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TWI870080B - 時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台 - Google Patents

時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台 Download PDF

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TWI870080B
TWI870080B TW112141300A TW112141300A TWI870080B TW I870080 B TWI870080 B TW I870080B TW 112141300 A TW112141300 A TW 112141300A TW 112141300 A TW112141300 A TW 112141300A TW I870080 B TWI870080 B TW I870080B
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林佑恩
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種時間偏移量測方法，適用於非地面網路（Non-Terrestrial Network，NTN），包括：透過使用者裝置分別聽取第一下行訊號、第二下行訊號以取得第一接收時間、第二接收時間，其中第一下行訊號以及第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中第二接收時間減去第一接收時間再減去已知間隔時間為接收時間差變化量；以已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一取樣時間及對應的每一衛星移動時間變化量產生衛星移動函數；透過衛星移動函數以接收時間差變化量計算出對應的取樣時間以作為下行訊號接收時間；根據星曆資料取得於第二接收時間時使用者裝置與衛星之間的當前距離，以當前距離作為衛星距離函數的接收距離以計算出對應的取樣時間以作為星曆廣播時間；以及計算廣播時間偏移量，其中廣播時間偏移量為下行訊號接收時間加上已知間隔時間再減去所述星曆廣播時間。

Description

時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台
本發明是有關於一種量測方法，且特別是有關於一種星曆資料的廣播時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台。
近年隨著國際衛星業者投入大量資金與成本降低，帶動太空產業的新契機，非地面網路（Non-Terrestrial Network，NTN）是目前的網路發展趨勢。NTN使用衛星或高空平台向沒有地面網路覆蓋的偏遠地區提供安全、可靠和高頻寬的連接。確保終端設備能夠支援5G NR（New Radio）和物聯（IoT）標準是建構NTN的關鍵步驟，這將便於在郊區為企業和個人提供無所不在的行動連接。
然而，由於近地（Low Earth Orbit，LEO）衛星（satellite）以7.7公里/秒的速度沿固定軌道飛行，加上網路傳播延遲與都卜勒效應造成的頻偏影響，衛星控制中心傳送至基地台的星曆資料可能與衛星實際的位置及狀態不同步，使用者裝置收到的星曆推算結果可能與當下感受到的衛星通道狀態不同，造成傳播誤差。
造成傳播誤差的原因可能是各NTN網路元件間的時間同步、事件觸發未做好，或者各NTN網路元件間的傳輸網路的傳輸時間為變量，也可能是各NTN網路元件本身的信號處理時間為變量。因此，如何量測NTN傳輸的偏移量來對部份NTN網路元件進行補償校正，實為亟欲解決的問題。
本發明提供一種時間偏移量測方法，適用於非地面網路（Non-Terrestrial Network，NTN），包括：透過使用者裝置分別聽取第一下行訊號、第二下行訊號以取得第一接收時間、第二接收時間，其中第一下行訊號以及第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中第二接收時間減去第一接收時間再減去已知間隔時間為接收時間差變化量；以已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一取樣時間及對應的每一衛星移動時間變化量產生衛星移動函數；透過衛星移動函數以接收時間差變化量計算出對應的取樣時間以作為下行訊號接收時間；根據星曆資料取得於第二接收時間時使用者裝置與衛星之間的當前距離，以當前距離作為衛星距離函數的接收距離以計算出對應的取樣時間以作為星曆廣播時間；以及計算廣播時間偏移量，其中廣播時間偏移量為下行訊號接收時間加上已知間隔時間再減去所述星曆廣播時間。
本發明還提供一種使用者裝置，包括記憶體、網路介面以及處理器。網路介面連接非地面網路以及衛星通道模擬裝置，用以聽取第一下行訊號以及第二下行訊號以及接收廣播時間偏移量。處理器耦接記憶體和網路介面，用以執行：取得網路介面接收到第一下行訊號的第一接收時間，並取得網路介面接收到第二下行訊號的第二接收時間，其中第一下行訊號以及第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中第二接收時間減去第一接收時間再減去已知間隔時間為接收時間差變化量；將第一接收時間、第二接收時間以及接收時間差變化量透過網路介面傳送至衛星通道模擬裝置；透過網路介面自所述衛星通道模擬裝置接收廣播時間偏移量；以及根據星曆資料推算衛星位置並基於所述廣播時間偏移量以決定上行定時提前或者延後時間。
本發明還提供一種衛星通道模擬裝置，包括記憶體、網路介面以及處理器。記憶體用以儲存星曆資料。網路介面連接非地面網路基地台（Next Generation Node B，gNB）以及使用者裝置，用以自使用者裝置接收第一接收時間、第二接收時間以及接收時間差變化量，並且將廣播時間偏移量傳送自非地面網路基地台以及使用者裝置，其中第一接收時間為使用者裝置聽取第一下行訊號以取得接收到第一下行訊號的時間，第二接收時間為使用者裝置聽取第二下行訊號以取得接收到第二下行訊號的時間，其中所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中接收時間差變化量為第二接收時間減去第一接收時間再減去已知間隔時間。處理器耦接記憶體和網路介面，用以執行：以已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一多個取樣時間及對應的每一衛星移動時間變化量產生衛星移動函數；透過衛星移動函數以接收時間差變化量計算出對應的取樣時間以作為下行訊號接收時間；根據星曆資料取得於第二接收時間時使用者裝置與所述衛星之間的當前距離，以當前距離作為衛星距離函數的所述接收距離以計算出對應的取樣時間以作為星曆廣播時間；以及計算廣播時間偏移量，其中廣播時間偏移量為下行訊號接收時間加上已知間隔時間再減去星曆廣播時間。
本發明還提供一種基地台，適用於非地面網路，包括：記憶體、網路介面以及處理器。網路介面連接使用者裝置以及衛星通道模擬裝置，用以自衛星通道模擬裝置接收廣播時間偏移量以及星曆資料。處理器耦接記憶體和網路介面，用以取得廣播時間偏移量以及星曆資料，並將星曆資料中的時間戳記往後調廣播時間偏移量以產生調整後星曆資料。
基於上述，本發明所提供的星曆資料的廣播時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台可透過聽取兩下行訊號時接收到兩下行訊號的兩接收時間判斷衛星是朝愈來愈遠離或愈來愈靠近使用者裝置的方向飛行，並透過使用者裝置與衛星之間的距離產生衛星距離函數，透過衛星距離函數產生衛星移動函數，運用衛星距離函數以及衛星移動函數推斷出從衛星控制中心所廣播的星曆資料中所取得的衛星位置與實際衛星位置的差距，據以計算出補償的偏移量。透過計算出的偏移量來對部份NTN網路元件進行補償校正。因此，本發明所提供的星曆資料的廣播時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台可使衛星控制中心傳送至基地台的星曆資料突破網路傳播延遲並大幅下降因都卜勒效應造成的頻偏影響，讓使用者裝置收到的星曆推算結果與當下感受到的衛星通道狀態同步。
圖1是目前非地面網路（Non-Terrestrial Networks，NTN）通訊的示意圖。簡單來說，使用者裝置11（例如是NTN使用者裝置）是透過近地衛星（LEO Satellite）12與NTN閘道器13進行通訊。但目前許多網路通訊業者並沒有自己的衛星，而是透過與衛星業者合作來實現非地面網路通訊。如圖1所示，網路通訊業者具有NTN基地台（Next Generation Node B，gNB）14，NTN基地台14網路連接到NTN閘道器13，衛星業者具有衛星控制中心15，衛星控制中心15連接到衛星12，用以追蹤衛星12的位置以及狀態。而衛星控制中心15透過傳輸網路（Transport Network）、5G核心網路或下世代核心網路將關於衛星12的星曆資料傳送至NTN基地台14。
由於衛星12以高速度沿固定軌道飛行，加上網路傳播延遲與都卜勒效應造成的頻偏，衛星控制中心15傳送至NTN基地台14的星曆資料可能與衛星12實際的位置及狀態不同步。因此，可建構一個非地面網路模擬系統來模擬圖1所示的非地面網路通訊架構，透過這樣的非地面網路模擬系統來量測NTN傳輸的偏移量，基於偏移量對部份NTN網路元件進行補償校正。
圖2是依照本發明一實施例的一種非地面網路模擬系統2的示意圖。請參照圖2，非地面網路模擬系統2包括使用者裝置11、NTN基地台14、衛星控制中心15以及衛星通道模擬裝置21。
使用者裝置11可為適用於NTN的使用者裝置（例如手機），也可以是使用者裝置模擬器。
衛星通道模擬裝置21用以模擬圖1中所示的使用者裝置11與衛星12之間的服務鏈接（service link）和NTN閘道器13與衛星12之間的饋線鏈接（feeder link）。衛星控制中心15會將星曆資料傳送至NTN基地台14，且也會將星曆資料傳送至衛星通道模擬裝置21，用以使得衛星通道模擬裝置21能模擬圖1中所示的衛星12的位置以及狀態。
圖3是依照本發明一實施例所繪示的一種時間偏移量測方法3的流程圖。圖3所示的時間偏移量測方法3的流程可參考圖2的非地面網路模擬系統2。詳細來說，時間偏移量測方法3適用於非地面網路（Non-Terrestrial Network，NTN），當基地台廣播的星曆資料與實際的衛星位置不同步時，可藉由非地面網路模擬系統2執行時間偏移量測方法3以產生星曆廣播時間偏移量來補償傳播不同步所造成的誤差。
請同時參照圖2以及圖3，時間偏移量測方法3包括步驟S302、S304、S306、S308、S310、S312以及S314。
於步驟S302中，透過使用者裝置11聽取來自衛星12的第一下行訊號以取得接收到第一下行訊號的第一接收時間，並聽取來自衛星12的第二下行訊號以取得接收到第二下行訊號的第二接收時間，其中第一下行訊號以及第二下行訊號為已知間隔時間P的訊號。其中第二接收時間減去第一接收時間再減去已知間隔時間P為接收時間差變化量t delta（圖中未示）。
圖4是依照圖3的步驟S302所繪示取得第一接收時間t 1以及第二接收時間t 2的示意圖。首先，當衛星12在位置P 1時，衛星12與使用者裝置11之間的距離為距離d 1，使用者裝置11聽取來自衛星12的第一下行訊號以取得接收到第一下行訊號的第一接收時間t 1。由於衛星12是持續沿衛星軌道飛行，當衛星12在位置P 2時，衛星12與使用者裝置11之間的距離為距離d 2，使用者裝置11聽取來自衛星12的第二下行訊號以取得接收到第二下行訊號的第二接收時間t 2。
特別說明的是，當接收時間差變化量t delta為正值時，代表第二接收時間t 2大於（第一接收時間t 1＋已知間隔時間P），可判斷衛星12是朝愈來愈遠離使用者裝置11的方向飛行。反之，當接收時間差變化量t delta為負值時，代表第二接收時間t 2小於（第一接收時間t 1＋已知間隔時間P），可判斷衛星12是朝愈來愈靠近使用者裝置11的方向飛行。
使用者裝置11可任意選擇已知間隔時間P的訊號來聽取，其中已知間隔時間P可為NR系統時間，例如：SFN/Slot/Symbol/Sample，而訊號可例如是Primary Synchronization Signal（PSS）、Secondary Synchronization Signal（SSS）、synchronization signal blocks（SSB）、System Information Blocks 1（SIB1）、SIB2、SIB19、Channel State Information Reference Signal（CSI-RS）等訊號。而使用者裝置11聽取的第一下行訊號和第二下行訊號可相同也可不相同。
請再參照圖2以及圖3，於步驟S304中，取得衛星距離函數F(t)，其中衛星距離函數F(t)為多個取樣時間對應於使用者裝置與衛星之間的多個接收距離的函數。
圖5A是依照圖3的步驟S304所繪示計算在多個取樣時間時使用者裝置11與衛星12之間的多個接收距離的示意圖。於一實施例中，衛星12環繞地球51飛行的軌跡是沿著已知的衛星軌道軌跡52，由於衛星12飛行的速度很快，相對來說，使用者裝置11在短時間內會位於地球51上差不多的位置，隨著衛星12和地球51的相對位置改變，使用者裝置11在接收同一個衛星12的下行訊號時會有極限。
如圖5A所示，在衛星12從位置P 3經位置P 4飛行到位置P 5的路徑53中，使用者裝置11能接收到衛星12的下行訊號，但當衛星12在路徑53以外的位置時，使用者裝置11便無法接收到衛星12的下行訊號。因此，可確認使用者裝置11能自衛星12接收到第一下行訊號以及第二下行訊號的總時長，即衛星12從位置P 3經位置P 4飛行到位置P 5的路徑53的總時長（例如3分鐘）。於總時長內的多個取樣時間取得於衛星12在已知衛星軌道軌跡52上的多個衛星座標。其中，衛星軌道軌跡52可透過其他管道（例如網路預先下載）得知。接著，根據每一衛星座標計算在每一取樣時間時使用者裝置11與衛星12之間的接收距離以產生衛星距離函數F(t)。
倘若使用者裝置11無法得知衛星軌道軌跡52時，則使用衛星控制中心15所提供的星曆資料來取得衛星座標以取得使用者裝置11與衛星12之間的距離以產生衛星距離函數F(t)。於一實施例中，根據星曆資料中的時間戳記與衛星位置資料，於總時長內的多個取樣時間取得於衛星12的多個衛星座標。接著，根據每一衛星座標計算在每一取樣時間時使用者裝置11與衛星12之間的接收距離以產生衛星距離函數F(t)。以下將透過圖5B說明。
圖5B是依照本發明一實施例的一種非地面網路模擬系統2所繪示之取樣時間與接收距離的曲線圖。請同時參照圖5A、5B。由於在衛星12從位置P 3經位置P 4飛行到位置P 5的路徑53中，使用者裝置11才能接收到衛星12的下行訊號，因此會從衛星12在位置P 3的時候開始計算使用者裝置11到衛星12之間的距離。在衛星12沿著路徑53從位置P 3經位置P 4飛行到位置P 5的過程中，於多個取樣時間依序計算使用者裝置11到衛星12之間的距離，直到衛星12在位置P 5的時候停止計算。
當衛星12在位置P 3時，衛星12與使用者裝置11之間的距離為距離d 3，當衛星12在位置P 4時，衛星12與使用者裝置11之間的距離為距離d 4，當衛星12在位置P 5時，衛星12與使用者裝置11之間的距離為距離d 5。由圖5A可以看出，當衛星12在位置P 3或在位置P 5時，衛星12與使用者裝置11之間的距離是最大值，也就是衛星12位於距離地球51最遠的位址；而當衛星12在位置P 4時，衛星12與使用者裝置11之間的距離是最小值，也就是衛星12位於距離地球51是最近的位置。換言之，在衛星12從位置P 3飛行到位置P 4的路徑53中，使用者裝置11之間的距離會逐漸變小，再逐漸變大，因此取樣時間與接收距離的曲線圖會是一個凹口向上的曲線，而這條凹口向上的曲線就是衛星距離函數F(t)。
接著，將衛星距離函數F(t)轉換為衛星移動函數G(t)。圖6A、6B是依照本發明一實施例的一種非地面網路模擬系統2中衛星距離函數F(t)轉換為衛星移動函數G(t)的示意圖。請同時參照圖2、圖3、圖6A及圖6B。前面有敘及使用者裝置11可任意選擇已知間隔時間P的訊號來聽取，可將已知間隔時間P（例如SIB19的間隔時間為80ms）表示為單位時長。於步驟S306中，透過衛星距離函數計算F(t)多個單位時長所對應的多個衛星距離差分值∆d。於步驟S308中，將多個衛星距離差分值∆d除以電磁波傳播速度v以得到多個衛星移動單位距離時間變化量∆d/v，基於每一取樣時間及對應的每一衛星移動時間變化量∆d/v產生衛星移動函數G(t)。
接著，於步驟S310中，透過衛星移動函數G(t)以接收時間差變化量t delta計算出對應的取樣時間以作為下行訊號接收時間t 3，簡單來說，就是以第二接收時間t 2減去第一接收時間t 1再減去已知間隔時間P所得到的接收時間差變化量t delta透過衛星移動函數G(t)反查得到下行訊號接收時間t 3。下行訊號接收時間t 3即由下行訊號時間差變化量推算的衛星位置時刻。
圖7是依照圖3的步驟S310所繪示以接收時間差變化量t delta透過衛星移動函數G(t)反查得到對應的下行訊號接收時間t 3的示意圖。請參考圖7，例如，第二接收時間t 2減去第一接收時間t 1再減去已知間隔時間P得到的接收時間差變化量t delta為-0.83us，將-0.83帶入衛星移動函數G(t)後可反查得到對應的下行訊號接收時間t 3為54790ms。
於步驟312中，根據自衛星控制中心15接收到的星曆資料取得於第二接收時間t 2時衛星12的位置P 2，以衛星12的位置P 2推算出使用者裝置11與衛星12之間的當前距離d 2。接著，以當前距離d 2作為衛星距離函數F(t)的接收距離以計算出對應的取樣時間以作為星曆廣播時間t 4。星曆廣播時間t 4即由基站廣播的星曆資訊所推算的衛星位置時刻。
圖8是依照圖3的步驟S312所繪示計算星曆廣播時間t 4的示意圖。請參考圖8，例如，以衛星12的位置P 2推算出使用者裝置11與衛星12之間的當前距離d 2為600km。將600km帶入衛星距離函數F(t)後可反查得到對應的取樣時間。由圖8可以看到當前距離d 2為600km時，透過衛星距離函數F(t)反查會得到兩個取樣時間，例如：54826ms和125174ms。
透過接收時間差變化量t delta為正值或負值，可以判斷衛星12是朝愈來愈靠近使用者裝置11的方向飛行，還是朝愈來愈遠離使用者裝置11的方向飛行。如圖5A中所示，當衛星12由位置P 3飛行到位置P 4的過程，即為衛星12朝愈來愈靠近使用者裝置11的方向飛行，當衛星12由位置P 4飛行到位置P 5的過程，即為衛星12朝愈來愈遠離使用者裝置11的方向飛行。由於接收時間差變化量t delta為-0.83us，為負值，可以判斷衛星12是朝愈來愈靠近使用者裝置11的方向飛行。
一旦判斷出衛星12是朝愈來愈靠近使用者裝置11的方向飛行，則可知如圖8所示以當前距離d 2為600km帶入衛星距離函數F(t)後反查得到兩個取樣時間中，要選擇54826ms作為星曆廣播時間t 4。
於步驟S314中，計算廣播時間偏移量t offset，廣播時間偏移量t offset即對於從衛星控制中心15所廣播的星曆資料中所取得的衛星位置與實際衛星位置的差距進行補償的偏移量。其中廣播時間偏移量t offset＝下行訊號接收時間t 3＋已知間隔時間P－星曆廣播時間t 4。
例如：下行訊號接收時間t 3為54790ms，已知間隔時間P為80ms，作星曆廣播時間t 4為54826ms，因此，廣播時間偏移量t offset＝54790＋80－54826＝44(ms)。
除了可透過執行一次步驟S302到步驟S314來取得廣播時間偏移量t offset之外，也可以透過重複執行步驟S302到步驟S314來取得平均廣播時間偏移量t offset。
計算出廣播時間偏移量t offset後，衛星控制中心15、衛星通道模擬裝置21、NTN基地台14或皆可基於廣播時間偏移量t offset對部份NTN網路元件進行補償校正以提早、往後或者延後調整傳送星曆、星曆資料中的時間戳記，或者是使用者裝置11可根據星曆資料推算衛星位置，基於廣播時間偏移量t offset以決定上行訊號定時提前或者延後時間，獲得較準確的上行定時提前或者延後數值。以所計算出的所述廣播時間偏移量t offset為44ms舉例，來說明廣播時間偏移量t offset的應用。請參考圖1、圖2。於一實施例中，可透過衛星控制中心15提前44ms將星曆資料傳送至NTN基地台14。於另一實施例中，可透過衛星控制中心15延後44ms傳送星曆資料至衛星通道模擬裝置21。於又一實施例中，可透過NTN基地台14將星曆資料中的時間戳記往前調44ms以產生調整後星曆資料。於再一實施例中，當使用者裝置11可根據廣播的星曆資料推算衛星位置，基於廣播時間偏移量t offset以決定上行定時提前時間，即在星曆資料中的時間戳記上可往前44ms，以獲得較準確的上行定時提前數值。
圖9是依照本發明一實施例的一種使用者裝置11的架構圖。請參照圖9，使用者裝置11包括網路介面111以及處理器112。網路介面111為適用於非地面網路的無線網路介面模組，藉由衛星12連接非地面網路，用以聽取第一下行訊號以及第二下行訊號。另外，網路介面111也為支援WiFi標準或其他具備無線傳輸功能的任何類型無線網路介面模組，連接至衛星通道模擬裝置21，用以接收廣播時間偏移量t offset。
處理器112耦接網路介面111。處理器112為例如中央處理單元（central processing unit，CPU）、物理處理單元（physics processing unit，PPU）、可程式設計微處理器、嵌入式控制晶片、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、應用專用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）或其他相似器件。
處理器112用以執行以下步驟：取得網路介面111接收到第一下行訊號的第一接收時間t 1，並取得網路介面111接收到第二下行訊號的第二接收時間t 2，如圖4所示。其中第二接收時間t 2減去第一接收時間t 1再減去已知間隔時間P為接收時間差變化量t delta。接著，將第一接收時間t 1、第二接收時間t 2以及接收時間差變化量t delta透過網路介面111傳送至衛星通道模擬裝置21。
衛星通道模擬裝置21接收到第一接收時間t 1、第二接收時間t 2以及接收時間差變化量t delta之後，透過如圖3所示的時間偏移量測方法3中的步驟S304～步驟S314計算廣播時間偏移量t offset。關於衛星通道模擬裝置21透過如圖3所示的時間偏移量測方法3中的步驟S304～步驟S314計算廣播時間偏移量t offset的相關細節已於前面段落闡述，此處不再贅述。
當衛星通道模擬裝置21計算出廣播時間偏移量t offset，使用者裝置11透過網路介面111自衛星通道模擬裝置21接收廣播時間偏移量t offset後，根據星曆資料推算衛星位置並基於廣播時間偏移量t offset以決定上行訊號定時提前或延後時間，以獲得較準確的上行定時提前數值。
圖10是依照本發明一實施例的一種衛星通道模擬裝置21的架構圖。請參照圖10，衛星通道模擬裝置21包括記憶體211、網路介面212以及處理器213。記憶體211用以儲存來自衛星控制中心15的星曆資料。記憶體211可以是隨機存取記憶體（Random-Access Memory，RAM）或硬碟（Hard Disk Drive，HDD）等儲存媒體，本揭露並不加以限制。
網路介面212連接衛星控制中心15，用以接收星曆資料。網路介面212也連接使用者裝置11，用以接收第一接收時間t 1、第二接收時間t 2以及接收時間差變化量t delta。其中第一接收時間t 1為使用者裝置11聽取第一下行訊號以取得接收到第一下行訊號的時間，第二接收時間t 2為使用者裝置11聽取第二下行訊號以取得接收到第二下行訊號的時間，第一下行訊號以及第二下行訊號為已知間隔時間P的訊號，接收時間差變化量t delta為第二接收時間t 2減去第一接收時間t 1再減去已知間隔時間P。網路介面212還連接NTN基地台14。網路介面212例如是支援WiFi標準或其他具備無線傳輸功能的任何類型無線網路介面模組或是支援乙太網路（Ethernet）、光纖（optical fiber）或其他具備有線傳輸功能的任何類型的有線網路介面模組。
處理器213耦接記憶體211以及網路介面212。處理器212為例如中央處理單元（central processing unit，CPU）、物理處理單元（physics processing unit，PPU）、可程式設計微處理器、嵌入式控制晶片、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、應用專用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）或其他相似器件。
處理器213用以透過如圖3所示的時間偏移量測方法3中的步驟S304～步驟S314計算廣播時間偏移量t offset。關於衛星通道模擬裝置21的處理器213透過如圖3所示的時間偏移量測方法3中的步驟S304～步驟S314計算廣播時間偏移量t offset的相關細節已於前面段落闡述，此處不再贅述。
處理器213計算出廣播時間偏移量t offset後，衛星通道模擬裝置21可基於廣播時間偏移量t offset對部份NTN網路元件進行補償校正。於一實施例中，衛星通道模擬裝置21可將廣播時間偏移量t offset（例如44ms）傳送至衛星控制中心15，並通知衛星控制中心15提前44ms將星曆資料傳送至NTN基地台14。於另一實施例中，衛星通道模擬裝置21可將廣播時間偏移量t offset（例如44ms）傳送至衛星控制中心15，並通知衛星控制中心15延後44ms傳送星曆資料至衛星通道模擬裝置21，或者衛星通道模擬裝置21在收到星曆資料後，延後44ms才產生對應的通道效應。於又一實施例中，衛星通道模擬裝置21可將廣播時間偏移量t offset（例如44ms）傳送至NTN基地台14，並通知NTN基地台14將星曆資料中的時間戳記往前調44ms以產生調整後星曆資料。於再一實施例中，當使用者裝置11基於廣播的星曆資料推算衛星位置時，在時間戳記上額外加上時間偏移量t offset（例如44ms）。
圖11是依照本發明一實施例的一種NTN基地台14的架構圖。請參照圖11，NTN基地台14包括記憶體141、網路介面142以及處理器143。記憶體141用以儲存來自衛星控制中心15的星曆資料。記憶體141可以是隨機存取記憶體（Random-Access Memory，RAM）或硬碟（Hard Disk Drive，HDD）等儲存媒體，本揭露並不加以限制。
網路介面142連接衛星控制中心15，用以接收星曆資料。網路介面142也連接衛星通道模擬裝置21，用以接收廣播時間偏移量t offset。網路介面142還連接NTN基地台14。網路介面142例如是支援WiFi標準或其他具備無線傳輸功能的任何類型無線網路介面模組或是支援乙太網路（Ethernet）、光纖（optical fiber）或其他具備有線傳輸功能的任何類型的有線網路介面模組。
處理器143耦接記憶體141以及網路介面142，用以取得星曆資料以及廣播時間偏移量t offset，並將星曆資料中的時間戳記往前調廣播時間偏移量t offset以產生調整後星曆資料。處理器112為例如中央處理單元（central processing unit，CPU）、物理處理單元（physics processing unit，PPU）、可程式設計微處理器、嵌入式控制晶片、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、應用專用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）或其他相似器件。
其中NTN基地台14的網路介面142連接衛星通道模擬裝置21所接收的廣播時間偏移量t offset，是衛星通道模擬裝置21用以透過如圖3所示的時間偏移量測方法3中的步驟S304～步驟S314計算出來的。關於衛星通道模擬裝置21透過如圖3所示的時間偏移量測方法3中的步驟S304～步驟S314計算廣播時間偏移量t offset的相關細節已於前面段落闡述，此處不再贅述。
綜上所述，本發明所提供的星曆資料的廣播時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台可透過聽取兩下行訊號時接收到兩下行訊號的兩接收時間判斷衛星是朝愈來愈遠離或愈來愈靠近使用者裝置的方向飛行，並透過使用者裝置與衛星之間的距離產生衛星距離函數，透過衛星距離函數產生衛星移動函數，運用衛星距離函數以及衛星移動函數推斷出從衛星控制中心所廣播的星曆資料中所取得的衛星位置與實際衛星位置的差距，據以計算出補償的偏移量。透過計算出的偏移量來對部份NTN網路元件進行補償校正。因此，本發明所提供的星曆資料的廣播時間偏移量測方法、使用者裝置、衛星通道模擬裝置及基地台可使衛星控制中心傳送至基地台的星曆資料突破網路傳播延遲並大幅下降因都卜勒效應造成的頻偏影響，讓使用者裝置收到的星曆推算結果與當下感受到的衛星通道狀態同步。
11:使用者裝置 111、142、212:網路介面 112、143、213:處理器 141、211:記憶體 12:衛星 13:NTN閘道器 14:NTN基地台 15:衛星控制中心 2:非地面網路模擬系統 21:衛星通道模擬裝置 3:時間偏移量測方法 51:地球 52:衛星軌道軌跡 53:路徑 d 1、d 2、d 3、d 4、d 5:距離 F(t):衛星距離函數 G(t):衛星移動函數 P:已知間隔時間 P 1、P 2、P 3、P 4、P 5:位置 S302、S304、S306、S308、S310、S312、S314:步驟 t 1:第一接收時間 t 2:第二接收時間 t 3:下行訊號接收時間 t 4:星曆廣播時間 t delta:接收時間差變化量 t offset:廣播時間偏移量 ∆d/v:衛星移動時間變化量 ∆d:衛星距離差分值
圖1是目前非地面網路（Non-Terrestrial Networks，NTN）通訊的示意圖。 圖2是依照本發明一實施例的一種非地面網路模擬系統的示意圖。 圖3是依照本發明一實施例所繪示的一種時間偏移量測方法的流程圖。 圖4是依照圖3的步驟S302所繪示取得第一接收時間以及第二接收時間的示意圖。 圖5A是依照圖3的步驟S304所繪示計算在多個取樣時間時使用者裝置與衛星之間的多個接收距離的示意圖。 圖5B是依照本發明一實施例的一種非地面網路模擬系統所繪示之取樣時間與接收距離的曲線圖。 圖6A、6B是依照本發明一實施例的一種非地面網路模擬系統中衛星距離函數轉換為衛星移動函數的示意圖。 圖7是依照圖3的步驟S310所繪示以接收時間差變化量透過衛星移動函數反查得到對應的下行訊號接收時間的示意圖。 圖8是依照圖3的步驟S312所繪示計算星曆廣播時間的示意圖。 圖9是依照本發明一實施例的一種使用者裝置的架構圖。 圖10是依照本發明一實施例的一種衛星通道模擬裝置的架構圖。 圖11是依照本發明一實施例的一種NTN基地台的架構圖。
3:時間偏移量測方法
S302、S304、S306、S308、S310、S312、S314:步驟

Claims (18)

  1. 一種時間偏移量測方法，適用於非地面網路(Non-Terrestrial Network，NTN)，包括：透過使用者裝置聽取來自衛星的第一下行訊號以取得接收到所述第一下行訊號的第一接收時間，並聽取來自所述衛星的第二下行訊號以取得接收到所述第二下行訊號的第二接收時間，其中所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中所述第二接收時間減去所述第一接收時間再減去所述已知間隔時間為接收時間差變化量；以所述已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個所述單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將所述多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一多個取樣時間及對應的每一所述多個衛星移動時間變化量產生衛星移動函數，其中所述衛星距離函數為所述多個取樣時間對應於所述使用者裝置與所述衛星之間的多個接收距離的函數；透過所述衛星移動函數以所述接收時間差變化量計算出對應的所述取樣時間以作為下行訊號接收時間；根據星曆資料取得於所述第二接收時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的當前距離，以所述當前距離作為所述衛星距離函數的所述接收距離以計算出對應的所述取樣時間以作為星曆廣播時間；以及 計算廣播時間偏移量，其中所述廣播時間偏移量為所述下行訊號接收時間加上所述已知間隔時間再減去所述星曆廣播時間。
  2. 如請求項1所述的時間偏移量測方法，更包括：確認所述使用者裝置能自所述衛星接收到所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號的總時長；於所述總時長內的所述多個取樣時間取得於所述衛星在已知衛星軌道軌跡上的多個衛星座標；以及根據所述多個衛星座標計算在所述多個取樣時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的所述多個接收距離以產生所述衛星距離函數。
  3. 如請求項1所述的時間偏移量測方法，更包括：根據所述星曆資料中的時間戳記與衛星位置資料取得所述多個取樣時間時所述衛星的多個衛星座標；以及基於所述多個衛星座標計算在所述多個取樣時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的所述多個接收距離以產生所述衛星距離函數。
  4. 如請求項1所述的時間偏移量測方法，其中衛星控制中心基於所述廣播時間偏移量提早或延後傳送所述星曆資料至非地面網路基地台(Next Generation Node B，gNB)。
  5. 如請求項1所述的時間偏移量測方法，其中衛星控制中心基於所述廣播時間偏移量提早或延後傳送所述星曆資料至衛星通道模擬裝置。
  6. 如請求項1所述的時間偏移量測方法，其中非地面網路基地台基於所述廣播時間偏移量提前或往後調整所述星曆資料中的時間戳記的數值以產生調整後星曆資料。
  7. 如請求項1所述的時間偏移量測方法，其中所述使用者裝置基於所述廣播時間偏移量提前或延後推算衛星位置時所使用的時間戳記的數值。
  8. 一種使用者裝置，包括：網路介面，連接非地面網路(Non-Terrestrial Network，NTN)以及衛星通道模擬裝置，用以聽取來自衛星的第一下行訊號以及第二下行訊號以及接收廣播時間偏移量；以及處理器，耦接所述網路介面，用以執行：取得所述網路介面接收到所述第一下行訊號的第一接收時間，並取得所述網路介面接收到所述第二下行訊號的第二接收時間，其中所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中所述第二接收時間減去所述第一接收時間再減去所述已知間隔時間為接收時間差變化量；將所述第一接收時間、所述第二接收時間以及所述接收時間差變化量透過所述網路介面傳送至所述衛星通道模擬裝置；透過所述網路介面自所述衛星通道模擬裝置接收所述廣播時間偏移量；以及根據星曆資料推算衛星位置並基於所述廣播時間偏移 量以決定上行定時提前或者延後時間；其中所述衛星通道模擬裝置接收所述第一接收時間以及所述第二接收時間，以所述已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個所述單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將所述多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一多個取樣時間及對應的每一所述多個衛星移動時間變化量產生衛星移動函數，其中所述衛星距離函數為所述多個取樣時間對應於所述使用者裝置與所述衛星之間的多個接收距離的函數。
  9. 如請求項8所述的使用者裝置，其中所述衛星通道模擬裝置透過所述衛星移動函數以所述接收時間差變化量計算出對應的所述取樣時間以作為下行訊號接收時間，根據自衛星控制中心接收的所述星曆資料取得於所述第二接收時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的當前距離，以所述當前距離作為所述衛星距離函數的所述接收距離以計算出對應的所述取樣時間以作為星曆廣播時間，計算所述廣播時間偏移量；其中所述廣播時間偏移量為所述下行訊號接收時間加上所述已知間隔時間再減去所述星曆廣播時間。
  10. 一種衛星通道模擬裝置，包括：記憶體，用以儲存星曆資料；網路介面，連接衛星控制中心、使用者裝置以及非地面網路(Non-Terrestrial Network，NTN)基地台(Next Generation Node B，gNB)，用以自所述使用者裝置接收第一接收時間、第二接收時間以及接收時間差變化量，其中所述第一接收時間為所述使用者裝置聽取來自衛星的第一下行訊號以取得接收到所述第一下行訊號的時間，所述第二接收時間為所述使用者裝置聽取來自所述衛星的第二下行訊號以取得接收到所述第二下行訊號的時間，其中所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號為已知間隔時間的訊號，其中所述接收時間差變化量為所述第二接收時間減去所述第一接收時間再減去所述已知間隔時間；處理器，耦接所述記憶體和所述網路介面，用以執行：以所述已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個所述單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將所述多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一多個取樣時間及對應的每一所述多個衛星移動時間變化量產生衛星移動函數，其中所述衛星距離函數為所述多個取樣時間對應於所述使用者裝置與所述衛星之間的多個接收距離的函數；透過所述衛星移動函數以接收時間差變化量計算出對應的所述取樣時間以作為下行訊號接收時間；根據所述星曆資料取得於所述第二接收時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的當前距離，以所述當前距離作為所述衛星距離函數的所述接收距離以計算出對應的所述取樣時間以作為星曆廣播時間；以及 計算所述廣播時間偏移量，其中所述廣播時間偏移量為所述下行訊號接收時間加上所述已知間隔時間再減去所述星曆廣播時間。
  11. 如請求項10所述的衛星通道模擬裝置，其中所述使用者裝置確認能自所述衛星接收到所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號的總時長，其中所述處理器更用以：透過所述網路介面自所述使用者裝置接收所述總時長；於所述總時長內的所述多個取樣時間取得於所述衛星在已知衛星軌道軌跡上的多個衛星座標；以及根據所述多個衛星座標計算在所述多個取樣時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的所述多個接收距離以產生所述衛星距離函數。
  12. 如請求項10所述的衛星通道模擬裝置，其中所述處理器更用以：根據所述星曆資料中的時間戳記與衛星位置資料取得所述多個取樣時間時所述衛星的多個衛星座標；以及基於所述多個衛星座標計算在所述多個取樣時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的所述多個接收距離以產生所述衛星距離函數。
  13. 如請求項10所述的衛星通道模擬裝置，其中所述處理器更用以：將所述廣播時間偏移量傳送至所述衛星控制中心，並通知所 述衛星控制中心基於所述廣播時間偏移量提早或延後傳送所述星曆資料至所述非地面網路基地台。
  14. 如請求項10所述的衛星通道模擬裝置，其中所述處理器更用以：將所述廣播時間偏移量傳送至所述衛星控制中心，並通知所述衛星控制中心基於所述廣播時間偏移量提早或延後傳送所述星曆資料至所述網路介面。
  15. 如請求項10所述的衛星通道模擬裝置，其中所述處理器更用以：將所述廣播時間偏移量傳送至所述非地面網路基地台，並通知所述非地面網路基地台基於所述廣播時間偏移量提前或往後調整所述星曆資料中的時間戳記以產生調整後星曆資料。
  16. 如請求項10所述的衛星通道模擬裝置，其中所述處理器更用以：通知所述使用者裝置根據所述星曆資料推算所述衛星位置並基於所述廣播時間偏移量以決定上行訊號定時提前或者延後時間。
  17. 一種基地台，適用於非地面網路，包括：記憶體，用以儲存星曆資料；網路介面，連接衛星控制中心以及衛星通道模擬裝置，用以自所述衛星控制中心接收所述星曆資料以及自所述衛星通道模擬裝置接收廣播時間偏移量；以及處理器，耦接所述記憶體和所述網路介面，用以取得所述星 曆資料以及所述廣播時間偏移量，並基於所述廣播時間偏移量提前或往後調整所述星曆資料中的時間戳記以產生調整後星曆資料；其中使用者裝置聽取來自衛星的第一下行訊號以取得接收到所述第一下行訊號的第一接收時間，並聽取來自所述衛星的第二下行訊號以取得接收到所述第二下行訊號的第二接收時間，其中所述第一下行訊號以及所述第二下行訊號為已知間隔時間的訊號；其中所述衛星通道模擬裝置以所述已知間隔時間作為單位時長，透過衛星距離函數計算多個所述單位時長所對應的多個衛星距離差分值，將所述多個衛星距離差分值除以電磁波傳播速度以得到多個衛星移動時間變化量，基於每一多個取樣時間及對應的每一所述多個衛星移動時間變化量產生衛星移動函數，其中所述衛星距離函數為所述多個取樣時間對應於所述使用者裝置與所述衛星之間的多個接收距離的函數。
  18. 如請求項17所述的非地面網路基地台，其中所述衛星通道模擬裝置自所述使用者裝置接收所述第一接收時間以及所述第二接收時間，其中所述第二接收時間減去所述第一接收時間再減去所述已知間隔時間為接收時間差變化量，其中所述衛星通道模擬裝置透過所述衛星移動函數以所述接收時間差變化量計算出對應的所述取樣時間以作為下行訊號接收時間，根據所述星曆資料取得於所述第二接收時間時所述使用者裝置與所述衛星之間的當前距離，以所述當前距離作為所述衛 星距離函數的所述接收距離以計算出對應的所述取樣時間以作為星曆廣播時間，計算所述廣播時間偏移量；其中所述廣播時間偏移量為所述下行訊號接收時間加上所述已知間隔時間再減去所述星曆廣播時間。
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