CN112968973A - 一种非地面网络通信***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非地面网络通信***及方法，包括：空中通信平台、物联网终端、代理节点以及基站；物联网终端与基站之间建立上行链路传输与下行链路传输；所述物联网终端与基站之间建立上行链路传输包括经过物联网终端、代理节点、空中通信平台以及基站的通信节点；所述物联网终端与基站之间建立下行链路传输包括经过基站、空中通信平台以及物联网终端的通信节点。

Description

一种非地面网络通信***及方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，具体地，涉及一种非地面网络通信***及方法。
背景技术
本发明涉及非地面网络(NTN，Non-terrestrial networks)，具体是指一种非地面网络通信***，适用于以5G(第五代移动通信***)及B5G(后5G移动通信***)为代表的空中通信平台与地面通信网络融合的移动宽带通信***。
随着5G(第五代移动通信***)技术的日益成熟，以卫星为代表的非地面通信平台与地面通信网络的融合引起了越来越多的关注，包括3GPP(第三代移动通信伙伴项目)、ITU(国际电信联盟)在内的标准化组织成立了专门工作组着手研究星地融合的标准化问题，业内的领先企业与研究组织也投入到星地一体化的研究和产业化工作当中。
以3GPP(第三代移动通信伙伴项目)为例，从R14(第14版本)开始着手开展星地融合的研究工作。在3GPP名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目中，定义了包括卫星网络在内的非地面网络(NTN，Non-terrestrial networks)的部署场景。在技术规范TS22.261中，对卫星在5G***中的角色和优势进行了探讨。作为5G多种接入技术之一，卫星在一些要求广域覆盖的工业应用场景中具有明显优势，可以在地面网络覆盖薄弱地区提供低成本覆盖方案。
对于B5G和6G移动通信***，如何在非地面网络中承载物联网业务，是亟需解决的关键技术问题之一。物联网终端设备往往功率受限、处理能力受限、无定位能力。诸多软硬件能力限制，导致物联网终端设备无法像传统宽带设备一样容易地与卫星等非地面网络通信节点结合，形成融合式的通信***。现有的物联网传输体制，传输距离在几米至几千米量级；在非地面网络应用场景下，物联网终端与非地面网络的传输距离将达到几十千米直至数万千米。尤其是上行链路，物联网终端有限的发射功率，无法有效支撑其与空中通信平台的正常通信能力。相比之下，在下行链路方面，物联网终端接收能力不会明显受到较长通信距离的影响。
地面物联网终端接入空中通信平台的现有技术思路是，通过网关弥补物联网设备通信能力的不足。这种通信架构下，空中通信平台的下行通信能力受限，需要通过网关进行空中通信平台与物联网终端之间的数据中继，网关成为空中通信平台与地面物联网终端之间通信能力的瓶颈，恶化通信时延和数据吞吐量性能指标，加大通信信令开销。
综上所述，考虑到非地面网络中空中通信平台与地面物联网终端之间的非对称传输能力，现有技术思路在非地面网络承载物联网终端业务情况下存在明显的技术缺陷。
本发明物联网终端或者物联网设备泛指位于地球表面附近、由于电源受限或者发射功率受限等因素使得与空中通信平台的上行通信链路预算不足的通信设备。其中，与空中通信平台的上行通信链路预算不足，可能是物联网终端持久性面临的问题、或者是暂时性面临的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非地面网络通信***及方法。
根据本发明提供的一种非地面网络通信***，包括：空中通信平台、物联网终端、代理节点以及基站；
物联网终端与基站之间建立上行链路传输与下行链路传输；
所述物联网终端与基站之间建立上行链路传输包括经过物联网终端、代理节点、空中通信平台以及基站的通信节点；
所述物联网终端与基站之间建立下行链路传输包括经过基站、空中通信平台以及物联网终端的通信节点。
优选地，所述空中通信平台能够与物联网终端及代理节点建立通信连接；
所述空中通信平台包括静止轨道卫星GEO、中轨道卫星MEO、低轨道卫星LEO、无人机以及升空热气球。
优选地，所述代理节点实现上行链路中继功能，具有达到预设要求的发射功率以及软硬件处理能力，能够与空中通信平台建立通信链路。
优选地，所述基站包括具备无线通信网络空中接口汇聚能力的逻辑处理实体，包括移动蜂窝通信***基站和无线通信***接入口。
优选地，所述空中通信平台以及基站包括：空中通信平台以及基站为两个独立的逻辑通信节点，实际网络中允许共址建设或者实现在同一物理通信实体中。
优选地，所述上行链路和下行链路包括：上行链路和下行链路的通信链接包括单链接、双链接和/或多链接的传输方式。
所述单链接包括物联网终端与基站之间仅存在一条上行传输路径或一条下行传输路径。
所述双链接包括物联网终端与基站之间存在两条上行传输路径或两条下行传输路径。
所述多链接包括物联网终端与基站之间存在三条及三条以上的上行传输路径或三条及三条以上的下行传输路径。
优选地，所述空中通信平台包括：空中通信平台对于上行链路和下行链路的通信功能包括透明转发和信号再生的传输方式；
所述透明转发包括空中通信平台对接收到无线信号仅在完成射频处理与相关操作后便转发出去；
所述信号再生包括空中通信平台对接收到的无线信号完成部分或者全部的基站的通信***空口协议处理流程后转发出去。
优选地，所述代理节点实现上行链路中继功能包括：代替一个或者多个物联网终端实现与空中通信平台的上行通信；
所述代理节点包括预先设定或临时选定；
所述代理节点包括地面固定、地面移动、空中固定以及空中移动形态。
优选地，所述上行链路和下行链路包括：参与上行链路与下行链路通信的空中通信平台、物联网终端、代理节点两两之间的空中接口技术包括完全相同、部分相同或完全不同。
根据本发明提供的一种非地面网络通信方法，包括：物联网终端与基站之间建立上行链路传输与下行链路传输；
所述物联网终端与基站之间建立上行链路传输包括经过物联网终端、代理节点、空中通信平台以及基站的通信节点；
所述物联网终端与基站之间建立下行链路传输包括经过基站、空中通信平台以及物联网终端的通信节点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明解决了上行功率受限的物联网终端与非地面网络空中通信平台，无法建立持续有效上行通信链路的问题；
2、低电源、发射功率受限的物联网终端能够无障碍建立与非地面网络空中通信平台的上行链路，并能够在电源电量耗尽前维持更长时间的通信能力。
3、本发明同时兼顾了非地面网络承载物联网业务时，更长的上行通信时长和较高的下行通信效率两个方面的***设计诉求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为以地面基站为代理节点的透明架构非地面网络通信***实例；
图2为以无人机为代理节点的再生架构非地面网络通信***实例。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
针对现有技术的不足：物联网终端的有限发射功率，无法有效支撑其与空中通信平台上行链路的持续正常通信能力。现有的物联网终端接入空中通信平台的技术思路无法同时兼顾上行功率受限和下行通信效率两个方面的***约束。针对5G及后5G移动通信***中非地面网络承载物联网的问题，本发明提供了一种非地面网络通信***。针对非地面网络承载物联网业务的应用场景，该通信***包括空中通信平台、物联网终端、代理节点、基站等通信节点。其中，物联网终端与基站之间的上行链路传输需要经过代理节点的中继，上行通信链路包括物联网终端、代理节点、空中通信平台、基站等通信节点；下行链路传输不经过代理节点，仅包括基站、空中通信平台、物联网终端等通信节点。
根据本发明提供的一种非地面网络通信***，该通信***包括空中通信平台、物联网终端、代理节点、基站等通信节点。
具体地，物联网终端与基站之间的上行链路传输需要经过物联网终端、代理节点、空中通信平台、基站等通信节点。
具体地，物联网终端与基站之间的下行链路传输需要经过基站、空中通信平台、物联网终端等通信节点。
具体地，空中通信平台适用于所有能够与物联网终端及代理终端建立通信连接的空中通信平台类型，包括但不仅限于GEO(静止轨道卫星)、MEO(中轨道卫星)、LEO(低轨道卫星)、无人机、升空热气球等。
具体地，本通信***的物联网终端指，因为发射功率受限，无法直接与空中通信平台建立上行连接的终端设备，或者出于节省功率考虑，优先考虑通过代理节点中继，间接与空中通信平台建立上行连接的终端设备。
具体地，本通信***的代理节点，具有足够的发射功率和软硬件处理能力，可以建立与空中通信平台的通信链路。
具体地，本通信***的基站，泛指所有具备无线通信网络空中接口汇聚能力的逻辑处理实体，包括但不仅限于移动蜂窝通信***基站、无线通信***接入点(AP)。
具体地，空中通信平台与基站为两个独立的逻辑通信节点，实际网络中允许共址建设或者实现在同一物理通信实体中。
具体地，物联网终端与基站之间的上行链路和下行链路的通信链路，可能包括单链接、双链接、多链接等传输方式。
单链接指，某个物联网终端与某个基站之间仅存在一条上行传输路径、或者一条下行传输路径。
双链接指，某个物联网终端与某个基站之间存在两条上行传输路径、或者两条下行传输路径。
多链接指，某个物联网终端与某个基站之间存在三条及三条以上的上行传输路径、或者三条及三条以上的下行传输路径。
具体地，空中通信平台对于上行链路和下行链路的通信功能，包括但不仅限于透明转发、信号再生等传输方式。
透明转发指，空中通信平台对接收到无线信号，仅在完成射频处理与相关操作后，便转发出去。
信号再生指，空中通信平台对接收到的无线信号，完成部分或者全部的基站的通信***空口协议处理流程后，转发出去。
具体地，代理节点实现上行链路中继功能，代替一个或者多个物联网终端实现与空中通信平台的上行通信。
代理节点的选定，可以是预先设定，或者临时选定。
代理节点可以是地面固定、地面移动、空中固定、空中移动等形态；
具体地，参与上行链路与下行链路通信的空中通信平台、物联网终端、代理节点两两之间的空中接口技术可以完全相同、部分相同或者完全不同。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
图1为以地面基站为代理节点的透明架构非地面网络通信***实例。
该非地面网络通信***实例包括空中通信平台LEO卫星、地面物联网终端、代理节点、基站等通信节点。
地面物联网终端与基站之间的上行链路传输需要经过地面物联网终端、代理节点、空中通信平台LEO卫星、基站等通信节点。
地面物联网终端与基站之间的下行链路传输需要经过基站、空中通信平台LEO卫星、地面物联网终端等通信节点。
该通信***实例中，空中通信平台为LEO(低轨道卫星)。
该通信***实例中，地面物联网终端涉及火警传感器、电力阀门等物联网设备。这些物联网设备电池电量有限，或者当前的剩余电量不足，通过代理节点建立与空中通信平台LEO卫星的上行链路是更优选项。
该通信***实例中，代理节点为一个符合3GPP标准的移动通信***基站，具有足够的发射功率和软硬件处理能力，可以高效地建立与空中通信平台LEO卫星的通信链路。
该通信***实例中，基站为一个符合3GPP标准的移动通信***基站，具有完整的蜂窝移动通信***空口协议处理能力。
该通信***实例中，空中通信平台LEO卫星与基站为两个独立的物理通信节点，逻辑功能实现在两个不同的物理实体中。
该通信***实例中，某个地面物联网终端与基站之间仅存在一条上行/下行传输路径，为单链接传输方式。
该通信***实例中，空中通信平台LEO卫星对于上行链路和下行链路的通信功能，属于透明转发传输方式，即空中通信平台LEO卫星对接收到无线信号，仅在完成射频处理与相关操作后，便转发出去。
由代理节点基站实现上行链路中继功能，代替多个地面物联网终端实现与LEO卫星的上行通信。物联网终端及代理节点基站的通信环境稳定，代理节点为地面固定模式，以预先设定方式选定代理节点。
参与上行链路与下行链路通信的LEO卫星、地面物联网终端、代理节点基站两两之间的空中接口技术完全相同，均为5G空口技术。
实施例3
实施例3是实施例1和/或实施例2的优选例
图2为以无人机为代理节点的再生架构非地面网络通信***实例
该非地面网络通信***实例包括空中通信平台LEO卫星、地面物联网终端、代理节点无人机、基站等通信节点。
地面物联网终端与基站之间的上行链路传输需要经过地面物联网终端、代理节点无人机、空中通信平台LEO卫星、基站等通信节点。
地面物联网终端与基站之间的下行链路传输需要经过基站、空中通信平台LEO卫星、地面物联网终端等通信节点。
该非地面网络通信***实例中，空中通信平台为LEO(低轨道卫星)。
该通信***实例中，地面物联网终端涉及火警传感器、电力阀门等物联网设备。这些物联网设备电池电量有限，或者当前的剩余电量不足，通过代理节点无人机建立与空中通信平台LEO卫星的上行链路是更优选项。
该通信***实例中，代理节点为无人机，具有足够的发射功率和软硬件处理能力，可以高效地建立与空中通信平台LEO卫星的通信链路。
该通信***实例中，基站为一个符合3GPP标准的移动通信***基站，具有完整的蜂窝移动通信***空口协议处理能力。
该通信***实例中，空中通信平台LEO卫星与基站为一个独立的物理通信节点，逻辑功能均实现在空中通信平台LEO卫星中。
该通信***实例中，某个地面物联网终端与基站之间仅存在一条上行/下行传输路径，为单链接传输方式。
空中通信平台LEO卫星对于上行链路和下行链路的通信功能，属于信号再生传输方式，即空中通信平台LEO卫星对接收到的无线信号，完成部分或者全部的基站的通信***空口协议处理流程后，转发出去。
由代理节点无人机实现上行链路中继功能，代替多个地面物联网终端实现与LEO卫星的上行通信。物联网终端与代理节点无人机可能属于临时部署，通信环境与通信关系不稳定，代理节点无人机为空中移动模式，以临时选定方式选定代理节点。
参与上行链路与下行链路通信的LEO卫星、地面物联网终端、代理节点无人机两两之间的空中接口技术不同。LEO卫星与地面物联网终端、LEO卫星与代理节点无人机之间的通信接口为WiFi空口技术，地面物联网终端与代理节点无人机中继的之间的上行通信链路采用GPRS空口技术。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种非地面网络通信***，其特征在于，包括：空中通信平台、物联网终端、代理节点以及基站；
物联网终端与基站之间建立上行链路传输与下行链路传输；
所述物联网终端与基站之间建立上行链路传输包括经过物联网终端、代理节点、空中通信平台以及基站的通信节点；
所述物联网终端与基站之间建立下行链路传输包括经过基站、空中通信平台以及物联网终端的通信节点。
2.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述空中通信平台能够与物联网终端及代理节点建立通信连接；
所述空中通信平台包括静止轨道卫星GEO、中轨道卫星MEO、低轨道卫星LEO、无人机以及升空热气球。
3.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述代理节点实现上行链路中继功能，具有达到预设要求的发射功率以及软硬件处理能力，能够与空中通信平台建立通信链路。
4.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述基站包括具备无线通信网络空中接口汇聚能力的逻辑处理实体，包括移动蜂窝通信***基站和无线通信***接入口。
5.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述空中通信平台以及基站包括：空中通信平台以及基站为两个独立的逻辑通信节点，实际网络中允许共址建设或者实现在同一物理通信实体中。
6.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述上行链路和下行链路包括：上行链路和下行链路的通信链接包括单链接、双链接和/或多链接的传输方式。
所述单链接包括物联网终端与基站之间仅存在一条上行传输路径或一条下行传输路径。
所述双链接包括物联网终端与基站之间存在两条上行传输路径或两条下行传输路径。
所述多链接包括物联网终端与基站之间存在三条及三条以上的上行传输路径或三条及三条以上的下行传输路径。
7.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述空中通信平台包括：空中通信平台对于上行链路和下行链路的通信功能包括透明转发和信号再生的传输方式；
所述透明转发包括空中通信平台对接收到无线信号仅在完成射频处理与相关操作后便转发出去；
所述信号再生包括空中通信平台对接收到的无线信号完成部分或者全部的基站的通信***空口协议处理流程后转发出去。
8.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述代理节点实现上行链路中继功能包括：代替一个或者多个物联网终端实现与空中通信平台的上行通信；
所述代理节点包括预先设定或临时选定；
所述代理节点包括地面固定、地面移动、空中固定以及空中移动形态。
9.根据权利要求1所述的非地面网络通信***，其特征在于，所述上行链路和下行链路包括：参与上行链路与下行链路通信的空中通信平台、物联网终端、代理节点两两之间的空中接口技术包括完全相同、部分相同或完全不同。
10.一种非地面网络通信方法，其特征在于，包括：物联网终端与基站之间建立上行链路传输与下行链路传输；
所述物联网终端与基站之间建立上行链路传输包括经过物联网终端、代理节点、空中通信平台以及基站的通信节点；
所述物联网终端与基站之间建立下行链路传输包括经过基站、空中通信平台以及物联网终端的通信节点。
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