一种基于4G/5G频谱搬移的航空宽带通信方法

一种基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，具体为一种基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法。


背景技术：

2.随着民航运输量的快速增长，民航通信业务量也迅速增长，为了适配发展迅速的航空业务，国际民航组织(icao)在发布了第6版全球空中航行计划(ganp)，明确提出了现代空中航行系统的具体实施路线——航空系统组块升级(asbu)。其中指出，未来航空通信技术的路线图包含机场aeromacs、航路ldacs以及海事卫星等下一代卫星通信的宽带通信新技术。
3.目前实际应用的航空通信技术还停留在窄带通信时代，现有航空移动通信设备均需要升级，尽管当前市面上发布的终端能力越来越强，支持的频段也越来越多，但是4g/5g/无线局域网(rlan)设备，甚至6g技术，均无法直接工作在航空频段，而且有一些特殊的频段不在3gpp的标准范畴内，或者某些频段3gpp规定使用fdd系统，而实际上使用的是tdd系统。而由于通信产业链的现状，往往会出现无线接入网侧的设备可以支持，而没有可用的终端，或者终端需要非常高昂的价格进行系统定制的情况。这大大限制了现有航空移动通信网络的设备升级，影响了民航通信的发展。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出了一种基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法，实现低成本地对闲置频段的利用，消除终端能力不足或者无相应的无线接入设备的限制。
5.所述的基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法，具体步骤如下：
6.步骤一，构建包括无线接入设备、搬频模块和无线终端的4g/5g频谱搬移通信装置，进行上下行信号搬频；
7.所述无线接入设备和无线终端分别连接搬频模块，并通过搬频模块实现无线信号在上下行链路的传输。
8.无线接入设备应用的系统分为fdd系统和tdd系统。
9.搬频模块包括同步与帧格式检测模块、射频收发信机和本地时钟模块。
10.同步与帧格式检测模块分为同步检测模块和帧格式检测模块，用于接收下行信号的同步信号；
11.本地时钟模块和同步与帧格式检测模块进行交互，对同步信号进行同步捕获校准和保持追踪。
12.射频收发信机在本地时钟模块的控制下对接收的信号进行放大，并发送处理过后的信号。
13.步骤二，无线接入设备发射下行信号，同时将预留的下行信号的同步信号发射给搬频模块的同步与帧格式检测模块进行检测；
14.步骤三、判断无线接入设备应用的系统是fdd系统还是tdd系统，如果是fdd系统，
进入步骤四，否则，进入步骤五；
15.步骤四、下行信号和同步信号通过同步检测模块后，得到上行信号传输给射频收发信机，经放大传输给无线终端，完成上下行信号搬频；
16.步骤五、同步信号通过帧格式检测模块，完成主辅同步信号pss和sss时间的精确同步；
17.具体过程为：
18.首先，对同步信号一个系统帧的前后半帧进行自相关检测，找到主同步信号pss的位置。
19.然后，基于已经检测出主同步信号pss的位置，在辅同步信号sss可能出现的点上进行检测，检测出辅同步信号sss位置；
20.最后，基于主同步信号pss和辅同步信号sss的时域位置间隔固定，完成时间的精确同步。
21.步骤六、帧格式检测模块进一步判断时间同步后的信号中无线帧的边界，保持边界对齐，利用循环前缀cp对主辅同步信号pss和sss进行时频纠偏；
22.信号的频率偏移分为整数倍的频率偏移(ifo)和小数倍的频率偏移(ffo)以及残留频偏。
23.①
整数倍的频率偏移(ifo)
24.利用主同步信号pss进行整数倍频偏估计，假设接收信号为r(n)，则其相关函数为
[0025][0026]
其中，d表示定时指针，n表示ofdm符号的子载波数目，l为cp长度；
[0027]
则整数倍频偏估计为：
[0028][0029]dml
为多个ofdm符号对循环前缀进行滑动相关计算后取得最大峰值的点，该点为ofdm符号的起始点。
[0030]
②
小数倍的频率偏移(ffo)
[0031]
将pss信号p(n)分为前后两段，和本地无偏差的pss信号s(n)做共轭相乘，得到两段新序列，即小数倍频偏：
[0032][0033]
③
残留频偏
[0034]
训练本地时钟，用锁相环进行残留频偏的调整和训练。
[0035]
步骤七，同时对下行信号进行解调，得到tdd系统下的上下行时间分配，确定帧格式，判决出上下行信号的边界，并保持；
[0036]
步骤八，利用时频纠偏的同步信号和上下行信号的边界，进行射频收发信机的下行信号发送和上行信号接收的准确开关，在tdd系统下工作时，通过本地时钟控制上下行时间；同时能通过本地时钟控制收发信息，达到时分复用的形式，使应用fdd系统的无线接入
设备转为tdd系统，且和另外一个tdd系统完成通信。
[0037]
步骤九，上述信号传输过程持续进行，确保系统的稳定性以及在系统发生改变时能够进行及时地调整。
[0038]
本发明的优点在于：
[0039]
1.本发明中提出的基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法，通过构建的4g/5g频谱搬移通信装置，将无线接入设备发送的信号进行上搬频，并且在接收端将信号下搬频，实现了在不改变现有设备的情况下，在任意频段进行通信。
[0040]
2.本发明基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法，使用本地时钟模块训练同步，用时钟控制射频发射机的信号收发，对于频分复用(fdd)系统，可以将其转换成时分复用(tdd)系统进行信号传输。
附图说明
[0041]
图1为本发明4g/5g频谱搬移通信装置的工作原理示意图；
[0042]
图2为本发明4g/5g频谱搬移通信装置的模块构成和交互示意图；
[0043]
图3为本发明基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法的工作流程图；
[0044]
图4为本发明实施例的发射机端的工作流程图；
[0045]
图5为本发明实施例的接收机端的工作流程图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0047]
本发明所提出的基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法，其原理如图1所示，不对无线接入设备或者无线终端进行修改，通过搬频的方式把无线接入设备和无线终端的工作频段转换到想使用的频段，然后再对信号进行放大，发送到空口进行传输。
[0048]
所构建的基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信装置，如图2所示，包括无线接入设备、搬频模块和无线终端；无线接入设备和无线终端之间通过搬频模块实现上下行链路的信号传输。
[0049]
无线接入设备应用的系统分为fdd系统和tdd系统。
[0050]
搬频模块包括本地时钟模块、同步与帧格式检测模块和射频收发信机模块。同步与帧格式检测模块分为同步检测模块和帧格式检测模块。
[0051]
同步与帧格式检测模块：将无线接入设备的信号接入，并且判断无线接入设备是tdd还是fdd系统。将信号从初始频率迁移到所需频率的搬频过程需要进行双向的转换，如果是频分复用(fdd)系统，直接进行上下行的搬频即可。如果使用时分复用(tdd)系统，考虑到在射频收发信机进行下行信号发射和上行信号接收之间要进行准确的切换，并且确保上下行之间有一定的保护间隔。针对tdd需要一个很好的同步机制，同步与帧格式检测模块需要对无线接入设备进行同步信号检测。通过对无线接入设备发送的下行信号的同步信号进行检测，判断出无线帧起始边界，然后对基本系统信息进行解调获取帧格式的定义，也即是判断出下行和上行信号的边界，从而确定对射频收发信机进行准确的上下行信号的切换。
[0052]
本地时钟模块：用来保持与无线接入设备的同步过程，保持与tdd系统的上下行格式同步。该模块需要和同步与帧格式检测模块进行交互，对无线接入设备的信号进行同步
捕获校准和保持追踪。另外一个作用就是控制射频发射机模块的收发，以此实现fdd系统和tdd系统的互相转换。
[0053]
射频收发信机模块：在同步时钟的控制下发送搬频过后的信号，经过放大后进行传输。
[0054]
整个装置的数据传输路线如下：
[0055]
发射机端：如果是fdd系统，信号从无线接入端接收后，直接进行搬频，然后信号从射频发射模块发出。如果是tdd系统，信号从无线接入端接收后，信号同时进行两个操作，一是对信号进行搬频，二是进入同步检测模块对信号进行时频同步，然后训练本地时钟，这两个操作完成后，本地时钟根据tdd信号通过时频同步得到的时隙格式控制射频模块进行发送。
[0056]
接收机端：如果是fdd系统，信号从空口接收后，直接进行搬频后发送给无线终端。如果是tdd系统信号从无线接入端接收后，信号同时进行两个操作，一是对信号进行搬频，二是进入同步检测模块对信号进行时频同步，然后训练本地时钟，这两个操作完成后，本地时钟根据tdd信号通过时频同步得到的时隙格式控制搬频过后的信号发送给无线终端。
[0057]
利用上述的基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信装置进行航空宽带通信的方法，如图3所示，具体为：
[0058]
步骤一，无线接入设备发射下行信号，同时将预留的下行信号的同步信号发射给同步检测模块进行检测，若检测得到无线接入设备应用的是fdd系统，则下行信号通过搬频后，将得到的上行信号通过馈线直接传输给射频收发信机模块，经射频收发信机模块放大后，传输给无线终端，无线终端从空口接收上行信号，完成上下行信号搬频；若检测得到无线接入设备应用的是tdd系统，则将同步信号进一步传输给帧格式检测模块。
[0059]
步骤二，帧格式检测模块对同步信号进行检测，完成主辅同步信号pss和sss时间的精确同步；
[0060]
同步信号检测的具体过程为：
[0061]
首先，对同步信号一个系统帧的前后半帧进行自相关检测，因为pss是周期发送的，而且pss在不同周期内内容相同且位置相同，通过自相关检测找到pss的位置。
[0062]
然后，由于pss和sss的位置固定，基于已经检测出pss的位置，在sss可能出现的点上进行检测，检测出sss位置；
[0063]
最后，基于pss和sss的时域位置间隔固定，完成时间的精确同步。
[0064]
步骤三，对完成时间精确同步的同步信号，帧格式检测模块进一步判断同步信号的无线帧的系统帧边界，并保持边界对齐，利用循环前缀(cp)对主同步信号(pss)和辅同步信号(sss)进行时频纠偏；
[0065]
信号的频率偏移分为整数倍的频率偏移(ifo)和小数倍的频率偏移(ffo)以及残留频偏。
[0066]
cp是取一个ofdm符号的末尾一段加到符号前，具有良好的自相关性，利用许多个ofdm符号对循环前缀进行滑动相关计算，取得最大峰值的点就是一个ofdm符号的起始点，记为d
ml
，再利用最大似然算法，完成系统的符号时间粗同步和频域的小数倍频偏同步。
[0067]
①
整数倍的频率偏移(ifo)
[0068]
假设接收信号为r(n)，则其相关函数为
[0069][0070]
则整数倍频偏估计为：
[0071][0072]
②
小数倍的频率偏移(ffo)
[0073]
利用pss来进行整数倍频偏估计，将接收到的pss信号p(n)分为前后两段，和本地无偏差的pss信号s(n)做共轭相乘，得到两段新序列，之后得到小数倍频偏，即
[0074][0075]
③
残留频偏
[0076]
在实际情况下，ffo和ifo估计完成后，仍存在一些频偏，此时需要训练本地时钟，用锁相环来进行频偏调整和训练。
[0077]
步骤四，同时对下行信号进行解调，读取带宽中间的pbch(physical broadcast channel，物理广播信道)，得到phich(physical hybrid arq indicator channel，物理harq指示信道)和带宽信息，进而根据这些信息解调得到系统信息块(sib)，得到tdd系统下的上下行时间分配，确定帧格式，判决出上下行信号的边界，并保持；
[0078]
步骤五，利用时频纠偏的同步信号和上下行信号的边界，进行射频收发信机的下行信号发送和上行信号接收的准确开关，在tdd系统下工作时，通过本地时钟控制上下行时间；同时能通过本地时钟控制收发信息，达到时分复用的形式，使应用fdd系统的无线接入设备转为tdd系统，且和另外一个tdd系统完成通信。
[0079]
fdd系统和tdd系统互相转换的方法，具体如下：
[0080]
fdd系统转tdd系统：
[0081]
fdd系统使用两个不同的频段发送和接收数据，将fdd系统转换成tdd系统需要将两个频段搬移到一个频段上，且保证该频段带宽是原来频段带宽的两倍以保证数据传输速率不改变。之后设定发送和接收数据的时间比，再设置数据缓存区用来缓存数据。例如当原fdd系统收到传来的需要接收的数据，此时原系统转换成的tdd系统处于发送时间段内，那么本装置就将接收的数据进行缓存，等到tdd系统处于接收时间内再从缓存区去处理数据。
[0082]
tdd系统转fdd系统：
[0083]
tdd系统在不同的时间段内发送和接收数据，将tdd系统转换成fdd系统需要在接收时将系统搬移到一个频段工作，在发送时将系统搬移到另一个频段工作。
[0084]
为了确保搬频模块能够正常的工作，需要搬频模块跟无线接入设备进行时频域同步；搬频模块对无线接入设备发送过来的同步信号进行检测，持续对本地时钟进行时频域纠偏，确保整个系统的同步。
[0085]
步骤六，上述信号传输过程持续进行，确保系统的稳定性以及在系统发生改变时能够进行及时地调整。
[0086]
本发明中系统比较简洁，只需要按照标准的信号接收过程进行处理就行，对无线系统本身的同步以及广播信道进行解析。
[0087]
下面通过实施例对技术方案进行进一步说明。
[0088]
实施例
[0089]
该实施例是在工作频段上发送自定义的时频域同步以及时隙切换的信号。首先无线接入设备需要预留带宽用于时频域同步与切换信号发射的时频域资源，以一个无线帧长度为周期进行周期性播放。搬频模块开机后以一个无线帧为单位周期性检测这个信号。
[0090]
如图4所示，无线接入设备的信号发射过程处理如下：
[0091]
步骤1，系统启动后初始化需要预留的时频域资源，按照10毫秒的间隔周期性分配；
[0092]
步骤2，设备进行正常的基带与射频处理；
[0093]
步骤3，射频处理完后插入需要发送的同步信号，完成信号发射，返回步骤1进行下一次的信号发射过程。
[0094]
插入的同步信号紧邻循环前缀，在循环前缀后边，其形式是4个长度为n的同步序列，前两个同步序列相同，后两个同步序列与前两个符号相反。同步信号的内容之中包含了信号的时隙格式和其他系统信息。
[0095]
终端接收过程，跟总体的处理流程是相似的，但是由于插入的时频域同步信号里面已经携带了帧格式，因此不需要进一步对下行的信号进行解调，只需要通过连续的同步信号检测就可以知道一个无线帧的上下行配比，帧的边界，实现起来比较简单。
[0096]
如图5所示，终端的具体处理过程如下：
[0097]
步骤1接收无线接入设备的下行信号，处于设备端的搬频模块通过馈线从无线接入设备接收下行的信号，而对于无线终端，则从空口接收下行信号；
[0098]
步骤2无线接入设备和无线终端对同步信号进行检测，在检测插入的同步信号的时候，其具体方法和检查sss和pss信号类似，由于插入的同步信号4个部分只存在符号差别，利用自相关检测，可以准确的得知同步信号的起始位置。
[0099]
步骤3为了让系统能够稳定可靠的工作，需要进行时频域纠偏，并持续的训练本地时钟。
[0100]
信号同步方法如下：
[0101]
步骤301假设r(n)表示接收的时域信号，可以设函数
[0102][0103]
其中r(m)是相隔n点的采样相关函数和，再设函数表示同步信号半部分的能量和。
[0104]
则定时函数为当g(m)取得最大值时，对应的m就是最佳定时同步。
[0105]
步骤302在求频率偏移时，可知r
*
(n-d)r(n-d+n)其中用发射信号s(n)来表示r(n)，可知r(n)＝s(n-d)e
jnf
，带入上个式子可以得到
[0106]s*
(n-d)e-j(n-d)f
s(n-d+n)e
j(n-d+n)f
＝|s(n-d)|2e
jnf
[0107]
其中f是频率偏移，
[0108]
在步骤301中求得了r(m)，则系统的频域偏移为θ＝arg[r(m)]。
[0109]
步骤303在实际情况下，系统仍存在一些频偏，此时需要训练本地时钟，用锁相环来进行频偏调整和训练。
[0110]
步骤4确定同步信号和上下行信号的边界后，则可以对射频收发信机的下行信号发送和上行信号接收的准确开关，在tdd系统下工作时，需要用本地时钟控制上下行时间；在希望用本装置将fdd系统转为tdd系统，且和另外一个tdd系统通信时，同样需要用本地时钟来控制收发信息以达到时分复用的形式。
[0111]
步骤5上述过程持续进行，确保系统的稳定性以及在系统发生改变时能够进行及时地调整。