NTN卫星通信中定时提前命令支持滞后指示的方法及设备与流程

本发明涉及通信，特别涉及ntn卫星通信中定时提前命令支持滞后指示的方法及设备。

背景技术：

1、非地面网络（non-terrestrial networks，ntn）是3gpp在release 17阶段引入的卫星通信技术，旨在将5g nr空口协议扩展至卫星、高空平台（haps）等非地面通信场景，实现天地一体化融合通信。ntn能够为海洋、沙漠、航空等地面网络盲区提供通信覆盖，是5gadvanced及未来6g网络架构的重要组成部分。3gpp为ntn定义了完整的频段体系，涵盖fr1sub-6ghz频段（n255、n256等）和fr2毫米波频段（n510、n511等），支持透明转发和再生转发两种架构。与地面5g蜂窝系统相比，ntn面临的核心挑战包括：超长传播时延（leo卫星单向时延4~12ms，geo可达270ms以上）、大多普勒频移（leo @2ghz可达±50khz，远高于地面5g的±0.1khz）、快速移动性（leo每3~10分钟需切换一次）以及星历误差等问题。

2、定时提前（timing advance，ta）机制是蜂窝通信系统保证上行同步的核心技术。在地面5g nr系统中，用户设备（ue）根据接收到的下行同步信号估计定时偏移，基站通过随机接入响应（random access response，rar）中的ta命令告知ue所需的定时提前量，ue据此提前发送上行数据，确保不同ue的上行信号在基站接收窗口内对齐。

3、3gpp在r17中针对ntn场景对ta机制进行了增强，引入了分离式定时提前架构。该架构通过三个时间参数协同实现时延补偿：

4、（1）common ta（公共定时提前）：gnb通过sib19广播ta-common参数，代表参考点（reference point，rp）至卫星有效载荷的往返时延；

5、（2）ue自主计算：ue利用gnss获取自身位置，结合sib19广播的星历数据（ephemerisinfo，支持状态向量和kepler轨道根数两种格式）计算服务链路的精确几何距离，转换为ue-specific的定时提前分量；

6、（3）k_offset偏移量：配置的调度偏移量，用于为ue预留足够的上下行信号处理时间。

7、现有地面5g nr的mac rar（随机接入响应）中，ta命令字段为12比特（无符号，0~3846），最大ta约2.5ms；lte为11比特。ntn下残余误差需双向调整，现有无符号编码无法支持负向修正。

8、综上，现有技术存在的缺陷表现在以下几个方面：

9、缺陷 1：现有rar ta命令仅支持指示定时提前，无法补偿过补偿导致的定时滞后。

10、在ntn场景中，ue基于星历自主计算定时提前量后，卫星的星历误差（ephemeriserror）可能导致ue计算的定时补偿量与实际需要的补偿量存在偏差。当ue高估了卫星与终端之间的距离时，其计算的定时提前量偏大，导致ue实际上将上行发送时间提前得太多（即发送偏早），从而使prach前导码或pusch数据到达卫星接收机时早于理想时刻（即发生了过补偿，需要定时滞后修正）。现有技术中，rar ta命令始终为正，仅能指示ue进一步提前发送，无法修正这一过补偿场景下的定时滞后问题。

11、缺陷 2：现有ta命令字段的12比特无符号编码不适配ntn双向时延调整需求。

12、地面5g nr的12比特ta命令字段（无符号整数，取值范围0~3846）所能覆盖的最大定时提前量约为2.5ms。虽然3gpp r17通过common ta + ue-specific计算的分架构缓解了ntn超长时延问题，但mac rar中的ta命令字段为无符号编码，仅能指示正向定时提前，无法指示负向定时滞后（即让ue延后发送）。在ntn中，星历误差可能导致ue过补偿（发送偏早），此时网络需要指示ue进行负向调整（定时滞后），现有无符号编码无法满足这一双向调整需求。

13、mac rar 指的是 mac random access response（mac随机接入响应），它是随机接入过程中基站（gnb）回复给终端（ue）的关键消息（即 msg2）

14、缺陷 3：星历误差导致ntn随机接入成功率下降，影响用户体验和系统效率。

15、leo卫星以约7.8km/s的速度高速运行，卫星星历广播的更新周期与ue实际位置变化之间存在时间差。此外，卫星姿态偏差、大气折射等外部因素也会引入额外的定时估计误差。这些因素综合导致ue在prach发送时的定时误差可能超出卫星接收机的循环前缀（cp）容限，造成随机接入失败，增加接入时延和信令开销。

技术实现思路

1、针对现有技术中的定时提前命令不能指示定时滞后的问题，本发明的目的在于提供ntn卫星通信中定时提前命令支持滞后指示的方法及设备，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ntn卫星通信中定时提前命令支持滞后指示的方法，应用于网络侧设备，所述方法包括以下步骤：

4、接收用户设备发送的上行信号；

5、基于所述上行信号估计用户设备的定时偏差，所述定时偏差具有正负极性，为正时用于指示定时提前，为负时用于指示定时滞后；

6、将所述定时偏差通过预设编码规则映射为带有符号和偏差值的定时提前命令字段，所述符号用于表示所述定时偏差的极性，所述偏差值用于表示所述定时偏差的绝对值；

7、将所述定时提前命令字段构造扩展为定时调整命令并发送给用户设备，使得用户设备在接收到所述定时调整命令后能够解析出所述定时提前命令字段的符号和偏差值，并根据所述符号的极性对上行发送定时执行与所述偏差值对应的定时提前或定时滞后调整。

8、 在一些优选实施例中，当所述上行信号为prach前导码时，网络侧设备在rar macpdu中填充所述定时提前命令字段，并通过mac subheader+mac rar的组合结构发送给用户设备；

9、当所述上行信号为pusch或srs上行参考信号时，网络侧设备通过timing advancemac ce将所述定时调整命令发送给用户设备。

10、在一些优选实施例中，所述将所述定时偏差通过预设编码规则映射为带有符号和偏差值的定时提前命令字段，包括：

11、将所述定时提前命令字段的其中 1 比特作为符号标识位使用，其余比特作为数值位。

12、在一些优选实施例中，将所述定时偏差通过阈值差分法映射为带有符号和偏差值的定时提前命令字段，包括：

13、当所述定时提前命令字段表示的数值不超过预设阈值时，则所述符号的极性为预设极性，所述偏差值即为所述定时提前命令字段表示的数值；

14、当所述定时提前命令字段表示的数值大于预设阈值时，则所述符号的极性与预设极性相反，所述偏差值为所述定时提前命令字段表示的数值与所述预设阈值之间的差值。

15、在一些优选实施例中，网络侧设备通过测量上行信号的到达时间与理论传播时延的差值作为所述定时偏差，所述理论传播时延为上行信号在用户设备与卫星之间的传播时间。

16、第二方面，本发明还提供一种ntn卫星通信中定时提前命令支持滞后指示的方法，应用于用户设备，所述方法包括以下步骤：

17、接收卫星广播的系统信息并计算初始定时提前量；

18、将所述初始定时提前量发送给网络侧设备，以便于网络侧设备基于所述初始定时提前量估计定时偏差，并通过预设编码规则将所述定时偏差映射为带有符号和偏差值的定时提前命令字段，再将所述定时提前命令字段构造扩展为定时调整命令并发送给用户设备，其中，所述定时偏差具有正负极性，为正时用于指示定时提前，为负时用于指示定时滞后；

19、接收所述定时调整命令，并通过预设解码规则解析出带有符号和偏差值的定时提前命令字段，所述符号用于表示所述定时偏差的极性，所述偏差值用于表示所述定时偏差的绝对值；

20、根据所述符号的极性对上行发送定时执行与所述偏差值对应的定时提前或定时滞后调整。

21、在一些优选实施例中，所述接收卫星广播的系统信息并计算初始定时提前量的步骤包括：

22、用户设备接收sib19获取公共定时提前参数和卫星星历数据；

23、用户设备根据所述卫星星历数据计算卫星的位置；

24、用户设备利用gnss模块获取自身地理坐标，并根据所述自身地理坐标和所述卫星的位置计算用户设备与卫星之间的几何距离d；

25、用户设备将所述几何距离d转换为光速传播时延τ，τ=d/c，c为光速；

26、用户设备计算初始定时提前量t_ue，t_ue=τ-τ_rp，τ_rp为参考点rp对应的commonta时延。

27、第三方面，本发明还提供一种网络侧设备，包括：

28、上行接收模块，用于接收用户设备发送的上行信号；

29、定时偏差估计模块，用于根据所述上行信号估计用户设备的定时偏差，所述定时偏差具有正负极性，为正时用于指示定时提前，为负时用于指示定时滞后；

30、定时提前命令生成模块，用于将所述定时偏差通过预设编码规则映射为带有符号和偏差值的定时提前命令字段，所述符号用于表示所述定时偏差的极性，所述偏差值用于表示所述定时偏差的绝对值；

31、以及发送模块，用于将所述定时提前命令字段构造扩展为定时调整命令并发送给用户设备，使得用户设备在接收到所述定时调整命令后能够解析出所述定时提前命令字段的符号和偏差值，并根据所述符号的极性对上行发送定时执行与所述偏差值对应的定时提前或定时滞后调整。

32、第四方面，本发明还提供一种用户设备，包括：

33、卫星星历接收模块，用于接收卫星广播的卫星星历信息；

34、初始定时计算模块，用于结合所述卫星星历信息和自身gnss定位数据计算用户设备到卫星的几何距离，并据此计算初始定时提前量；

35、上行发送模块，用于按所述初始定时提前量发送上行信号，以便于网络侧设备接收到所述上行信号后基于所述初始定时提前量估计定时偏差，并通过预设编码规则将所述定时偏差映射为带有符号和偏差值的定时提前命令字段，再将所述定时提前命令字段构造扩展为定时调整命令并发送给用户设备，其中，所述定时偏差具有正负极性，为正时用于指示定时提前，为负时用于指示定时滞后；

36、解析模块，用于接收定时调整命令并解析出带有符号和偏差值的定时提前命令字段，所述符号用于表示所述定时偏差的极性，所述偏差值用于表示所述定时偏差的绝对值；

37、以及定时调整模块，用于根据所述符号的极性对上行发送定时执行与所述偏差值对应的定时提前或定时滞后调整。

38、第五方面，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，所述计算机程序被处理器运行时执行如上所述的方法。

39、采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

40、1.有效解决ntn星历误差导致的prach过补偿问题，提升随机接入成功率。

41、在ntn卫星通信场景中，ue基于星历自主计算定时提前量，但星历误差、卫星姿态偏差、大气折射等因素会导致计算值与实际值存在偏差。当ue计算的定时提前量过大时，ue发送偏早（过补偿），prach前导码到达卫星时刻早于理想时刻。现有技术中rar ta仅能指示提前，无法修正此类过补偿问题。本发明通过扩展rar ta命令支持同时指示提前和滞后（负向调整），使gnb能够根据实际测量的定时偏差向ue下发负向ta命令（定时滞后），从而精确修正过补偿，使ue的prach发送时刻准确落入卫星接收机的cp窗口内，显著提升随机接入成功率。

42、2.扩展编码方案简单灵活，兼容现有协议结构，改动成本低。

43、本发明提供了两种编码扩展方案以适配不同的部署需求。方案a（符号位复用）复用rar中reserved bit（即保留比特）作为符号位，11bit数值+1bit符号=12bit有符号ta命令，改动最小；方案b（阈值差分编码）完全复用现有12比特字段，设定th=512，值≤512表示提前（值×tc），值>512表示滞后（值-512）×tc，对mac层结构无任何改动。两种方案均支持向后兼容，不支持新编码的legacy ue可继续按原有规则解读为纯提前值。此外，扩展后的有符号ta命令同样适用于连接态的timing advance mac ce，实现ntn全生命周期内上行定时的双向精细调整。

44、3.与3gpp r17 ntn分离式定时提前架构无缝融合，增强整体定时同步精度。

45、3gpp r17引入的分离式定时提前架构（common ta + ue-specific计算 + k_offset/k_mac偏移）为ntn提供了基础定时同步能力。本发明在该架构基础上，进一步通过rar层面的有符号ta命令对ue自主预补偿后的残余定时误差进行网络侧修正。这一预补偿+网络精细校正的两级架构与3gpp标准的设计哲学高度一致，既利用了ue侧星历辅助的即时预补偿优势，又保留了网络侧基于实测偏差的精确调整能力，形成优势互补，显著提升ntn场景下的整体定时同步精度。

46、4.本发明通过扩展rar ta命令支持有符号定时调整，不引入新的安全风险。定时调整命令由gnb基于物理层接收测量生成，攻击者无法伪造有效的定时偏差信息。ue对rar中ta命令的解释遵循协议预定义的编码规则，不存在因解析歧义导致的安全漏洞。此外，本发明对mac层以上的安全机制（pdcp加密、完整性保护等）无任何影响，安全通信的前提条件保持不变。