CN104796187B - 基于平流层准静态卫星基站的增强传输方法 - Google Patents
基于平流层准静态卫星基站的增强传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及卫星通信领域的覆盖增强技术，公开了一种基于平流层准静态卫星基站的信息传输方法，包括：(1)平流层准静态卫星基站由平流层浮空***、通信载荷***和运行控制***构成，其与地面相对运动小，可按需部署在有卫星信号增强覆盖需求的区域上空，为卫星各类用户提供长时稳定的透明转发或处理转发通信服务；(2)平流层准静态卫星基站根据用户类型及业务类型分配通信资源，对在当前基站覆盖区域下的用户间通信提供基站内传输服务；对在基站覆盖区域外的通信提供基站间传输服务，由基站将信号中继传输至卫星，并由卫星完成后续通信传输。本发明利用平流层准静态卫星基站的空间和成本优势，可为卫星通信提供便捷、高效的覆盖增强能力。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域的覆盖和容量增强技术，具体讲是一种利用平流层准静态卫星基站来增强传统卫星通信覆盖和***容量的新方法。
背景技术
卫星通信由于不受地理条件的限制，具有应用灵活，覆盖范围广，通信容量大、传输质量好、组网方便迅速，能够实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的重要手段。随着卫星通信业务需求的不断增加，尤其以数据为核心的宽带多媒体业务高速发展，对卫星***提出了高覆盖率、大容量以及更高QoS保证能力的需求，卫星的局部覆盖遮蔽严重和通信容量不足问题日益突出。如何基于现有卫星平台提高卫星链路的覆盖和卫星通信***的容量成为提升***能力的重要着手点。
在增强链路覆盖方面，传统的方法重要有两种：一是在地面安装固定中继基站，二是利用多颗卫星或用户间进行协同通信。在地面安装中继基站的方法，解决了局部链路覆盖问题，但在频率选择和选址方面经常会与地面通信***发生冲突，成本很高，实现也不够灵活。利用多颗卫星或用户间进行卫星间的协同通信也存在诸多不足，例如星上载荷和地面终端的处理能力和功率都非常受限，协同会带来大量的资源开销，通信效率较低。
在增加卫星***容量方面，传统的方法主要是提高星载设备的信号处理能力和提高链路带宽。虽然现今卫星载荷的能力比以前有了大幅提高，但由于卫星一般使用寿命较长(10年左右)，即使在设计时使用当时最先进的芯片和信号处理设备，也不能赶得上地面新技术的迅速发展和用户需求的急剧增加。随着卫星通信频段选择的不断提高(初始的UHF、L、S频段到现今的Ku、Ka甚至更高的光频段)，***的容量确实增加了，但继续依靠提高频率来增加***容量的方法带来了诸多问题，例如高频段信号大气层衰减和障碍物遮蔽严重、终端天线跟踪复杂和星上载荷无法处理巨大的信息流量等等。
在平流层放置准静态卫星基站(下文简称基站)来增强卫星通信***的覆盖范围，提高***的信号传输质量，进一步通过基站对信息进行处理转发或通过基站建立多条用户链路可以大幅度提高通信***的用户容量和QoS体验。能够快速响应任务需求，进行灵活发射组网。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术不足，提供一种基于平流层准静态卫星基站的***传输增强理念，实现卫星通信***覆盖和容量增强。
本发明方法的具体步骤如下：
A1、地面运控中心站依据网络规划或应急通信需求，在指定区域上空部署平流层准静态卫星基站；
A2、平流层准静态卫星基站在指定区域上空接替卫星服务，当前已由卫星直接服务的业务维持状态不变，新用户的业务申请由基站受理，并由基站提供接入服务；
A3、基站为入网的用户分配4个字节的地址，其中首字节表示为当前基站提供服务的卫星编号，第2个字节表示当前基站编号，第3、第4个字节表示用户编号；
A4、用户有新的通信需求时，由用户在公共信令信道上发送5个字节的传输申请，其中首字节的前5个比特表示业务类型，后3个比特表示优先级，第2-5个字节表示目的用户地址；
A5、基站接收到用户的业务申请后，根据业务类型、优先级和目标用户地址分配通信资源；
A6、用户根据通信资源分配方案，在指定的信道上向基站发送信号，由基站完成信号的后续传输。
优选的，所述平流层准静态卫星基站可以根据需求部署一颗或多颗。每颗基站具有一定的动力***，可根据需求进行灵活机动布局，并在工作状态时维持位置相对静止。
优选的，所述的平流层准静态卫星基站其通信载荷包括对星天线及射频设备、对地天线及射频设备、交链转发器、处理转发器和路由转发设备。
优选的，所述的平流层准静态卫星基站有缓存加速功能，对高速多媒体业务和大数据采集业务有高速缓存能力。
优选的，所述的对星天线及射频设备工作于Ka、Ku或C频段。
优选的，所述的对地天线及射频设备工作于Ka、Ku、C、S或L频段。
优选的，所述的交链转发器可完成基站对星、基站对地不同通信频段间的信号变频透明传输。
优选的，所述的处理转发器结合路由转发设备可完成基站对星、基站对地不同通信频段间的信号处理传输。
优选的，所述基站与用户之间的信令格式可以基于地面移动网络协议体系或基于卫星专属协议体系。
优选的，所述的通信资源根据业务类型进行，当业务为高带宽需求类型时分配交链转发器资源；当业务为非高带宽需求类型时分配处理转发器资源。
优选的，所述的通信资源根据通信用户双方逻辑归属进行，基站可作为中继和信息处理者两种角色。当用户双方在同一基站波束覆盖区域内可为其分配处理转发器资源；当通信用户双方在同一卫星波束覆盖区域内时可分配基站转发器资源；当通信用户双方在具有星间链路的不同卫星波束覆盖区域内时可分配基站转发器资源；当通信目的用户在地面网络时可分配交链转发器资源。
优选的，所述的通信资源根据优先级进行，当业务为高实时需求类型时优先分配转发器资源，并在资源紧张时可占用低优先级用户资源。
优选的，基站可以用于受遮蔽区域覆盖增强，***覆盖区域增加容量，还可以在原卫星***未覆盖区域增加覆盖，以及三者的组合。
优选的，基站可以采用集中资源调度或自主资源调度两种管理模式。集中调度是指地面运控中心建立资源服务数据库，统一卫星资源，基站资源和用户注册信息。当基站接收到新的业务请求时，基站需要向地面运控中心请求批准。自主资源调度是指基站具有自主分配资源的权利，当收到用户服务请求后，根据本地资源服务数据库进行资源快速调度并向地面运控中心汇报登记。集中资源调度优点在于***逻辑关系简单、维护方便、安全性好，缺点在于效率低下、对地面运控中心依赖性强。自主资源调度优点在于***传输效率高，缺点是对基站处理能力要求高，***容易受到非法用户攻击。
本发明相对于现有技术具有以下的优点：
1、基站既可作为用户对卫星的中继者也可作为用户服务的信息处理者。根据用户目的地址的逻辑归属，来分别提供不同的服务。作为中继的角色提高了卫星通信***的局部覆盖质量和覆盖面积，作为信息处理者的角色提高了通信***的用户容量和用户的QoS体验。因此，从整体上增强了卫星通信***的信息传输。
2、所提方案具有很好的可实现性。相比于地面基站和卫星协同技术，本方案不需要与地面移动用户争夺宝贵的频率资源和位置资源，技术也比卫星协同成熟可靠。
3、所提方案具有很好的成本优势和灵活组网能力。相比于发射卫星，平流层准静态卫星基站所在位置低(10～50km)，远远低于对地静止卫星的高度(36000km)，商用发射标准即可满足需要。发射灵活，当有任务需要时，可迅速部署组网。
附图说明
图1为本发明***体系架构示意图；
图2为本发明实施例覆盖增强示意图；
图3为本发明实施例场景1示意图；
图4为本发明实施例场景2示意图；
图5为本发明实施例场景3示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、目的和优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进一步说明。本发明提供基于平流层准静态卫星基站的增强传输方法，***体系架构示意图如图1所示，具体实施方式如下：
A1、地面运控中心站依据网络规划或应急通信需求，在指定区域上空部署平流层准静态卫星基站；
A2、平流层准静态卫星基站在指定区域上空接替卫星服务，当前已由卫星直接服务的业务维持状态不变，新用户的业务申请由基站受理，并由基站提供接入服务；
A3、基站为入网的用户分配4个字节的地址，其中首字节表示为当前基站提供服务的卫星编号，第2个字节表示当前基站编号，第3、第4个字节表示用户编号；
A4、用户有新的通信需求时，由用户在公共信令信道上发送5个字节的传输申请，其中首字节的前5个比特表示业务类型，后3个比特表示优先级，第2-5个字节表示目的用户地址；
A5、基站接收到用户的业务申请后，根据业务类型、优先级和目标用户地址分配通信资源；
A6、用户根据通信资源分配方案，在指定的信道上向基站发送信号，由基站完成信号的后续传输。
实施例：图2给出了本发明的一个实例，包含两颗卫星、一个地面运控中心、两颗基站、若干用户以及厚云层、建筑物丛林等障碍物。其中卫星1和卫星2通过星间链路链接。基站1作为卫星1的中继，基站2作为卫星2的中继。用户1、用户2、用户6和用户8在卫星1的波束覆盖范围内，其中用户2、用户8受到云层遮蔽，用户1、用户2为低速语音用户，用户6为高速多媒体用户，用户8为遥感数据接收用户。用户3、用户4和用户7在卫星2的波束覆盖范围内，其中用户7受到建筑物和丛林遮蔽，用户3、用户4为低速语音用户，用户7为高速多媒体用户，卫星2搭载了对地观测载荷，根据需要回传遥感数据。用户5不在卫星的波束覆盖范围内，但却在基站2的覆盖范围内，用户5为低速语音用户。地面运控中心与卫星1和卫星2有高速星地链路，与地面网络通过网关有高速光纤连接。基站1和基站2可通过卫星中继访问地面运控中心，接受地面运控中心管理。
在本实例中，初始化网络中的资源包含***内用户的逻辑归属、基站的服务对象和链路状态等。明确***的工作模式：集中资源调度和自主资源调度(本实施例都将考虑并说明)。本实施例的初始化结果如下表1所示：
表1
| 用户 | 逻辑归属 | 链路状态 | 业务类型 | 实时性 | 目的用户/信息源 |
| 用户1 | 卫星1波束 | 正常 | 语音 | 高 | 用户5 |
| 用户2 | 卫星1波束 | 遮挡 | 语音 | 高 | 地面网用户 |
| 用户3 | 卫星2波束 | 遮挡 | 语音 | 高 | 用户3 |
| 用户4 | 卫星2波束 | 正常 | 语音 | 高 | 用户4 |
| 用户5 | 无卫星覆盖 | 无链路 | 语音 | 高 | 用户1 |
| 用户6 | 卫星1波束 | 正常 | 数据(图片、网页) | 低 | 地面网服务商 |
| 用户7 | 卫星2波束 | 遮挡 | 数据(图片、网页) | 低 | 地面网服务商 |
| 用户8 | 卫星1波束 | 遮挡 | 遥感数据 | 低 | 卫星2 |
初始化完成后，如果采用集中资源调度方案，基站将把收集到的信息汇总，通过卫星发送至地面运控中心，由地面运控中心统一进地址分配和资源分配。如果采用自主资源调度方案，基站会自主给入网用户分配地址。地址由4个字节组成，其中首字节表示为当前基站提供服务的卫星编号，第2个字节表示当前基站编号，第3、第4个字节表示用户编号。具体如表2所示：
表2
| 用户 | 卫星编号 | 基站编号 | 用户编号 | 用户地址 |
| 用户1 | 0001 0001 | 0001 0001 | 0000 0000 0000 0001 | 17.17.0.1 |
| 用户2 | 0001 0001 | 0001 0001 | 0000 0000 0000 0010 | 17.17.0.2 |
| 用户3 | 0001 0002 | 0001 0002 | 0000 0000 0000 0011 | 18.18.0.3 |
| 用户4 | 0001 0002 | 0001 0002 | 0000 0000 0000 0100 | 18.18.0.4 |
| 用户5 | 0001 1111 | 0001 0002 | 0000 0000 0000 0101 | 31.18.0.5 |
| 用户6 | 0001 0001 | 0001 0001 | 0000 0001 0000 0001 | 17.17.1.1 |
| 用户7 | 0001 0002 | 0001 0002 | 0000 0001 0000 0010 | 18.18.1.2 |
| 用户8 | 0001 0001 | 0001 0001 | 0000 0000 0000 1000 | 17.17.0.8 |
当用户需要建立通信时，用户需要在公共信令上发送5个字节的传输申请，其中首字节的前5个比特表示业务类型，后3个比特表示优先级，第2-5个字节表示目的用户地址；
场景1：
基站接收到用户的申请后，会根据目的用户的逻辑地址、业务类型和优先级分配通信资源。对于用户1而言，其要与用户5发起语音通话。但在原有卫星***下，用户5不在卫星通信***的覆盖范围内，无法进行通信。基站2将作为中继，判断用户双方的逻辑归属为卫星通信***内部，为其分配相应的处理转发器资源，使得通信可以进行，体现了扩大卫星覆盖区域的优势，具体见图3所示。
对于用户2而言，其要与非本卫星通信***内的其它地面用户通信。链路受到厚云层遮挡。基站1判断其目的用户为地面网用户，基站将作为中继，为其提供相应的交链转发器资源。体现了局域覆盖增强的优势，具体见图3所示。
场景2：
对于用户3而言，其要与用户4建立语音通信，用户3与用户4的卫星链路受到建筑物和丛林遮挡，这种情况下可由基站2提供中继服务。基站2通过逻辑地址判断用户3与用户4都在其覆盖区域内。基站将提供路由处理转发器资源，而不占用星上处理资源和链路资源，间接提高了卫星通信***容量，较少通信时延。同时体现了局域覆盖增强、***容量增强和高的QoS体验的优势，具体见图4所示。
对于用户8而言，其要接收由卫星2对地观测载荷采集的遥感数据，在正常情况下，卫星1作为中继通过星间链路把用户8的和卫星2链接起来。但本场景中，厚云层遮挡了卫星1与用户8的星地链路。此时，基站1作为中继，判断用户8业务类型为高速率需求用户，为其分配交链转发器资源。体现了基站的增强覆盖优势，具体见图4所示。
场景3：
对于用户6和用户7而言，都为多媒体高速业务。用户6对卫星1和基站1同时可见，因此可建立两条用户链路。卫星1分配给用户6转发器资源的同时，基站1也分配给用户6转发器资源，大幅提高链路速率和用户6的QoS体验。用户7的卫星链路受到建筑物和丛林遮挡，需要经过基站2中继，同时基站2可以通过高速缓存来提升用户7的QoS体验。而，具体见图5所示。
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的权利保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何做的修改、等同替换和改进都应当在所要求的保护范围内。
Claims (14)
1.一种基于平流层准静态卫星基站的增强传输方法，其特征在于包括步骤：
A1、地面运控中心站依据网络规划或应急通信需求，在指定区域上空部署平流层准静态卫星基站；
A2、平流层准静态卫星基站在指定区域上空接替卫星服务，当前已由卫星直接服务的业务维持状态不变，新用户的业务申请由基站受理，并由基站提供接入服务；
A3、当采用集中调度方案，地面运控为用户分配地址；当采用自主调度方案，基站为入网的用户分配4个字节的地址，地址的首字节表示为当前基站提供服务的卫星编号，第2个字节表示当前基站编号，第3、第4个字节表示用户编号；
A4、用户有新的通信需求时，由用户在公共信令信道上发送5个字节的传输申请，其中首字节的前5个比特表示业务类型，后3个比特表示优先级，第2-5个字节表示目的用户地址；
A5、基站接收到用户的业务申请后，依据用户与目的地址的逻辑归属判断基站的角色，如为信息处理者，则基站根据业务类型、优先级和目标用户地址分配通信资源；如为中继，则基站为用户分配交链转发器资源；
A6、用户根据通信资源分配方案，在指定的信道上向基站发送信号，由基站完成信号的后续传输。
2.根据权利要求1所述的方法，所述平流层准静态卫星基站可以根据需求部署一颗或多颗，每颗基站具有一定的动力***，可根据需求进行灵活机动布局，并在工作状态时维持位置相对静止。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的平流层准静态卫星基站其通信载荷包括对星天线及射频设备、对地天线及射频设备、交链转发器、处理转发器和路由转发设备。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的平流层准静态卫星基站有缓存加速功能，对高速多媒体业务和大数据采集业务有高速缓存能力。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的对星天线及射频设备工作于Ka、Ku或C频段。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的对地天线及射频设备工作于Ka、Ku、C、S或L频段。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的交链转发器可完成基站对星、基站对地不同通信频段间的信号变频透明传输。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的处理转发器结合路由转发设备可完成基站对星、基站对地不同通信频段间的信号处理传输。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站与用户之间的信令格式可以基于地面移动网络协议体系或基于卫星专属协议体系。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通信资源根据业务类型进行，当业务为高带宽需求类型时分配交链转发器资源；当业务为非高带宽需求类型时分配处理转发器资源。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通信资源根据通信用户双方逻辑归属进行，基站可作为中继和信息处理者两种角色，当用户双方在同一基站波束覆盖区域内可为其分配处理转发器资源；当通信用户双方在同一卫星波束覆盖区域内时可分配基站转发器资源；当通信用户双方在具有星间链路的不同卫星波束覆盖区域内时可分配基站转发器资源；当通信目的用户在地面网络时可分配交链转发器资源。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通信资源根据优先级进行，当业务为高实时需求类型时优先分配转发器资源，并在资源紧张时可占用低优先级用户资源。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站可以用于受遮蔽区域覆盖增强，***覆盖区域增加容量，还可以在原卫星***未覆盖区域增加覆盖，以及三者的组合。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站可以采用集中资源调度或自主资源调度两种管理模式，集中调度是指地面运控中心建立资源服务数据库，统一卫星资源，基站资源和用户注册信息，当基站接收到新的业务请求时，基站需要向地面运控中心请求批准，自主资源调度是指基站具有自主分配资源的权利，当基站收到用户服务请求后，根据本地资源服务数据库进行资源快速调度并向地面运控中心汇报登记。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Addressee: Huang Qinfei Document name: Notice of correction of right of resumption |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100039 No. 13 Dacheng Road, Beijing, Fengtai District Patentee after: INSTITUTE OF NETWORK ENGINEERING, INSTITUTE OF SYSTEMS ENGINEERING, ACADEMY OF MILITARY SCIENCES Address before: 100039 No. 13 Dacheng Road, Beijing, Fengtai District Patentee before: NO.61 INSTITUTE OF THE HEADQUARTERS OF GENERAL STAFF OF PLA |