CN106253964A - 基于低轨卫星星座网络的移动通信***和方法 - Google Patents

基于低轨卫星星座网络的移动通信***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于低轨卫星星座网络的移动通信***，包括至少一颗低轨卫星，为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信；当用户终端位于不同卫星时，所述***还提供所述多个低轨卫星之间的星际链路传输。本发明还提出相应的通信方法。本发明可以结合L/S波段的覆盖范围大和Ku/Ka波段/激光带宽高的特点为用户提供宽带数据业务。

Description

基于低轨卫星星座网络的移动通信***和方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及基于低轨卫星星座网络的移动通信***和方法。
背景技术
ITU为卫星通信划分的工作频段有：L，S，C，X，Ku，Ka；在此基础上，开展窄带或者宽带的语音、数据等业务。Ka频段具有可用带宽宽，干扰少，设备体积小的优点，一般用于卫星通信***的高速卫星通信，包括高清电视、千兆比特级宽带数据传输，以及个人卫星通信领域，适用于高速数据传输业务。L、S频段具有频段低、覆盖范围广的特点，一般用于语音或者低速数据业务。
目前的卫星***中，宽带卫星一般采用Ku、Ka波段频率，例如IPStar、直播星等***；Ku/Ka波段由于频段高、带宽较宽，波束张角相比于S/L较小，一般用于GEO***。卫星激光通信是近年来发展起来的技术，激光频率比微波高约4个数量级以上，具有更大的带宽数据传输速率，已经有高轨、低轨卫星的一些成功技术试验。卫星激光通信一般用于卫星之间(GEO-GEO、GEO-LEO等)以及卫星和地面站之间的高速数据通信。窄带业务卫星一般采用L、S频段，例如铱星、全球星、亚星等***，GEO/MEO/LEO***均有广泛应用，低轨卫星中，Ka/Ku波段一般用于馈电链路或者星际链路，而不用于用户链路。
基于GEO的宽带卫星***，提供IP数据业务时，由于星地距离远(36000km)，传输时延大，在应用于传统的TCP/IP协议栈时，会出现“长肥管道”的问题。TCP的接收窗缓冲一般为64KB，而双向传输时延达到500～600ms，导致端到端的吞吐量限制在大约1Mbps。所以，在GEO的IP宽带业务中，一般都会对TCP/IP进行适配优化或者改造，通过调整窗口、选择性应答等手段，解决该传输瓶颈问题。该类的算法、专利也有很多。LEO***运行轨道在800～1400km之间，其双向传输时延仅为10～50ms，不存在上述TCP/IP的吞吐量问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于低轨卫星星座网络的移动通信***，所述***包括至少一颗低轨卫星，所述低轨卫星为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信。
优选的，当用户终端位于不同卫星时，所述***还提供所述多个低轨卫星之间的星际链路传输。
进一步的，所述低轨卫星包括：窄带模块，用于为用户终端提供无线接入；实现窄带业务；监听***业务并收发信令；为宽带波束指示用户精确位置，并根据用户需求实现动态分配；宽带模块，用于提供宽带业务，根据所述窄带模块的信令进行宽带业务组网，将宽带波束实时动态指向用户终端；星际链路模块用于为所述窄带通信模块和所述宽带通信模块在所述低轨卫星之间提供基于基带的透明传输。进一步的，所述宽带模块在无用户业务时关闭。
优选的，所述低轨卫星星座网络基于L/S波段提供全球覆盖。
优选的，所述***还包括地面网络管理中心，用于根据用户终端业务，确定组成空间传输子网的卫星列表，并指示所述低轨卫星组建所述空间传输子网。还用于在所述空间传输子网存续期间维护所述空间传输子网的拓扑，具体包括：当所述卫星随轨道运动发生切换后，更改所述空间传输子网拓扑，通知所述空间传输子网更改链路层参数，完成用户切换和子网的卫星切换。还用于根据业务情况，指示所述低轨卫星关闭其宽带模块。
根据相同的构思，本发明还提出一种基于低轨卫星星座网络的移动通信方法，包括：所述低轨卫星星座网络为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信；所述窄带通信与宽带通信协同操作。
优选的，所述协同操作包括：所述窄带通信负责信令传输和引导，通过窄带信令完成宽带数据业务的组网；所述宽带通信通过窄带通信的指引完成宽带数据业务的传输。所述基于L/S波段的窄带通信用于为用户终端提供无线接入，提供语音、短数据和信令的传送；所述基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信用于为用户提供宽带数据传送。
优选的，用户通过所述窄带通信接入星座网络，从地面网络管理中心获取IP参数；用户通过窄带通信发送宽带数据业务传输请求，所述传输请求被转发给地面管理中心，地面管理中心根据业务信息寻址其他终端或数据转发通道，确定空间传输子网的卫星列表，向列表中的卫星发送组网请求；收到所述组网请求的卫星开启宽带模块，控制其星际链路模块，向所述空间传输子网中的其他卫星建立基带透明传输通道。
优选的，当需要对终端进行寻呼时，使用基于S/L的窄带通信进行寻呼，指示终端的精确位置。
优选的，当有数据需要转发时，所述空间传输子网中的卫星根据所述卫星列表，计算数据包的转发路由，建立星上转发路由表。
优选的，所述终端的服务卫星在服务过程中通过窄带信息对宽带波束指向进行实时调整，对所述终端进行跟踪。当所述服务卫星飞离终端时，所述终端切换到下一个过顶卫星。
优选的，所述地面管理中心对所述空间传输子网列表进行调整，所述空间传输子网的各卫星更新路由表，并将数据包切换到新的路由进行转发。当所述空间传输子网中的卫星发生切换时，所述地面网络管理中心指示退出服务的卫星关闭其宽带模块。
优选的，所述基于L/S波段的窄带通信技术包括但不限于：TDMA、FDMA和CDMA；基于Ku/Ka波段的宽带通信技术包括但不限于：DVB-S2/DVB-RCS。
优选的，所述低轨卫星星座网络基于L/S波段提供全球覆盖。
本发明结合Ka/Ku/激光宽带和L/S窄带卫星的优势和特点：低轨卫星***传输时延低，可与传统TCP协议无缝结合；并且结合了L/S波段的覆盖范围大和Ku/Ka波段/激光带宽高的特点，为用户提供宽带数据业务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提出的移动通信***示意图；
图2为本发明提出的移动通信***的点对点通信应用场景示意图；
图3为本发明提出的移动通信***的点对多点网络应用场景示意图；、
图4为本发明提出的移动通信***的星型网络(Star)应用场景示意图；
图5为本发明提出的移动通信***的Mesh网络应用场景示意图；
图6为本发明实施例2的移动通信***示意图；
图7为本发明实施例2中宽带通信协议栈示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于低轨卫星星座网络的移动通信***，所述***包括至少一颗低轨卫星，所述低轨卫星为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信。
优选的，当用户终端位于不同卫星时，所述***还提供所述多个低轨卫星之间的星际链路传输。
进一步的，所述低轨卫星包括：窄带模块，用于为用户终端提供无线接入；实现窄带业务；监听***业务并收发信令；为宽带波束指示用户精确位置，并根据用户需求实现动态分配；宽带模块，用于提供宽带业务，根据所述窄带模块的信令进行宽带业务组网，将宽带波束实时动态指向用户终端；星际链路模块用于为所述窄带通信模块和所述宽带通信模块在所述低轨卫星之间提供基于基带的透明传输。进一步的，所述宽带模块在无用户业务时关闭。
优选的，所述***还包括地面网络管理中心，用于根据用户终端业务，确定组成空间传输子网的卫星列表，并指示所述低轨卫星组建所述空间传输子网。还用于在所述空间传输子网存续期间维护所述空间传输子网的拓扑，具体包括：当所述卫星随轨道运动发生切换后，更改所述空间传输子网拓扑，通知所述空间传输子网更改链路层参数，完成用户切换和子网的卫星切换。还用于根据业务情况，指示所述低轨卫星关闭其宽带模块。
根据相同的构思，本发明还提出一种基于低轨卫星星座网络的移动通信方法，包括：所述低轨卫星星座网络为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信；所述窄带通信与宽带通信协同操作。
优选的，所述协同操作包括：所述窄带通信负责信令传输和引导，通过窄带信令完成宽带数据业务的组网；所述宽带通信通过窄带通信的指引完成宽带数据业务的传输。所述基于L/S波段的窄带通信用于为用户终端提供无线接入，提供语音、短数据和信令的传送；所述基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信用于为用户提供宽带数据传送。
优选的，用户通过所述窄带通信接入星座网络，从地面网络管理中心获取IP参数；用户通过窄带通信发送宽带数据业务传输请求，所述传输请求被转发给地面管理中心，地面管理中心根据业务信息寻址其他终端或数据转发通道，确定空间传输子网的卫星列表，向列表中的卫星发送组网请求；收到所述组网请求的卫星开启宽带模块，控制其星际链路模块，向所述空间传输子网中的其他卫星建立基带透明传输通道。
优选的，当需要对终端进行寻呼时，使用基于S/L的窄带通信进行寻呼，指示终端的精确位置。
优选的，当有数据需要转发时，所述空间传输子网中的卫星根据所述卫星列表，计算数据包的转发路由，建立星上转发路由表。
优选的，所述终端的服务卫星在服务过程中通过窄带信息对宽带波束指向进行实时调整，对所述终端进行跟踪。当所述服务卫星飞离终端时，所述终端切换到下一个过顶卫星。
优选的，所述地面管理中心对所述空间传输子网列表进行调整，所述空间传输子网的各卫星更新路由表，并将数据包切换到新的路由进行转发。当所述空间传输子网中的卫星发生切换时，所述地面网络管理中心指示退出服务的卫星关闭其宽带模块。
优选的，所述基于L/S波段的窄带通信技术包括但不限于：TDMA、FDMA和CDMA；基于Ku/Ka波段的宽带通信技术包括但不限于：DVB-S2/DVB-RCS。
本发明基于L/S波段的窄带通信，可以提供全球范围的覆盖，而相对的业务速率较低，适宜传送语音、短数据、信令等；基于Ka/Ku/激光的宽带通信，在低轨道高度，较高轨(GEO)***，可以节约链路预算，更容易的提供宽带数据通信，但波束张角小，覆盖范围较小，做连续Ku/Ka波束覆盖的难度很大。基于上述特点，维持低轨卫星***高度不变，用户首先通过L/S波段接入***，并通过该***获取Ku/Ka/激光宽带业务相关的参数和配置(IP/MAC/空口参数等)，有宽带业务需求时，通过窄带通信发送信令，请求建立宽带数据传输通道(比如Internet、VPN等)或者子网(比如IP子网)。卫星***中，根据用户的窄带信令，通过星际链路，将低轨卫星星座中的多颗卫星组成一个传输子网，星际链路进行基带透明转发，从而为用户提供一个宽带数据传输业务/网络。
实施例1：基于低轨卫星星座网络的移动通信***
请参见图1，所述移动通信***包括：卫星终端1、低轨卫星2、星际链路5和位于地面的网络管理中心6，其中低轨卫星2提供如图所示的Ku/KA/激光宽带波束3和L/S窄带波束4。
该***可以支持的IP应用场景如图2～图5所示，包括但不限于：点对点通信、点对多点网络通信、星型网络(Star)通信、Mesh网络通信。
实施例2
1)如图6所示的***中，1、2、3分别为终端1、终端2和终端3，4为低轨卫星，5为星际链路，6为地面网络管理中心，7为S/L窄带波束，8为Ku/Ka/激光宽带波束。
基于L/S的窄带通信可以使用TDMA、FDMA、CDMA等多种通用或者专用制式；基于Ku/Ka的宽带通信可以使用DVB-S2/DVB-RCS或其他制式。假设在Ka波段，上行使用DVB-RCS，下行使用DVB-S2，卫星终端宽带业务模块支持对IP的封装和转发处理。
2)卫星星座支持全球覆盖，所有终端初始通过S/L窄带波束接入网络；
3)终端1要使用宽带数据业务，首先通过S/L窄带信令将业务请求被转发给地面网络管理中心；
宽带业务分为两种，一种是数据接入服务，比如接入地面Internet网络或者地面专用网络；一种是卫星子网，多个卫星终端组成的虚拟子网；
4)地面网络管理中心根据终端业务属性确定空间卫星传输子网列表。
对于数据接入业务，终端数据包通过星间链路转发地面网关；对于卫星子网业务，地面网络管理中心确定与终端1相同子网的终端所在的卫星列表，然后发送组网请求给列表中的所有卫星；
5)卫星收到宽带数据业务请求后，分配宽带资源，开启宽带波束，与卫星终端联网；需要对终端寻呼时，使用S/L窄带通信链路进行寻呼，指示终端的精确位置，便于Ka波束跟踪。卫星根据传输子网列表，计算数据包的转发路由，建立星上转发表。转发路由可能需要经过多跳才能到达目标卫星。
6)数据转发过程：UT支持IP协议栈和DVB协议栈，从PC侧收到IP包后，发送给DVB协议栈，将IP包使用MPE封装，然后进行MPEG2TS拆分，经过空中接口与卫星交互；卫星将终端用户空口Ka信号进行解调，恢复为基带数据，根据转发表，将基带数据透明转发给下一跳卫星；下一跳卫星对该数据进行链路层转发。
7)多个卫星终端之间便构成了IP子网，可以进行数据传输，与地面使用没有差异。
8)终端的服务卫星在服务过程中，宽带波束实时进行调整，对用户进行跟踪；
9)服务卫星飞行离开终端时，终端切换到下一颗过顶的卫星。切换时，地面网络管理中心对传输子网进行调整，传输子网的各卫星更新路由表，并将数据包切换到新的路由进行转发。
上述实施例中，卫星同时支持基于L/S的窄带业务和基于Ku/Ka/激光的宽带业务。窄带通信和宽带通信协同操作，窄带通信负责信令传输和引导，利用窄带业务的覆盖范围优势弥补宽带通信的覆盖范围小的缺点，通过L/S的信令来完成Ku/Ka/激光数据业务的组网；Ku/Ka/激光提供宽带数据传输业务。卫星通信载荷支持基带交换，并且卫星之间支持星际链路，使用户数据能够在卫星子网之间进行基带转发；地面网络管理中心对网络拓扑进行管理，支持宽带数据组网维护和终端移动性管理。当卫星运动离开用户，用户链路发生切换时，地面网络管理中心和星上交换模块更改卫星传输子网链路层路由，保证用户数据的无缝切换。
通过以上实施例可以看出，本发明的优点在于：
1、使用低轨卫星提供IP宽带业务时，星地传输时延小，不需要对TCP协议进行改造，不需要使用专用的协议适配设备，简化了业务使用模式；
2、低轨道与高轨道相比，从800km到36000km，链路预算可以节省十几个dB，可用于提高信号质量或者节省星上功率；
3、优点1和优点2的获取，并不影响用户业务的带宽、以及***对用户的连续服务体验。相比于GEO/MEO***，L/S窄带星座***可以做到全球无缝覆盖，而GEO***只能覆盖三分之一面积，且对于高纬度地区覆盖能力较差；L/S***则能够做到全球覆盖，相当于扩展了Ku/Ka/激光的宽带业务覆盖范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (22)

1.一种基于低轨卫星星座网络的移动通信***，所述***包括至少一颗低轨卫星，其特征在于，所述低轨卫星为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，当用户终端位于不同卫星时，所述***还提供所述多个低轨卫星之间的星际链路传输。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述低轨卫星包括窄带模块、宽带模块和星际链路模块；
所述窄带模块用于为用户终端提供无线接入；实现窄带业务；监听***业务并收发信令；为宽带波束指示用户精确位置，并根据用户需求实现动态分配；
所述宽带模块用于提供宽带业务，根据所述窄带模块的信令进行宽带业务组网，将宽带波束实时动态指向用户终端；
所述星际链路模块用于为所述窄带通信模块和所述宽带通信模块在所述低轨卫星之间提供基于基带的透明传输。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述宽带模块在无用户业务时关闭。
5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，还包括地面网络管理中心，
所述地面网络管理中心用于根据用户终端业务，确定组成空间传输子网的卫星列表，并指示所述低轨卫星组建所述空间传输子网。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述地面网络管理中心还用于在所述空间传输子网存续期间维护所述空间传输子网的拓扑，具体包括：
当所述卫星随轨道运动发生切换后，更改所述空间传输子网拓扑，通知所述空间传输子网更改链路层参数，完成用户切换和子网的卫星切换。
7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述地面网络管理中心还用于根据业务情况，指示所述低轨卫星关闭其宽带模块。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的***，其特征在于，所述低轨卫星星座网络基于L/S波段提供全球覆盖。
9.一种基于低轨卫星星座网络的移动通信方法，其特征在于包括：所述低轨卫星星座网络为用户提供基于L/S波段的窄带通信和基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信；所述窄带通信与宽带通信协同操作。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述协同操作包括：所述窄带通信负责信令传输和引导，通过窄带信令完成宽带数据业务的组网；所述宽带通信通过窄带通信的指引完成宽带数据业务的传输。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当用户终端位于不同卫星时，所述星座网络还提供所述多个低轨卫星之间的星际链路传输。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于L/S波段的窄带通信用于为用户终端提供无线接入，提供语音、短数据和信令的传送；所述基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信用于为用户提供宽带数据传送。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括：
用户通过所述窄带通信接入星座网络，从地面网络管理中心获取IP参数
用户通过窄带通信发送宽带数据业务传输请求，所述传输请求被转发给地面管理中心，地面管理中心根据业务信息寻址其他终端或数据转发通道，确定空间传输子网的卫星列表，向列表中的卫星发送组网请求；
收到所述组网请求的卫星开启宽带模块，控制其星际链路模块，向所述空间传输子网中的其他卫星建立基带透明传输通道。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述IP参数包括但不限于：IP地址、子网参数、业务优先级和/或业务带宽。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：当需要对终端进行寻呼时，使用基于S/L的窄带通信进行寻呼，指示终端的精确位置。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：当有数据需要转发时，所述空间传输子网中的卫星根据所述卫星列表，计算数据包的转发路由，建立星上转发路由表。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述终端的服务卫星在服务过程中通过窄带信息对宽带波束指向进行实时调整，对所述终端进行跟踪。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：当所述服务卫星飞离终端时，所述终端切换到下一个过顶卫星。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：当所述空间传输子网中的卫星发生切换时，所述地面管理中心对所述空间传输子网列表进行调整，所述空间传输子网的各卫星更新路由表，并将数据包切换到新的路由进行转发。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：当所述空间传输子网中的卫星发生切换时，所述地面网络管理中心指示退出服务的卫星关闭其宽带模块。
21.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于L/S波段的窄带通信技术包括但不限于：TDMA、FDMA和CDMA；基于Ku/Ka波段/激光的宽带通信技术包括但不限于：DVB-S2/DVB-RCS。
22.根据权利要求9～21任意一项所述的方法，其特征在于，所述低轨卫星星座网络基于L/S波段提供全球覆盖。
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