低轨卫星FDD体制下5G终端直连卫星的方法

本发明属于卫星通信领域，特别涉及一种5g终端直连低轨卫星的方法，可用于在无需修改现有终端的情况下实现终端与卫星的随机接入，保证现有通信网络的稳定性和可靠性。

背景技术：

1、近年来随着现代移动通信、电子元器件和卫星工程技术的飞速发展，地面移动通信也在朝着卫星通信方向演进，通过终端直连卫星通信可以实现全球覆盖，无论在哪个角落都可以接收信号并且信号受地形、建筑物的影响较小。在很大程度上解决用户接入、建设成本的问题。但是卫星系统比地面系统具有更大的传播延迟，移动通信的许多方面比如重传机制和资源调度中的响应时间都受此影响，需要针对流程重新设计。

2、现有技术实现终端直连卫星通常需要使用专用终端或私有通信协议，如铱星和globalstar。在这种方案下，终端需要进行定制化设计，例如常见的带鹅颈天线的卫星终端，它们的速率很低。马斯克的星链则采用私有通信协议，这种私有协议不利于快速建立生态链。

3、为了实现终端直连卫星通信的普及化，3gpp早已开始相关研究，试图将地面蜂窝网络的协议标准扩展到卫星通信领域，从而达到空天地一体化的目标。

4、目前3gpp r17提供较成熟的协议框架，该协议框架默认终端支持全球卫星导航系统gnss，在此基础上采用对各种涉及时间进行流程重新设计的方案，其中，包括针对上行定时同步流程方案、针对各种定时关系修改方案和针对harq过程修改方案。

5、所述针对上行定时同步流程方案是：假设终端对其位置和卫星星历消息已知，在上行传输时通过这些信息提前补偿时延和频率。然而，该方案对gnss有一定的依赖性，因为gnss可以为终端提供卫星信号的定位和时间戳信息，从而支持卫星通信的可靠性和有效性，若是终端不含gnss系统，则无法接入网络。

6、所述针对各种定时关系修改方案是：通过对5g协议进行增强，即对pusch传输定时过程及pucch上的harq-ack传输定时过程均引入一个新字段偏移量koffset，应用它来修改对应的定时关系，针对不同定时关系偏移量koffset的具体值可以不同。然而，这种引入新字段方案也会带来一些问题。首先，终端和基站都需要维护此字段，增加了系统的复杂度；再者，由于各种网络情况的存在，由koffset计算的上行传输时序调整也存在着多种不确定性，需要对此充分考虑，因此3gpp r17针对不同场景下不同上行传输也设定了不同的koffset计算方式，这种做法一方面需要修改现有协议，另一方面也增加了网络开销和复杂度。

7、所述针对harq过程的修改方案是：将harq进程数从5g nr中的旧版16个进程增加到32个以应对更多的重传情况。然而，此更改可能需要在终端使用更大的缓冲区，此外，还需要增强终端对harq进程数量的处理能力。

8、此外，3gpp r17采用的一系列方案均需要对现有商用终端和现有协议进行升级或修改，会增加成本和风险，其既包括硬件和软件方面的开发成本，同时也涉及到改造或升级现有商用终端和协议可能会导致与现有的通信网络不兼容，从而影响到现有网络的稳定性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种低轨卫星fdd体制下5g终端直连卫星的方法。以在不变动协议的前提下使用现有的商用终端实现与卫星的随机接入过程，减少升级和修改商用终端所需的成本和风险，保证现有通信网络的稳定性和可靠性。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、(1)在随机接入第一步，由终端向基站发送前导序列msg1，基站推迟前导序列检测窗口起点，并扩大检测窗口的时长；

4、(2)基站在扩大后的前导检测窗口内接收前导序列，并解码得到不同终端的定时提前量ta；

5、(3)针对不同终端的ta，基站将其划分为整数部分τi和小数部分τf；

6、(4)在随机接入第二步，由基站向终端发送随机接入响应msg2，即基站将ta小数部分τf发送给终端，终端根据接收到的定时提前量τf调整上行发送时间；

7、(5)基站根据ta整数部分τi调整随机接入第三步中msg3消息的接收时隙；

8、(6)基站向终端发送msg4消息，完成随机接入第四步，终端反馈混合自动重传请求harq信息给基站；

9、(7)基站根据ta整数部分τi调整harq反馈信息的接收时隙；

10、(8)基站根据ta整数部分τi调整信道状态信息参考信号csi-rs、信道探测参考信号srs、调度请求sr和上行共享物理信道pusch传输流程的接收时隙，完成5g终端与卫星的直连。

11、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

12、第一，本发明通过在基站侧推迟前导检测窗口起点并扩大检测窗口的方式，使得基站能接收到终端发送的前导序列而不需要终端做任何改变，减少了对gnss系统的依赖，特别是已经商用的终端可以不做任何修改直接连接卫星，提高终端的通用性和灵活性，避免由于协议改进更换或者升级现有终端。

13、第二，本发明通过将ta划分为整数部分和小数部分并仅将小数部分下发给终端的方式，解决了在星地大时延下ta范围超过地面移动通信协议要求的问题，使得在子载波间隔为15khz和30khz的情况下，终端能直接进行随机接入，无需对ta协议进行扩展或者改变现有定时提前调整方法，这使得现有商用终端也可以直连卫星，提高了网络的普适性。

14、第三，本发明通过在基站侧根据保存的ta的整数部分调整不同终端的上行各传输流程的接收时隙的方法，使得各种上行传输过程比如pusch定时、csi-rs和srs上传定时、sr传输定时以及pucch上的harq-ack传输定时都能按照协议要求进行，终端无需做任何改变，也无需修改协议引入新字段，减小了网络开销和复杂度，提高了整个通信系统的效率。

技术特征：

1.一种低轨卫星fdd体制下5g终端直连卫星的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中基站推迟前导序列检测窗口起点，并扩大检测窗口的时长，实现如下：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中针对不同终端的ta，基站将其划分为整数部分τi和小数部分τf，其实现如下：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中终端根据接收到的定时提前量τf调整上行发送时间，是基站通过rar仅发送ta的小数部分τf，终端将接收到的τf值作为定时提前量的值，在上行传输时提前τf的时间发送，完成定时提前调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中基站根据ta整数部分τi调整随机接入第三步中msg3消息的接收时隙，是针对msg3的传输流程，终端根据基站调度在上行时隙n发送的msg3数据，基站将上行时隙n的msg3数据改为在时隙n+τi接收，使得msg3能够被基站正常接收。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)基站向终端发送msg4消息，完成随机接入第四步，是基站在接收到终端发送的msg3消息后，向终端发送msg4消息，终端正常接收msg4，完成随机接入第四步。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中基站根据ta整数部分τi调整harq反馈信息的接收时隙，是针对harq过程的传输定时流程，终端根据基站调度在上行时隙n发送harq反馈信息，基站将上行时隙n的harq反馈信息改为在时隙n+τi接收，完成终端向基站反馈harq信息的过程。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(8)中基站根据ta整数部分τi调整信道状态信息参考信号csi-rs、信道探测参考信号srs、调度请求sr和上行共享物理信道pusch传输流程的接收时隙，其实现如下：

技术总结
本发明公开了一种基于低轨卫星FDD体制下5G终端直连卫星的方法，主要解决现有终端直连卫星需要对现有终端和协议进行升级或修改，增加成本和风险的问题。其实现方案是：基于定时提前量TA机制，将地面TA机制扩展到卫星；基站根据解得的不同终端的TA，将其划分为整数部分τ<subgt;i</subgt;和小数部分τ<subgt;f</subgt;；将τ<subgt;f</subgt;控制在5G协议要求范围内通过RAR下发给终端，并依据τ<subgt;i</subgt;调整基站上行接收时隙，完成随机接入以及后续各种传输定时过程。本发明避免了对协议标准中的TA范围的修改，便于使得现有商用终端直连卫星，提高了网络的普适性，减小了网络开销和复杂度，提高了整个通信系统的效率，可用于在无需修改现有终端的情况下实现终端与卫星的随机接入。

技术研发人员：秦浩,李宝航,宋彬
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13