一种基于5G技术的卫星通信时间同步方法与流程

本发明涉及卫星通信，特别涉及一种基于5g技术的卫星通信时间同步方法。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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，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。

4、如图2所示，为传统5g卫星通信技术中的典型帧结构，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，其中上行数据传输的基本单位为1个时隙。另外终端下行时间同步的单位为无线帧，即同步后终端能够分辨出无线帧的时间边界。

5、比如卫星通信系统信号带宽400mhz，子载波间隔120khz（扩展循环前缀），每个子帧分为8个时隙，则每个时隙长度为125us，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。而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、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、为解决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。

技术实现思路

1、针对现有技术中依靠ta调整和星历预补偿方式进行上行时间同步存在通用性和灵活性不足的问题，本发明的目的在于提供一种基于5g技术的卫星通信时间同步方法，以便于至少部分地解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种基于5g技术的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：

4、终端接收卫星发送的下行帧信号，卫星发送所述下行帧信号的边界与gps1pps秒边界对齐；

5、终端在本地通过ssb搜索完成下行同步，并确定本地sfn边界的位置；

6、终端通过本地sfn边界与gps1pps秒边界之间的时间距离计算卫星与终端之间的传播时延td；

7、终端基于卫星接收上行帧信号的边界，提前所述传播时延td发送上行帧信号；

8、其中，卫星发送所述下行帧信号的边界与卫星接收所述上行帧信号的边界之间具有固定时延t_offset。

9、在一些优选实施例中，所述固定时延t_offset大于所述传播时延td的两倍。

10、在一些优选实施例中，所述终端通过本地sfn边界与gps1pps秒边界之间时间距离计算卫星与终端之间的传播时延td的步骤包括：

11、确定gps1pps秒边界与最近sfn边界之间的时间距离t_inner；

12、所述传播时延td=t_init+n×10ms+t_inner，其中，所述t_init为初始传播时延，n为初始sfn窗口数。

13、在一些优选实施例中，终端以当前计算获得的所述传播时延td发起上行接入，如果接入成功则进入后续流程业务，如果接入失败则将当前sfn窗口数加1并重新计算传播时延td，再以重新计算获得的传播时延td发起上行接入，直至接入成功或者sfn窗口数超过最大值。

14、第二方面，本发明还提供一种基于5g技术的卫星通信时间同步系统，包括：

15、接收模块，用于接收卫星发送的下行帧信号，卫星发送所述下行帧信号的边界与gps1pps秒边界对齐；

16、定位模块，用于通过ssb搜索完成下行同步，并确定本地sfn边界的位置；

17、计算模块，用于通过本地sfn边界与gps1pps秒边界之间的时间距离计算卫星与终端之间的传播时延td；

18、以及发送模块，用于基于卫星接收上行帧信号的边界，提前所述传播时延td发送上行帧信号；

19、其中，卫星发送所述下行帧信号的边界与卫星接收所述上行帧信号的边界之间具有固定时延t_offset。

20、在一些优选实施例中，所述系统还包括：

21、第一判断模块，用于判断是否上行接入是否成功，是则进入后续流程业务，否则将当前sfn窗口数加1；

22、第二判断模块，用于判断累加后的sfn窗口数是否超过最大值，是则判定上行接入失败，否则使计算模块以累加后的sfn窗口数重新计算传播时延，并使发送模块以重新计算的传播时延发送上行帧信号。

23、第三方面，本发明还提供一种电子设备，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，执行如权上所述的方法。

24、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被运行时执行如上所述的方法。

25、采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：相比于传统技术，本发明提供的方法通过设置固定时延t_offset、计算传播时延td以及基于卫星接收上行帧信号的边界提前传播时延td发送上行帧信号等步骤的设置，使得卫星进行上行时间同步和信号解调时仅考虑固定时延t_offset即可，不必通过ta流程和星历来进行复杂的时偏计算，从而提高了卫星通信系统的通用性和灵活性。