大时延下具有定位功能终端的随机接入方法和终端及基站

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的大时延下具有定位功能终端的随机接入方法和终端及基站进行更详细地描述。

原有的TD-SCDMA系统认为传播时延是微妙级的，所以终端UE和基站的上下行子帧在时间上是对齐的，基站接收SYNC_UL的子帧也就是UE发送SYNC_UL的子帧。而在大时延(终端到基站的单向传播时延超过TDMA(Time Division Multiple Access，时分复用)保护间隔的系统)情况下，由于时延估计不准确，TD-SCDMA系统会导致SYNC_UL到达基站的时刻在5ms帧任何位置，对上行数据形成干扰甚至导致系统无法工作。

本发明提供一种大时延下大时延下具有定位功能终端的随机接入方法，包括：终端通过定位确定自身的位置，并根据基站广播的基站位置，确定所述终端与基站间的双向时延RTT；终端根据RTT确定发送上行同步码SYNC_UL的时间；终端选择与SYNC_UL对应的上行导频信道UpPCH，在选择的UpPCH上发送SYNC_UL，执行随机接入过程。

优选地，终端和基站采用FDD(Frequency Division Duplexing，频分双工)，基于上行子帧进行上行数据传输，同时基于下行子帧进行下行数据传输；所述上行子帧包括用于上行同步的上行链路导频时隙UpPTS和用于传输上行用户数据的上行业务时隙，所述下行子帧包括用于下行同步的下行链路导频时隙DwPTS和用传输下行用户数据的下行业务时隙。

优选地，终端所基于的上行子帧起始点比终端所基于的下行子帧起始点提前RTT，基站所基于的上行子帧和基站所基于的下行子帧的起始点在时间上绝对对齐；且上行子帧与下行子帧的子帧长度T相同，终端所基于的上行子帧起始点比基站所基于的上行子帧起始点提前RTT/2，这样，终端所基于的下行子帧起始点比基站所基于的下行子帧的起始点滞后RTT/2，其中RTT为终端与基站间的双向传播时延，其中所述终端通过定位确定自身的位置，并根据基站广播的基站位置，确定所述终端与基站间的双向时延RTT。

针对TD-SCDM的TDD方式中传播时延较大时、系统资源浪费严重的问题，本实施例需要引入FDD方式的帧结构。本发明实施例中大时延环境下，终端和数据通信引入FDD方式的帧结构，下行子帧结构中所有时隙都用来发送下行数据，上行子帧结构中所有时隙都用来发送上行数据，通过频分复用实现双工通信，因此子帧结构不需要保护时隙，因此不需要根据终端到基站的时延来估计保护时隙，也就避免了TDD方式下因时延估计误差大导致保护时隙设置不当，而造成上下行信号干扰的问题。同时终端的上下行子帧和网络侧的上下行子帧之间的时序关系，可以使终端侧和网络侧理解的收发数据时间一致，实现了终端和基站间的数据同步。本发明中的终端具有定位功能，因此可以确定自身的位置，基站可以在下行子帧的设定时隙如第一个时隙广播基站的位置，这样终端可以根据电磁波传输速度准确地计算出终端与基站的传播时延，并且终端根据接收基站位置的时间与事先约定的基站发送位置的时隙，确定上行子帧和下行子帧的起始点，从而使终端和基站准确实现同步。

如图4、图5所示，上行子帧和下行子帧的长度均为5ms，上行子帧包括1个UpPTS和7个上行业务时隙(时隙0～时隙6)，下行子帧包括1个DwPTS和7个下行业务时隙(时隙0～时隙6)。特殊时隙UpPTS的作用同TDD方式中UpPTS的作用，仍然用来为了实现上行同步发送上行同步码SYNC_UL，特殊时隙DwPTS仍然用来发送下行导频码，可以考虑扩展其码长以提高可靠性或是用于其它需求。

从兼容性的角度考虑，本实施例中FDD方式相对于TDD的子帧结构，对于下行子帧结构的特殊时隙DwPTS保持不变；对于上行子帧结构的特殊时隙UpPTS保持不变，目前DwPTS的设计可直接用于卫星等大时延的通信中。

实施例1

在原有的系统认为传播时延是微妙级的，所以终端和基站的上下行子帧在时间上是对齐的，网络接收SYNC_UL的子帧也就是终端发送SYNC_UL的子帧。而在大时延的通信系统中，根据本发明所提供的大时延下终端具有定位功能的数据通信方法，这一关系已被打破，本实施例中给出定义新的机制，即才FDD方式的帧结构。

在随机接入等过程中需要用到下一帧或两帧的概念，同样由于终端与基站在上下行子帧上不再对齐，本实施例对终端随机接入过程用到一些概念进行重新定义，根据物理层相关控制的需要，对基站和终端所基于的上下行子帧相关时序做如下定义：

1)在基站端，基站通信所基于的上下行子帧在时间上是绝对对齐的，如图6所示，根据网络上行时序和网络下行时序间的关系，在基站端，上行子帧的起始点与下行子帧的起始点是对齐的；对于终端而言，终端所基于的上行子帧起始点比下行子帧起始点提前RTT，终端所基于的上行子帧起始点比基站所基于上行子帧起始点提前RTT/2，RTT为终端与基站间的双向时延。不同位置的终端与基站通信时所基于的上下行子帧的起始点，由于与基站间的传播时延不同而不同。根据图6，UE1的上下行子帧的起始点不同于UE2的上下行子帧的起始点。

2)对于终端而言，所谓实现频分双工的上下行子帧间的同一子帧，做如下定义：

在绝对时间上，上行子帧超前下行子帧的时间范围满足如下条件的一对上下行子帧称为同一子帧：0ms＝＜上行子帧超前下行子帧的时间范围＜子帧长度(5ms)。

3)对于下一子帧的定义：在上行方向上，下一个上行子帧为同一子帧中上行子帧的后一上行子帧，在下行方向上，下一个下行子帧为同一子帧中下行子帧的后一下行子帧。

本发明实施例中终端确定下一上行子帧/下行子帧的方法，同样适用于确定下两个或三个等设定数量个上行子帧/下行子帧。

不同位置的终端与基站通信时所基于的上下行子帧的起始点，由于与基站间的传播时延不同而不同。优选地，本实施例中基站将小区的至少一个中心时延及与每个中心时延对应的SYNC_UL码组，在下行子帧广播给小区内终端；终端在随机接入时，根据在下行子帧接收的中心时延及自身的RTT，选择与自身RTT最接近的中心时延对应的SYNC_UL码组中的SYNC_UL码发送。其中小区的中心时延根据小区内不同区域范围的中心位置与基站间的距离确定，即小区的中心时延为一个，该中心时延根据小区中心位置与基站间的距离确定，小区的中心时延为多个，说明小区被划分多个区域范围，并根据各区域范围的中心位置与基站间的距离确定。

对于卫星通信而言，作为基站的卫星所处经纬度是已知的，在小区规划时各小区的覆盖范围是已知的，因此通过可以实现卫星广播自己位置与确定各小区的中心时延。

终端在确定实现频分双工的上下行子帧间的同一子帧时，可能会遇到如下情况：上行子帧超前下行子帧的时间范围非常接近临界值，即上行子帧超前下行子帧的时间范围小于设定值，或上行子帧超前下行子帧的时间范围与子帧长度T的差值小于设定值时，此时，终端可以选择与自身RTT最接近的中心时延t₀调整上行子帧与下行子帧的时间位置，即上行子帧起始点比下行子帧起始点提前2t₀，上行子帧起始点比基站所基于的上行子帧起始点提前t₀；根据调整后的上行子帧超前调整后的下行子帧的时间范围，重新确定同一子帧。需要注意的是，调整上行子帧与下行子帧的时间位置仅用于确定同一子帧，终端发送上行子帧所基于的上行子帧和接收下行数据所基于的下行子帧的起始点仍是按RTT计算的。终端接收的中心时延为多个，且终端自身的RTT与其中至少两个中心时延的差值绝对值相等且最接近时，选择所述至少两个中心时延中最大的中心时延调整上行子帧与下行子帧的时间位置。

优选地，本实施例中小区的划分使同一小区内所有终端的单向传播时延差在子帧长度T内，能够避免PRACH的碰撞。

本实施例中小区的划分使小区内所有终端的单向传播时延对子帧长度T取余，余数在T/2内的终端在一个小区(0＝＜余数＜T/2)，余数在T/2到T(T/2＝＜余数＜T)间的终端在另外一个小区。

本发明实施例实现小区内终端的单向传播时延差在子帧长度T内，具体可以通过小区规划实现，在进行小区规划时，通过小区划分，计算划分小区的中心时延，通过使相邻小区的中心时延差值在子帧长度T，实现小区内小区内终端的单向传播时延差在子帧长度T内。

实施例2

在时分复用接入TDMA系统，UpPTS上数据的发送需要保证一定的时间精度。优选地，本实施例中终端和基站基于上述FDD方式的上下行帧通信时，为了准确地实现上行同步，需要保证上行同步码SYNC_UL的发送时间精度。

具体地，本实施例中，终端根据自身和基站如卫星的距离来判断传播时延，并调整子帧的上行子帧和下行子帧的起始点，与基站建立图6所示的时序关系，上行子帧的起始点是某个下行子帧起始点-2倍UE到网络侧的传播时延。在上行子帧的起始点确定后，相应的SYNC_UL发送时间也就确定了。因此，通过网络侧广播基站位置，终端按照两者距离确定的RTT确定上下子帧的起始点，由于终端在上行子帧的具体哪个时隙位置发送SYNC_UL，已事先设定好，因此，本实施例中终端根据RTT确定发送上行同步码SYNC_UL的时间，包括：

确定超前当前时刻之后一个下行子帧的起始点x发送上行同步码SYNC_UL，其中：

x＝(RTT-(设定的SYNC_UL相对上行子帧起始点滞后的时间))mod(子帧长度T)。

该方法要求网络端(卫星)需要把其具体的位置信息如轨道高度和星下点的经纬度广播给终端UE，同时UE具有定位的功能。在知道两点间的相对距离信息后，就可以准确的计算出电磁波的传播时延。可见，按上述方式计算的发送SYNC_UL的位置即为上行子帧中设定的SYNC_UL相对上行子帧起始点滞后的时间位置。

优选地，本实施例中基站将小区的至少一个中心时延及与每个中心时延对应的SYNC_UL码组，在下行子帧广播给小区内终端；终端在随机接入时，根据在下行子帧接收的中心时延及自身的RTT，选择与自身RTT最接近的中心时延对应的SYNC_UL码组中的SYNC_UL码发送。终端接收的中心时延为多个，且终端自身的RTT与其中至少两个中心时延的差值绝对值相等且最接近时，选择所述至少两个中心时延中最大的中心时延对应的SYNC_UL码组中的SYNC_UL码发送。

终端可以根据自己的位置准确计算出与基站间的传播时延，而基站仅知道与小区内不同区域范围的大概时延(中心时延)，并知道与小区内每个终端间的准确时延，为了实现终端理解的时间与终端的时间准确一致，采用上述选用不同码组对应不同中心时延的方法，可以进一步使网络侧更精准地确定终端的传播时延，从而根据各终端时延进行资源调度，以避免资源发生碰撞。

优选地，小区内终端的传播时延满足实施例1所给的限制：小区内终端的单向传播时延差在子帧长度T内；小区的划分使小区内所有终端的单向传播时延对子帧长度T取余，余数在T/2内的终端在一个小区(0＝＜余数＜T/2)，余数在T/2到T(T/2＝＜余数＜T)间的终端在另外一个小区。

实施例3

本实施例中给出大时延下基站和终端基于上述FDD方式帧结构进行通信时，所实现的同步与随机接入过程。如图7所示，具体包括如下步骤：

步骤S701，终端随机接入时通过定位确定自身的位置，并根据基站广播的基站位置，确定所述终端与基站间的双向时延RTT；

步骤S702，终端根据所述RTT确定发送上行同步码SYNC_UL的时间，选择与上行同步码SYNC_UL对应的上行导频信道UpPCH，在上行子帧发送上行同步码SYNC_UL；

具体地，终端确定超前当前时刻之后一个下行子帧的起始点x发送上行同步码SYNC_UL，其中：

x＝(RTT-(设定的SYNC_UL相对上行子帧起始点滞后的时间))mod(子帧长度T)。

终端可以根据接收的基站广播的中心时延按上述实施例方法确定所发送的SYNC_UL。

当然，也可以设置签名重发计数器的计数值及签名发射功率。

步骤S703，终端发送完SYNC_UL并等待RTT时，在随后的N个下行子帧内检测是否收到FPACH上的定时消息，若是，执行步骤S704，若否，执行步骤S705。

本实施例中终端发送完SYNC_UL并等待RTT后，开始在下行子帧接收FPACH上数据。不同于现有直接开始接收FPACH上数据。具体的时间计算为，UE要根据时延关系找到网络侧最快反馈FPACH的下行子帧号，并在该下行子帧及其随后的(N-1)个子帧接收FPACH上数据。因为此时终端还不知道准确的RTT，所以用网络侧广播的中心时延来代替RTT。

对于基站来说，基站在收到SYNC_UL后的设定数量N个下行子帧内，在与接收SYNC_UL的UpPCH相应的快速物理接入指示信道FPACH，发送携带用于修正RTT的时间偏差的定时消息。根据现有标准，SYNC_UL与UpPCH一一对应，UpPCH与FPACH一一对应，FPACH与PRACH一一对应。根据现有标准，上述设定数量N为4。

具体地，基站将从满足下列关系的下行子帧发送定时消息，终端将从满足下列关系的下行子帧中读取FPACH上的定时消息：

SFN′mod L_i＝n_RACHi，n_RACHi＝0，...，N_RACHi-1

其中SFN′为子帧号，L_i为第n_RACHi个RACH(Random Access Channel，随机接入信道)消息的长度，n_RACHi为RACH消息的编号，N_RACHi为RACH消息的最大编号，其中RACH消息的长度和编号由网络侧指示给UE。

本实施例中的基站在FPACH向终端返回定时消息，携带用于修正RTT的时间偏差，以使终端进行码片级同步。基站根据接收的SYNC_UL确定RTT的时间偏差的方法，可以采用现有技术中接收SYNC_UL后确定时间偏差的方法，如从UpPCH测量相对接收到的第一径的参考时间的时间偏差。优选地，FPACH上还承载所响应的SYNC_UL的编码和基站具体等待的子帧数WT。这样终端可以根据SYNC_UL的编码确定是否是自己的响应，根据子帧数WT确定基站所响应的SYNC_UL的发送时间，从而确定是否为自己的签名确认。

基站还可以在上行子帧收到SYNC_UL时，根据收到的SYNC_UL所属的码组所对应的中心时延，确定终端与所述基站的传播时延。基站根据确定的终端与所述基站的传播时延，对快速物理接入指示信道FPACH上发送的定时消息所用资源进行调度，避免物理随机接入信道PRACH上资源发生碰撞。

FPACH中SYNC_UL和WT消息可沿用现有TD-SCDMA系统的相应消息的定义方式。

步骤S704，如果在预期时间内没有检测到有效应答，签名重发计数器的计数值减1。判断签名重发计数器的计数值是否仍大于0，若是，返回执行步骤S702，否则执行步骤S705。

步骤S705，向MAC(Media Access Control，媒体接入控制)层报告一次随机接入失败。

步骤S706，终端确定接收到定时消息时，依据定时消息中的时间偏差修正RTT，并根据修正后的RTT调整上行子帧和下行子帧的起始点。

该步骤实现的是码片级同步，具体用FPACH中的定时消息来辅助完成。用定时消息中时间偏差修正RTT，重新确定上行子帧和下行子帧的起始点，RACH消息的发送时间，由网络侧指示的发送时隙，及RTT和根据定时消息确定的修正量共同决定。

步骤S707，调整后终端在收到定时消息后间隔2或3个上行子帧，在FPACH相应的物理随机接入信道PRACH上发送随机接入信道RACH消息。

具体地，若要发送的RACH消息的长度大于1，且收到定时消息的下行子帧的子帧号是奇数，间隔3个上行子帧发送RACH消息，否则间隔2个上行子帧发送RACH消息。

SYNC_UL的发送时隙一般在特殊时隙UpPTS，对于位于本发明上述实施例中的时隙1和时隙2的情况，还需要扩展FPACH的定时消息，以支持其携带SYNC_UL的编码，如扩展FPACH中定时指示比特为14比特，或者降低SYNC_UL后的初次调整精度为1/4chip。

本发明提供另一种大时延下的随机接入方法，包括：基站将自身的位置广播给终端，并接收终端按本发明实施例上述方法发送的SYNC_UL；基站在收到SYNC_UL后的设定数量N个下行子帧内，在与所述UpPCH相应的快速物理接入指示信道FPACH，发送携带用于修正RTT的时间偏差的定时消息，执行随机接入过程。

该方法中基站采用频分双工FDD，基于上行子帧进行上行数据传输，同时基于下行子帧进行下行数据传输；所述上行子帧包括用于上行同步的上行链路导频时隙UpPTS和用于传输上行用户数据的上行业务时隙，所述下行子帧包括用于下行同步的下行链路导频时隙DwPTS和用传输下行用户数据的下行业务时隙。基站所基于的上行子帧和下行子帧的起始点在时间上绝对对齐。

优选地，还包括：基站将小区的至少一个中心时延及与每个中心时延对应的SYNC_UL码组广播给小区内终端；基站在上行子帧收到SYNC_UL时，根据收到的SYNC_UL所属的码组所对应的中心时延，确定终端与所述基站的传播时延。基站根据确定的终端与所述基站的传播时延，对快速物理接入指示信道FPACH上发送的定时消息所用资源进行调度，避免物理随机接入信道PRACH上资源发生碰撞。

本发明还提供一种终端，包括：时延确定单元，用于通过定位确定自身的位置，并根据基站广播的基站位置，确定所述终端与基站间的双向时延RTT；发送时间确定单元，用于根据所述RTT确定发送上行同步码SYNC_UL的时间；随机接入单元，用于选择与SYNC_UL对应的上行导频信道UpPCH，在选择的UpPCH上发送SYNC_UL，执行随机接入过程。

优选地，终端中的各单元采用频分双工FDD，基于上行子帧进行上行数据传输，同时基于下行子帧进行下行数据传输；所述上行子帧包括用于上行同步的上行链路导频时隙UpPTS和用于传输上行用户数据的上行业务时隙，所述下行子帧包括用于下行同步的下行链路导频时隙DwPTS和用传输下行用户数据的下行业务时隙。

优选地，所述终端中的各单元所基于的上行子帧起始点比下行子帧起始点提前RTT，所基于的上行子帧起始点比基站所基于的上行子帧起始点提前RTT/2，基站所基于的上行子帧和下行子帧的起始点在时间上绝对对齐，上行子帧与下行子帧的子帧长度T相同。

优选地，所述发送时间确定单元，具体用于确定超前当前时刻之后一个下行子帧的起始点x，在与上行同步码SYNC_UL对应的上行导频信道UpPCH发送SYNC_UL，其中：x＝(RTT-(设定的SYNC_UL相对上行子帧起始点滞后的时间))mod(子帧长度T)。

优选地，所述随机接入单元具体用于在随机接入时，根据基站发送的中心时延及自身的RTT，选择与终端自身RTT最接近的中心时延对应的SYNC_UL码组中的SYNC_UL码发送。

优选地，所述随机接入单元具体用于在基站发送的中心时延为多个，且终端自身的RTT与其中至少两个中心时延的差值绝对值相等且最接近时，选择所述至少两个中心时延中最大的中心时延对应的SYNC_UL码组中的SYNC_UL码发送。

优选地，所述随机接入单元，具体包括：检测单元，用于发送完SYNC_UL并等待RTT时，在随后的N个下行子帧内检测是否收到FPACH上的定时消息；调整单元，用于确定接收到定时消息时，依据定时消息中的时间偏差修正RTT，并根据修正后的RTT调整上行子帧和下行子帧的起始点；响应单元，用于调整后在收到定时消息后间隔2或3个上行子帧，在FPACH相应的物理随机接入信道PRACH上发送随机接入信道RACH消息。

优选地，该终端还包括：同一子帧确单元，用于在随机接入过程中，将在绝对时间上满足如下条件的一对上行子帧和下行子帧视为同一子帧：0ms＝＜上行子帧超前下行子帧的时间范围＜子帧长度T。

优选地，该终端还包括：下一帧确定单元，用于在随机接入过程中，确定当前视为同一子帧的上行子帧和下行子帧，并确定同一子帧之后的上行子帧/下行子帧为下一个上行子帧/下行子帧。

优选地，同一子帧确单元具体包括：时间调整单元，用于在确定同一子帧时，确定上行子帧超前下行子帧的时间范围小于设定值，或上行子帧超前下行子帧的时间范围与子帧长度T的差值小于设定值时，选择与自身RTT最接近的中心时延调整上行子帧与下行子帧的时间位置；重新确定单元，用于根据调整后的上行子帧超前调整后的下行子帧的时间位置，重新确定同一子帧。

本发明还提供一种基站，包括：同步码接收单元，用于将基站自身的位置广播给终端，并接收终端发送的SYNC_UL；随机接入执行单元，用于在收到SYNC_UL后的设定数量N个下行子帧内，在与所述UpPCH相应的快速物理接入指示信道FPACH，发送携带用于修正RTT的时间偏差的定时消息，执行随机接入过程。

优选地，所述基站中各单元采用频分双工FDD，基于上行子帧进行上行数据传输，同时基于下行子帧进行下行数据传输；所述上行子帧包括用于上行同步的上行链路导频时隙UpPTS和用于传输上行用户数据的上行业务时隙，所述下行子帧包括用于下行同步的下行链路导频时隙DwPTS和用传输下行用户数据的下行业务时隙。

优选地，所述基站中各单元所基于的上行子帧和下行子帧的起始点在时间上绝对对齐。

优选地，该基站还包括：时延广播单元，用于将小区的至少一个中心时延及与每个中心时延对应的SYNC_UL码组广播给小区内终端；时延估计单元，用于在上行子帧收到SYNC_UL时，根据收到的SYNC_UL所属的码组所对应的中心时延，确定终端与所述基站的传播时延。

优选地，该基站还包括：调度单元，用于根据确定的终端与所述基站的传播时延，对快速物理接入指示信道FPACH上发送的定时消息所用资源进行调度，避免物理随机接入信道PRACH上资源发生碰撞。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

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。

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。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。