终端发送的上行导频信号，则该接收窗的宽度需满足下列条 件以具有中间传输时延的终端的上行导频信号到达卫星信号帧时的所在位置为中心，左 右两侧分别具有1个最大传输时延差值的宽度；即W > Wmin = mip+4X，其中W表示接收窗 的宽度，Wmin表示接收窗的最小宽度，mip表示上行导频时隙的宽度，4X表示两倍的最大传 输时延差。A.针对时分双工卫星通信系统，也即卫星侧和终端侧均采用时分双工方式(1).如果信号帧的可用上行信号区大于或等于Wmin(即2倍最大传输时延差值加 上1个上行导频时隙宽度)，则在距离可用上行信号区起点2X的时刻开始，到距离可用上行 信号区终点(2X+Wup)的时刻为止的发送窗口中，终端可以选择任意时刻发送上行导频信 号，如图fe所示；(2).如果信号帧的可用上行信号区小于Wmin，但是大于或等于·ρ+2Χ(即1倍 最大传输时延差加上1个上行导频时隙宽度)，则在可用上行信号区的起点到距离终点 (2X+ffup)的发送窗口 1中，终端可以选择任意时刻发送第一个上行导频信号；然后在距离 可用上行信号区的起点2X到距离终点mip的发送窗口 2中，终端可以选择任意时刻发送第 二个上行导频信号，如图&所示。当然如果可用上行信号区无法满足上述两种时间宽度要求，则需要重新进行系统 配置以满足上述条件之一。此外需要说明的是，可用上行信号区可以包括那些关联在一起 的不用于正常业务传输的特殊时隙。B.针对频分-时分双工卫星通信系统，也即卫星侧采用频分双工方式，而终端侧 的上下行信号在分别采用两个不同频点的同时仍采用分时收发的双工方式(1).如果信号帧的可用下行信号区大于或等于Wmin(即2倍最大传输时延差值加 上1个上行导频时隙宽度)，则在距离可用下行信号区起点2X的时刻开始，到距离可用下行 信号区终点(2X+Wup)的时刻为止的发送窗口中，终端可以选择任意时刻发送上行导频信 号，如图6a所示；
(2).如果信号帧的可用下行信号区小于Wmin，则终端在可用下行信号区内选择 任意时刻发送上行导频信号；或者终端在信号帧结构内选择任意时刻开始发送上行导频信 号，如图6b所示。同样需要说明的是，可用下行信号区可以包括那些关联在一起的不用于正常业务 传输的特殊时隙。综上所述，本发明中针对时分双工方式或者频分-时分双工方式的卫星通信系 统，提供了一种上行导频信号的发送方法，可以解决因卫星通信大传输时延及大传输时延 差所带来的上行导频信号到达卫星的位置偏离及不确定问题，这对时分双工或者频分-时 分双工卫星通信系统的具体实施是非常有利的。
图1是3GPP TDD模式1. 28Mcps选项(即TD-SCDMA)的帧结构示意图；图2是卫星通信具有的大传输时延示意图；图3是卫星通信时分双工或者频分-时分双工下的帧间关系示意图；图4是卫星通信不同传输时延的示意图；图5是本发明TDD方式下的上行导频信号发送示意图；图6是本发明HFDD方式下的上行导频信号发送示意图；图7是具体实施例中TD-SCDMA帧结构中的时隙关系示意图；图8是中间传输时延终端的TD-SCDMA帧上行导频信号发送/接收关系示意图；图9是不同传输时延终端的TD-SCDMA帧上行导频信号发送/接收关系示意图；图10是TDD方式下上下行业务时隙4:2配置的上行导频信号发送示意图；图11是TDD方式下上下行业务时隙3:3配置的上行导频信号发送示意图；图12是HFDD方式下上下行业务时隙3 3配置的上行导频信号发送示意图；图13是HFDD方式下上下行业务时隙4:2配置的上行导频信号发送示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。在下述实施例中，假定卫星采用109个波束进行覆盖，波束半径约为200公里，这 样某一波束内的最大传输时延差可以达到2X = 1. 26毫秒(ms)。下述实施例中采用TD-SCDMA标准的子帧结构进行说明，如图7所示，该子帧长度 为5ms。子帧共包含7个正常业务时隙，序号分别为TS0-TS6，每个正常业务时隙宽度为 675us ；3个特殊时隙分别是下行导频时隙DwPTS(75us)、保护间隔GP(75us)和上行导频时 隙 UpPTS(125us)。卫星侧的上行信号接收区以波束内的中间传输时延作为定时参考。对于具有中间 传输时延的用户终端，在本地当前信号帧内的指定位置(假定在TS2时隙的起始处)发送 上行导频信号，则该上行导频信号经过一个中间传输时延(135ms)到达卫星侧时，卫星接 收机在对应信号帧内的相同位置上(即该信号帧的TS2时隙起始位置处)开始接收上行导 频信号。终端和卫星两侧的对应信号帧之间正好相差1个中间传输时延135ms。如图8所示。
相同卫星波束内具有不同传输时延的各个用户终端在各自的本地当前信号帧内， 采用与具有中间传输时延的终端相同的位置发送上行导频信号，即在TS2时隙的起始处进 行各自相应的上行导频信号发送。由于用户终端在入网之前通常不能确定自身到卫星之间的传输时延，因而在卫 星侧接收端相对于发送基点具有士2X = 士 1. ^tois的不确定性。各个终端上行导频信 号到达卫星侧时，卫星接收机在一个接收窗内接收各个终端发送的上行导频信号，该接 收窗以从卫星信号帧TS2起始处开始125us的上行导频信号宽度为中心，并且左右两侧 分别具有1个最大传输时延差值1. 26ms的宽度。也就是说，在卫星侧至少需要有一个 125us+2Xl. 26ms = 0. 125ms+2. 52ms = 2. 645ms 的接收窗口。如图 9 所示。实施例1下面首先考虑时分双工(TDD)方式下，根据不同的可用上行信号区大小有不同的 上行导频发送方法。图10示出了 TS1-TS6的上下行业务时隙配置为4:2的情形。此时，可用上行 信号区包括4个正常时隙(TS1-TS4)加上保护间隔GP和上行导频时隙UpPTS，其宽度为 4X0. 675+0. 075+0. 125 = 2. 9ms，大于2倍最大传输时延差与1个上行导频时隙宽度之和 2. 645ms的基本宽时窗区间要求。这样，可以在距离GP的起点1. 26ms,到距离TS4的终点 1. 385ms之间的发送窗口内发送上行导频信号。例如可以把上行导频信号放在TS2时隙中 距该时隙左侧0. 675-0. 125 = 0. 55ms位置处，则该上行导频信号开始时刻距离所述可用上 行信号区的左侧为0. 075+0. 125+0. 675+0. 55 = 1. 425ms > 2X = 1. ^ms，该上行导频信号 结束时刻距离所述可用上行信号区的右侧为2X0. 675 = 1. 35ms > 2X = 1. 26ms,因而满足 相应的上行导频发送条件。图11示出了 TS1-TS6的上下行业务时隙配置为3:3的情形。此时，可用上行 信号区包括3个正常时隙(TS1-TS3)加上保护间隔GP和上行导频时隙UpPTS，其宽度为 3X0. 675+0. 075+0. 125 = 2. 225ms,小于2倍最大传输时延差与1个上行导频时隙宽度之 和2. 645ms的基本宽时窗区间要求，但大于1倍最大传输时延差与1个上行导频时隙宽度 之和1. 26+0. 125 = 1. 385ms的基本窄时窗区间要求。这样，可以把上行导频信号先放在通常的上行导频时隙UpPTS处进行发送，该上 行导频信号结束处距离右侧为3X0. 675 = 2. 025ms > 2X = 1. ^ms，可以满足卫星对所有 大于中间传输时延的用户的上行导频信号接收要求，以及少部分小于中间传输时延的用户 的上行导频信号接收要求。如果用户终端在指定等待时间内或多次重复后未能获得卫星的 响应，说明前面发出的上行导频信号可能因传输时延反向偏差的关系未能被卫星接收到， 因此需要在相反时间方向发送第二个上行导频信号。第二个上行导频信号可以放在TS3的起始时刻处，距离可用上行区左侧为 0. 075+0. 125+2X0. 675 = 1. 55ms > 2X = 1. 26ms，满足卫星对所有小于中间传输时延的用 户的上行导频信号接收要求，以及少部分大于中间传输时延的用户的上行导频信号接收要求。这样经过两步上行导频信号多次发送之后，波束内所有终端的上行导频信号基本 上可以被卫星侧接收机接收到。需要说明的是，如果某一波束内的可用上行信号区不能满足基本窄区间的要求，则需要进行业务时隙的配置调整使得该基本要求得以满足。只有这样才能保证上行导频信 号得以正常接收。实施例2其次在频分-时分双工(HFDD)方式下，同样根据不同的可用下行信号区大小有不 同的上行导频发送方法。在这种方式下，由于卫星侧采用与发送不同的频率进行接收，因此 可以充分利用该接收频点上对应在下行时隙的空白区间进行上行导频信号的接收，也可以 尽量避免或减少对正常上行业务时隙信号的干扰。图12示出了 TS1-TS6的上下行业务时隙配置为3:3的情形。此时，可用下行 信号区包括4个正常时隙(TS4-TS6、下一信号帧的TS0)加上下一信号帧的下行导频时 隙DwPTS、保护间隔GP和上行导频时隙UpPTS，其宽度为4 X 0. 675+2 X 0. 075+0. 125 = 2. 975ms,大于2倍最大传输时延差与1个上行导频时隙宽度之和2. 645ms的基本宽时窗区 间要求。这样，可以简单把上行导频信号放在TS6时隙的起始位置处进行发送，则该上行导 频信号距离可用下行信号区左侧为2X0. 675 = 1. 35ms > 2X = 1. ^ms，上行导频信号结束 时刻距离可用下行信号区右侧为2X0. 675+2X0. 075 = 1. 5ms > 2X = 1. 26ms,因而满足相 应的上行导频发送条件。图13示出了 TS1-TS6的上下行业务时隙配置为4:2的情形。此时，可用下行信 号区包括3个正常时隙(TS5-TS6和下一信号帧的TS0)加上下一信号帧的下行导频时隙 DwPTS、保护间隔GP和上行导频时隙UpPTS，其宽度为3X0. 675+2X0. 075+0. 125 = 2. 3ms, 小于2倍最大传输时延差与1个上行导频时隙宽度之和2. 645ms的基本宽时窗区间要求。 这种情形下无法完全避免波束内部分终端对上行业务时隙内信号的干扰。通常情况下，可 以考虑根据波束内用户终端的分布情况把上行导频信号放在可用下行信号区的适当位置 进行发送。为了简单起见，此处采取把上行导频信号放在可用下行信号区中间位置进行发 送的方案，即上行导频信号两端分别距离可用下行信号区左右两侧各1. 0875ms的位置处 进行上行导频信号发送。当然，也可以考虑在整个信号子帧结构的任何位置发送初始上行导频信号，但这 样就可能会对其他用户到达卫星时的上行信号产生一些干扰。类似地，对于基于TD-LTE的卫星通信系统，也可以采用相同的上行导频信号发送 和接收策略。以上虽然仅仅是参考特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是任何熟 悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可能对本发明进行的形式和细节上的 任何修改，都应该包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种TDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，信号帧的可用上行信号区不小于Wmin时，终端在距离所述可用上行信号区起点2X的 时刻开始到距离所述可用上行信号区终点(2X+Wup)的时刻为止的发送窗口中，选择任意 时刻发送上行导频信号；信号帧的可用上行信号区小于Wmin且不小于·ρ+2Χ时，终端在所述可用上行信号区 的起点到距离终点(2X+Wup)的发送窗口 1中，选择任意时刻发送第一上行导频信号；并在 距离所述可用上行信号区的起点2X到距离终点mip的发送窗口 2中，选择任意时刻发送第 二上行导频信号；其中Wmin = ffup+4X, Wup表示上行导频时隙的宽度，2X表示最大传输时延差。
2.如权利要求1所述的TDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，所 述信号帧由3个特殊时隙，位于所述特殊时隙前的1个下行时隙和位于所述特殊时隙后的 6个业务时隙组成；所述特殊时隙包括下行导频时隙，保护间隔和上行导频时隙；所述6个 业务时隙包括一个或多个上行时隙和一个或多个下行时隙。
3.如权利要求2所述的TDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，所述 可用上行信号区由一个所述信号帧内的保护间隔，上行导频时隙和4个上行时隙组成。
4.如权利要求2所述的TDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，所述 可用上行信号区由一个所述信号帧内的保护间隔，上行导频时隙和3个上行时隙组成。
5.一种HFDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，信号帧的可用下行信号区不小于Wmin时，终端在距离所述可用下行信号区起点2X的 时刻开始到距离所述可用下行信号区终点(2X+Wup)的时刻为止的发送窗口中，选择任意 时刻发送上行导频信号；信号帧的可用下行信号区小于Wmin时，终端在所述可用下行信号区内或信号帧内选 择任意时刻发送上行导频信号。
6.如权利要求5所述的HFDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，所 述信号帧由3个特殊时隙，位于所述特殊时隙前的1个下行时隙和位于所述特殊时隙后的 6个业务时隙组成；所述特殊时隙包括下行导频时隙，保护间隔和上行导频时隙；所述6个 业务时隙包括一个或多个上行时隙和一个或多个下行时隙。
7.如权利要求6所述的HFDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，所 述可用下行信号区由连续两个所述信号帧内的前一信号帧的3个下行时隙和后一信号帧 的1个下行时隙及下行导频时隙，保护间隔和上行导频时隙组成。
8.如权利要求6所述的HFDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，其特征在于，所 述可用下行信号区由连续两个所述信号帧内的前一信号帧的2个下行时隙和后一信号帧 的1个下行时隙及下行导频时隙，保护间隔和上行导频时隙组成。
全文摘要
本发明公开了一种TDD或HFDD模式卫星通信的上行导频信号发送方法，属于通信技术领域。在TDD模式下，当可用上行信号区≥Wmin时，在距离可用上行信号区起点2X的时刻开始到距离终点(2X+Wup)的时刻为止发送上行导频信号；当可用上行信号区＜Wmin且≥Wup+2X时，在起点到距离终点(2X+Wup)的发送窗口1中发送第一上行导频信号；并在距离起点2X到距离终点Wup的发送窗口2中发送第二上行导频信号；其中Wmin＝Wup+4X；在HFDD模式下，可用下行信号区≥Wmin时，在距离可用下行信号区起点2X的时刻开始到距离终点(2X+Wup)的时刻为止发送上行导频信号；可用下行信号区＜Wmin时，在可用下行信号区内或信号帧内发送上行导频信号。本发明可用于卫星通信系统。
文档编号H04W84/06GK102088306SQ20111003306
公开日2011年6月8日 申请日期2011年1月30日 优先权日2010年7月15日
发明者任术波, 吴建军, 徐晓燕, 栾西, 程宇新 申请人:北京大学