CN111245503B - 一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法，地面通信的控制站向小区内移动站广播Beacon信号；根据地面通信Beacon信号的覆盖范围划分出保护区和共享区。卫星的有效全向辐射功率不大于最大有效全向辐射功率的情况下，卫星使用地面下行通信频谱和/或卫星专用下行通信频谱向移动站传输信号。当移动站位于保护区，移动站使用卫星专用上行通信频谱向卫星传输信号；当移动站位于共享区，移动站使用地面上行通信频谱和/或卫星专用上行通信频谱向卫星传输信号；卫星根据地面上行通信频谱上的干扰强度，调度合适的地面上行通信时频资源和设置合适的调制编码参数用于移动站向卫星传输信号。

Description

一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法
技术领域
本发明涉及通信领域，并且更具体地，涉及一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法。
背景技术
为实现E-航海(e-Navigation)中日益丰富的海事服务，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)和国际航标协会(The InternationalAssociation of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA)提出甚高频(VHF,Very High Frequency)数据交换***(VDES，VHF Data Exchange System)，该***既包括无中心控制的自组织式的通信方式，也包括有中心控制的集中式的资源调度通信方式。其中，集中式的资源调度通信方式中包括用于地面岸站与移动站通信的地面通信VDE-TER，和用于卫星和移动站通信的卫星通信VDE-SAT两部分。国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)在VHF海事移动频段分别为VDE-TER和VDE-SAT分配了频谱，同时表明在不对VDE-TER通信造成影响的前提下(例如不存VDE-TER通信的高海区域)，允许VDE-SAT使用VDE-TER频谱进行通信，使得同频干扰成为一个不可忽视的问题。
为了最大化频谱资源利用率和***整体频谱效率，需要研究VDE-TER和SAT之间的频谱共享机制。现有M.2092-0技术文档采用的方法是，VDE-SAT使用卫星专用频谱，再设置一段VDE-TER专用频谱，其余频谱资源则让VDE-TER和SAT分时使用。这种静态频谱共享方案虽然简单，但是卫星部分只能与VDE-TER共享使用一部分频谱资源，并未最大化频谱利用率。IALA给出的频谱资源共享方案是，让岸站获取卫星空间站的公告牌信息，再通过岸站的控制信令协调时频资源。但是，缺乏岸站获取卫星空间站的公告牌信息的具体方案，且当前IALA的G1139技术文档中，VDE-SAT和TER的信道配置结构不统一，尤其是公告牌信令设计不统一，很难保证公告牌信号不会被干扰，造成获取不到公告牌信号的情况发生。此外，通过中心控制站配置时频资源时，现有技术也没有给出监测共享频谱上的信道干扰强度的机制，很难在满足***服务质量(Quality of Service,QoS)的同时保证时频资源最大化利用。
发明内容
本发明提供一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法，目的是在最小化地面通信和卫星通信之间的干扰的同时最大化频谱利用率和***整体频谱效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法，卫星通信和地面通信均为有中心控制的集中式资源调度通信方式，卫星通信包括卫星和移动站，地面通信包括控制站和移动站，其特征在于，所述方法包括：
1)地面通信的控制站使用地面下行通信频谱向小区内移动站广播Beacon信号，所述Beacon信号为周期性广播的地面通信***配置信息信号；
2)根据Beacon信号的覆盖范围划分出保护区和共享区，在Beacon信号覆盖范围内的为保护区，在Beacon信号覆盖范围外的为共享区，所述保护区大于地面通信小区大小，在地面通信小区范围内的移动站与控制站间使用地面通信频谱进行双向地面通信；
3)在保证地面通信***通信正常的情况下，卫星通信中的卫星共享地面下行通信频谱向移动站传输信号；
4)移动站周期性检测地面通信控制站广播的Beacon信号以确定位于保护区和共享区的某一个区域中，移动站位于保护区时不共享地面上行通信频谱向卫星传输信号，移送站位于共享区时共享地面上行通信频谱向卫星传输信号。
进一步地，无论在保护区还是共享区，卫星通信均不共享地面通信控制站传输所述地面Beacon信号使用的时频资源，以保护Beacon信号免受卫星通信干扰。
进一步地，卫星通信中卫星使用的有效全向辐射功率不大于最大有效全向辐射功率的情况下，所述卫星在保护区和共享区使用地面下行通信频谱和/或卫星专用下行通信频谱向移动站传输信号，所述最大有效全向辐射功率是根据卫星下行最大允许功率通量密度确定的，最大允许通量密度为国际电信联盟无线电通信部门在ITU-R M.2090建议书中规定的用于保护地面通信***正常通信的功率通量密度掩码。
进一步地，包括：
当移动站未成功检测到所述Beacon信号，则确定其位于共享区，所述移动站使用地面上行通信频谱和/或卫星专用上行通信频谱向卫星传输信号；
当移动站成功检测到所述Beacon信号，则确定其位于保护区，所述移动站使用卫星专用上行通信频谱向卫星传输信号。
进一步地，当移动站在共享区使用地面上行通信频谱时，卫星通信中的卫星根据地面上行通信频谱上的干扰强度，调度合适的地面通信时频资源和设置合适的调制编码参数用于所述移动站向卫星传输信号。
有益效果：本发明相对于现有技术而言：
采用本发明的卫星通信与地面通信的频谱共享方法，可使得卫星通信最大程度的共享地面通信的频谱资源，提高频谱利用率。在共享区，卫星根据监测地面通信频谱上的干扰强度来为移动站分配合适的时频资源和设置合适的调制编码参数可最大化整体频谱效率。
附图说明
图1为ITU在VHF海事移动频段上分配给VDE-TER和VDE-SAT的频谱示意图；
图2为本发明实施例提出的根据地面Beacon信号覆盖范围划分出共享区和保护区的示意图；
图3为本发明实施例中移动站判断所处位置并选择不同频谱向卫星传输信号的流程图；
图4为本发明实施例提出的移动站分别位于保护区和共享区时，选择不同频谱向卫星传输信号的示意图。
具体实施方式
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。
以下阐述本发明的实施方式时，以VDES***中的地面通信VDE-TER和卫星通信VDE-SAT为例。移动站可以是无线传感器、船舶、VHF频段通信设备以及其它可以接收VDES信号的设备；地面通信控制站可以是基站、岸站、网络接入点等；当这些名词出现替代使用的情况时，本领域的技术人员可以理解其含义。
参阅图1所示，其示出了一种VDE-TER和VDE-SAT通信的频谱方案，处于VHF海事移动频段的范围内(其频率范围为156MHz至174MHz)。VHF海事移动频段以25kHz为单位带宽划分为多个信道(channel)，ITU对一些信道制定了频段信道编号(channel index)，如图1中矩形框内部标注的为信道编号。VDES的地面部分VDE-TER频谱包括低频率端的4个25kHz的频谱，记作LTER，其可被用于VDE-TER上行通信或者VDE-TER双工通信；和高频率端4个25kHz的频谱，记作UTER，其可用于VDE-TER下行通信。卫星部分VDE-SAT频谱包括低频率端的2个25kHz的卫星专用频谱，记作LSAT，其可用于VDE-SAT上行通信或者VDE-SAT双工通信；和高频率端2个25kHz的卫星专用频谱，记作USAT，其可用于VDE-SAT下行通信或者VDE-SAT双工通信。为了最大化VDE-TER频谱利用率，VDE-SAT也可使用高低频率端带宽分别为100kHz的地面通信VDE-TER频谱。问题在于，由于卫星的移动性，其视野范围远大于地面通信覆盖范围；当卫星视野和地面通信范围有重叠时，如果不采取有效的地面通信与卫星通信频谱共享机制，VDE-SAT和VDE-TER共享频谱将对重叠覆盖区域的船舶接收信号产生干扰，反之，船舶给岸站发送的信号也可能对卫星接收移动站的信号产生干扰，从而影响整个VDES***的通信质量。
为了降低VDE-SAT和VDE-TER之间共享频谱产生的干扰，本发明实施例提供一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法。卫星通信VDE-SAT和地面通信VDE-TER均为有中心控制的集中式资源调度通信方式，其中，卫星通信包括中心控制卫星和移动站，地面通信包括中心控制站(或岸站)和移动站。首先，请参考图2，地面通信VDE-TER的控制站向小区内移动站广播Beacon信号，Beacon信号为周期性广播的地面通信***配置信息信号。然后，根据Beacon信号的覆盖范围划分出保护区和共享区，在Beacon信号覆盖范围内的为保护区，在Beacon信号覆盖范围外的为共享区，保护区大于地面通信的小区大小。在地面通信小区范围内的移动站与控制站间使用地面通信频谱进行双向地面通信。在保护区内且位于地面通信小区范围之外的区域可称之为缓冲区，缓冲区的作用是保护地面通信小区边缘的移动站的通信服务质量(Quality of Service,QoS)。
缓冲区以地面通信VDE-TER小区半径50海里(约等于90km)，保护区大小为110km为例，请参考图2，在保护区内且大于地面通信VDE-TER覆盖小区范围外的区域为缓冲区，也即以地面通信控制站为中心点，距离控制站距离在90km到100km之间的范围。
为了保护地面通信控制站传输的地面Beacon信号，使其免于卫星通信的干扰，无论在保护区还是共享区，卫星通信均不共享地面通信控制站传输所述地面Beacon信号使用的时频资源。因为移动站是通过检测Beacon信号判断是处于保护区还是共享区，因此保护Beacon信号使其免于卫星通信干扰，可有效提升移动站接收Beacon信号的性能，降低移动站处在保护区却因为未成功检测Beacon信号误判处于共享区情况发生的概率。需要说明的是，Beacon信号拥有免受卫星通信干扰的保护，因此Beacon信号的覆盖范围可以做到大于地面通信小区大小，从而保证了缓冲区的存在。
在保证地面通信***通信正常的情况下，卫星通信中的卫星共享地面下行通信频谱向移动站传输信号。为了保护VHF海事移动频段范围内部署的陆地移动***服务，ITU规定VDE-SAT通信中卫星下行要受到最大允许功率通量密度(Power Flus Density,PFD)的限制。根据国际电联无线电通信部门在ITU-R M.2090建议书中规定的最大允许通量密度或功率通量密度掩码(PFD mask)限制，相应有卫星最大有效全向辐射功率(EquivalentIsotropically Radiated Power，EIRP)限制。在卫星使用的有效全向辐射功率不大于最大有效全向辐射功率的情况下，卫星在保护区和共享区都可使用地面VDE-TER下行通信频谱向移动站传输信号，而不会对VDE-TER中岸站与移动站的双向通信带来干扰。具体参考图2，VDE-SAT中卫星可使用VDE-TER下行通信频谱UTER和/或VDE-SAT专用下行通信频谱USAT(也即UTER∪USAT)向地面移动站的传输信号。
请参考图3，其示出了移动站判断所处位置并选择不同频谱向卫星传输信号的流程图。如前所述，地面Beacon信号通常是周期性广播的***配置信息信号，如地面站Bulletin Board广播信号。因此移动站总是周期性监测地面Beacon信号。当移动站成功检测到所述Beacon信号，则确定其位于保护区，移动站不可使用地面通信频谱向卫星传输信号，只能使用卫星专用上行通信频谱LSAT，如图4中所示。
继续参考图3，当移动站未成功检测到所述Beacon信号，则确定其位于共享区。这种情况下，移动站使用地面上行通信频谱LTER和/或卫星专用上行通信频谱外LSAT向卫星传输信号，也即移动站的可用频谱为LTER∪LSAT，如图4中所示。考虑到卫星视野覆盖范围远大于地面通信小区大小，移动站在VDE-TER上行通信频谱LTER向卫星传输信号很可能受到移动站给岸站传输信号的干扰，因此卫星总是监测VDE-TER上行通信频谱LTER上的干扰强度，并根据干扰强度不同分配地面通信时频资源和设置合适的调制编码参数用于相应的移动站向卫星传输信号，以便在满足移动站QoS的同时最大化整体***频谱效率。
以上所述即是本发明的技术方案，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种卫星通信与地面通信的频谱共享方法，卫星通信和地面通信均为有中心控制的集中式资源调度通信方式，卫星通信包括卫星和移动站，地面通信包括控制站和移动站，其特征在于，所述方法包括：
1)地面通信的控制站使用地面下行通信频谱向小区内移动站广播Beacon信号，所述Beacon信号为周期性广播的地面通信***配置信息信号；
2)根据Beacon信号的覆盖范围划分出保护区和共享区，在Beacon信号覆盖范围内的为保护区，在Beacon信号覆盖范围外的为共享区，所述保护区大于地面通信小区大小，在地面通信小区范围内的移动站与控制站间使用地面通信频谱进行双向地面通信；
3)在保证地面通信***通信正常的情况下，卫星通信中的卫星共享地面下行通信频谱向移动站传输信号；
4)移动站周期性检测地面通信控制站广播的Beacon信号以确定位于保护区和共享区的某一个区域中，移动站位于保护区时不共享地面上行通信频谱向卫星传输信号，移送站位于共享区时共享地面上行通信频谱向卫星传输信号；
无论在保护区还是共享区，卫星通信均不共享地面通信控制站传输所述地面Beacon信号使用的时频资源，以保护Beacon信号免受卫星通信干扰。
2.根据权利要求1所述的卫星通信与地面通信的频谱共享方法，其特征在于，卫星通信中卫星使用的有效全向辐射功率不大于最大有效全向辐射功率的情况下，所述卫星在保护区和共享区使用地面下行通信频谱和/或卫星专用下行通信频谱向移动站传输信号，所述最大有效全向辐射功率是根据卫星下行最大允许功率通量密度确定的，最大允许功率通量密度为国际电信联盟无线电通信部门在ITU-R M.2090建议书中规定的用于保护地面通信***正常通信的功率通量密度掩码。
3.根据权利要求1所述的卫星通信与地面通信的频谱共享方法，其特征在于，包括：
当移动站未成功检测到所述Beacon信号，则确定移动站位于共享区，所述移动站使用地面上行通信频谱和/或卫星专用上行通信频谱向卫星传输信号；
当移动站成功检测到所述Beacon信号，则确定移动站位于保护区，所述移动站使用卫星专用上行通信频谱向卫星传输信号。
4.根据权利要求3所述的卫星通信与地面通信的频谱共享方法，其特征在于，当移动站在共享区使用地面上行通信频谱时，卫星通信中的卫星根据地面上行通信频谱上的干扰强度，调度合适的地面通信时频资源和设置合适的调制编码参数用于所述移动站向卫星传输信号。
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