CN113381801A - 基于gmr-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法 - Google Patents

基于gmr-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GMR‑1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，该方法针对业务信道中随路信令，在业务信道突发格式及随路链路控制信令上进行重新定义，设置增强的业务信道突发格式及增强的随路控制信令，用于实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对变化的链路特性。在业务数据承载的同时，增加随路控制编码数据，以传输实时链路控制信息，同时将GMR‑1中的独特字替换为长度更长的同步码；另外，在业务信道时隙上，增加切换接入突发；链路控制命令LCC固定长度为32比特，包括3比特的LCC类型、29比特的LCC内容。本发明能够实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对快速变化的链路特性。

Description

基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法
技术领域
本发明属于低轨窄带通信***技术领域，特别是一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法。
背景技术
低轨窄带卫星通信***是通过低轨星座进行信号转发的卫星通信***，与宽带卫星通信***不同，它用户链路主要工作在L、S频段，可支持小型化便携式终端。目前世界上已经建设完成的低轨星座卫星通信***主要有Iridium、GlobalStar等，我国主要有虹云、鸿雁等***。一般来说，低轨星座卫星通信***由低轨星座、信关站、用户终端等三部分组成，如图1所示，(1)低轨星座：低轨星座由若干颗分布同一高度不同轨道上的LEO卫星构成，每颗卫星通过多波束实现用户链路频谱资源的高效利用，星座内的所有卫星通过星间链路互联起来，卫星负责维护它们自身之间的星间链路、与信关站和***控制段之间的馈电链路，如图2所示。(2)信关站：信关站作为低轨星座卫星通信***的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信***的业务处理、网络管理、运营管理、业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信***与PSTN、PLMN等地面***的互联互通。(3)用户终端：用户终端由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种手持、便携、车载等各型终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信***的门户和应用平台，用于建立用户与卫星间的数据传输链路，每个终端具备在波束间、卫星间、信关站间的切换能力，能够为用户提供持续不断的业务服务。
为了评估馈电链路信号的动态特性，利用STK构建铱星星座卫星***模拟场景，以北京某地为参考电，仿真该电接收信号的动态特征。1)信号的频率动态特性：从仿真图3、图4可知，用户链路信号多普勒高达50KHz，信号变化率为0.45kHz/s，相对于低轨窄带采用的信号带宽来看，信号具有高动态特性。2)信号的时延特性：由于星座卫星相对地面高速运动，在引入用户链路信号频率动态特性的同时，也造成了用户链路传播时延的变化，图5给出了卫星和信关站可见时馈电链路时延变化的仿真图。从仿真图可知，由于星座卫星相对信关站运动引入的馈电链路传播距离的变化，用户链路传播时延在2.6～8.6ms范围内规律变化，经估算最大的时间变化率为0.025ms/s。从对用户链路的时延和频率变化情况分析来看，在终端通话过程中，需要不断的调整终端的上行定时和频率，以保证与网络侧同步。
GMR-1是ETSI制定的面向窄带GSO卫星移动通信标准，其工作频段为L/S。该标准派生自3GPP系列地面数字蜂窝标准GSM，并支持接入GSM/UMTS核心网络。ACeS、SkyTerra、TerreStar和Thuraya均使用了GMR-1系列标准。GMR-1***由卫星、地球移动站MES(MobileEarth Station)、信关站GS(Gateway Station)和卫星操作中心SOC(satellite operationcenter)等元素组成，在移动用户与固定用户之间，GMR-1***提供GSM基础业务如语音、数据传输、传真、点对点短消息业务，以及小区广播短消息业务和增值业务。通过公共和私人交换电信网络如公共电话交换网(PSTN)，公共陆地移动网(PLMN)，GMR-1***可以实现世界范围内的互联，图6所示给出了GMR-1***的元素组成图。GMR-1定义了三种业务信道及配套的专用控制信道，如表1所示。专用控制信道不仅用于业务建立、释放等业务管控信令传输，也可用于业务过程中时频偏调整、切换、业务控制等信令传输，在业务通信过程中，FACCH通过抢占业务信道的时隙资源来实现，往往对业务传输有一定的影响，SACCH通过业务信道随路来实现，速率较低，在GMR-1标准中，SACCH编码后的比特通过20帧连续的业务信道来传输。
表1 GMR-1业务信道及专用控制信道定义
Figure BDA0003135016640000021
在实际***中，信关站(GS)将不断测量用户终端(UserTerminal)上行业务信道的时频偏信息，当偏差达到一定的门限时，立即通过随路信道FACCH向终端发出时频偏调整指令，该指令调整是渐进的，往往通过连续若干帧的渐进调整才能够保证终端上行发送时间频率偏差在信关站接收窗口中。
在低轨卫星通信***中，由于低轨相对地面高速移动，终端在同一卫星不同波束内、不同卫星之间快速切换，而面向GSO卫星移动通信的GMR-1标准无法满足低轨卫星通信***快速切换要求。
在低轨卫星通信***中，由于低轨相对地面高速移动，在业务通信过程中，星地传输链路的时频偏变化率较大，且用户业务信道不断切换，为了应对高动态链路变化及业务信道切换问题，需要传输一定的控制信令，而面向GSO卫星移动通信的GMR-1标准无法满足低轨业务信道传输控制要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令传输方法，
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，针对业务信道中随路信令，在业务信道突发格式及随路链路控制信令上进行重新定义，设置增强的业务信道突发格式及增强的随路控制信令，用于实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对变化的链路特性。
进一步地，设置增强的业务信道突发格式，具体为：
在业务数据承载的同时，增加随路控制编码数据，以传输实时链路控制信息，同时将GMR-1中的独特字替换为长度更长的同步码；另外，在业务信道时隙上，增加切换接入突发。
进一步地，设置增强的随路控制信令，具体如下：
链路控制命令即LCC为随路控制信令信道，与业务信道共用时频资源，位于业务编码信息之前；链路控制命令固定长度为32比特，包括3比特的LCC类型、29比特的LCC内容，LCC类型包括同步、位置、测量、切换，其中，0代表同步命令，1代表终端位置信息、2代表终端测量信令、3表示切换命令，4表示切换接入、5表示切换完成。
进一步地，当LCC为同步命令时，LCC内容各字段定义如表1所示：
表1 LCC同步命令内容
参数 比特数 功能
Status 1 同步状态，0代表已同步，1代表未同步
Time Offset 14 业务过程中，上行信道定时偏差
Frequece Offset 12 业务过程中，上行信道频率偏差
Reserved 2 保留
同步命令用于终端调整上行发送定时和频率，网络根据终端上行发射突发信号进行测量，当终端上行时频偏达到设定阈值时，向终端发送同步命令，报告终端现在的上行同步状态及时频偏，也能够对终端上行发送的切换接入命令进行响应；该命令仅为下行随路信道。
进一步地，当LCC为终端位置信息时，LCC内容各字段定义如表2所示：
表2 LCC位置信息内容
参数 比特数 功能
Relative Latitude 13 终端相对纬度，与公共参考点之间的差值
Relative Longitude 14 终端相对经度，与公共参考点之间的差值
Reserved 2 保留
终端位置信息命令用于终端定时报告终端经纬度信息，网络根据终端位置信息进行切换决策；该命令仅为上行随路信道，由终端根据GPS或北斗获得定位信息，并经过压缩后上报给网络。
进一步地，当LCC为切换命令时，LCC内容各字段定义如表3所示：
表3 LCC切换命令内容
参数 比特数 功能
TX Time Slot 5 发送时隙编号
TX ARFCN 8 发送载频编号
RX Time Slot 5 接收时隙编号
RX ARFCN 8 接收载频编号
Reserved 3 保留
切换命令是由网络向终端发起切换控制指令，终端根据切换命令切换到下一个波束的相关信道或同波束的另外一个信道中。
进一步地，当LCC为切换接入时，LCC内容各字段定义如表4所示：
表4 LCC切换接入内容
参数 比特数 功能
Retry Counter 5 切换接入重试次数
S-RNTI 20 终端接入网通信标识
RRC Establishment Cause 4 连接建立原因
切换接入指令用于应对异步切换场景，终端上行链路无法与信关站保持同步，该信令采用与随机接入突发一样的突发结构，占据上行业务时隙；该信令仅为上行信令。
进一步地，当LCC为切换完成时，LCC无内容；切换命令完成是由终端通知网络已完成切换，终端在切换后的信道上发送切换完成命令。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)增强了GMR-1标准中业务信道中随路信令的能力，在业务信道突发格式及随路链路控制信令上进行重新定义，使得其能够实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对快速变化的链路特性；(2)采用增强型随路信道信令机制，通过随路传输同步、切换、位置等信息来解决信令传输问题。
附图说明
图1是低轨星座卫星通信***组成示意图。
图2是低轨星座示意图。
图3是北京某地用户链路信号多普勒频移示意图。
图4是北京某地用户链路信号多普勒频移变化率示意图。
图5是北京某地用户链路传播距离变化曲线图。
图6是GMR-1***组成原理图。
图7是TCH3突发结构图。
图8是高动态环境下的增强信道突发结构图。
图9是切换接入突发结构图。
具体实施方式
目前，业界并未制定出满足LEO链路需求的窄带卫星移动通信协议标准，铱星基于地面移动通信协议标准GSM，为适应低轨用户链路特征而进行适应性修改，最终形成满足铱星链路需求的通信体制。本发明基于GMR-1设计出满足低轨卫星通信链路特性的信令设计方式。
本发明一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，针对业务信道中随路信令，在业务信道突发格式及随路链路控制信令上进行重新定义，设置增强的业务信道突发格式及增强的随路控制信令，用于实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对变化的链路特性。
进一步地，设置增强的业务信道突发格式，具体为：
在业务数据承载的同时，增加随路控制编码数据，以传输实时链路控制信息，同时将GMR-1中的独特字替换为长度更长的同步码；另外，在业务信道时隙上，增加切换接入突发。
进一步地，设置增强的随路控制信令，具体如下：
链路控制命令即LCC为随路控制信令信道，与业务信道共用时频资源，位于业务编码信息之前；链路控制命令固定长度为32比特，包括3比特的LCC类型、29比特的LCC内容，LCC类型包括同步、位置、测量、切换，其中，0代表同步命令，1代表终端位置信息、2代表终端测量信令、3表示切换命令，4表示切换接入、5表示切换完成。
进一步地，当LCC为同步命令时，LCC内容各字段定义如表1所示：
表1 LCC同步命令内容
参数 比特数 功能
Status 1 同步状态，0代表已同步，1代表未同步
Time Offset 14 业务过程中，上行信道定时偏差
Frequece Offset 12 业务过程中，上行信道频率偏差
Reserved 2 保留
同步命令用于终端调整上行发送定时和频率，网络根据终端上行发射突发信号进行测量，当终端上行时频偏达到设定阈值时，向终端发送同步命令，报告终端现在的上行同步状态及时频偏，也能够对终端上行发送的切换接入命令进行响应；该命令仅为下行随路信道。
进一步地，当LCC为终端位置信息时，LCC内容各字段定义如表2所示：
表2 LCC位置信息内容
参数 比特数 功能
Relative Latitude 13 终端相对纬度，与公共参考点之间的差值
Relative Longitude 14 终端相对经度，与公共参考点之间的差值
Reserved 2 保留
终端位置信息命令用于终端定时报告终端经纬度信息，网络根据终端位置信息进行切换决策；该命令仅为上行随路信道，由终端根据GPS或北斗获得定位信息，并经过压缩后上报给网络。
进一步地，当LCC为切换命令时，LCC内容各字段定义如表3所示：
表3 LCC切换命令内容
参数 比特数 功能
TXTime Slot 5 发送时隙编号
TX ARFCN 8 发送载频编号
RX Time Slot 5 接收时隙编号
RX ARFCN 8 接收载频编号
Reserved 3 保留
切换命令是由网络向终端发起切换控制指令，终端根据切换命令切换到下一个波束的相关信道或同波束的另外一个信道中。
进一步地，当LCC为切换接入时，LCC内容各字段定义如表4所示：
表4 LCC切换接入内容
参数 比特数 功能
Retry Counter 5 切换接入重试次数
S-RNTI 20 终端接入网通信标识
RRC Establishment Cause 4 连接建立原因
切换接入指令用于应对异步切换场景，终端上行链路无法与信关站保持同步，该信令采用与随机接入突发一样的突发结构，占据上行业务时隙；该信令仅为上行信令。
进一步地，当LCC为切换完成时，LCC无内容；切换命令完成是由终端通知网络已完成切换，终端在切换后的信道上发送切换完成命令。
下面结合及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
在GMR-1标准中，考虑到遮挡、手持终端指向变化可能导致信道功率大幅度变化，因此，在TCH3、TCH6、TCH9等业务信道设计上，增加了随路的功率控制比特，用于实时控制信道收发增益，从而实现链路自适应。链路时频偏变化只能通过业务信道对应的专用控制信道FACCH来进行调整，而GSO的链路时频偏变化较小时，抢占业务信道资源对业务信道影响不大。
但当链路变化较大时，如在低轨通信***中，由于需要连续不断的调整才能够满足业务信道条件，显然GMR-1的设计时不满足应用需求的。为此，本发明增强了GMR-1标准中业务信道中随路信令的能力，在业务信道突发格式及随路链路控制信令(LCC)上进行重新定义，使得其能够实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对快速变化的链路特性，具体如下
(1)增强的业务信道突发格式
这里以TCH3作为例子，在GMR-1标准中TCH3的突发格式定义如图7所示。
TCH3信道对应的快速随路信道FACCH3的突发格式与TCH3突发结构一致，可以看到具备基本同步能力的独特字仅占用了5％的负载，并且独特字同步性能远低于同步码，为此，需要针对高动态环境重新设计信道突发结构，如图8。在业务数据承载的同时，增加随路控制编码数据，以传输实时链路控制信息，同时将GMR-1中的独特字替换为长度更长的同步码。
在某些场景下，如卫星间切换时，可能存在上行链路不同步的情况，为了应对此种情况，在业务信道时隙上，增加切换接入突发，该突发类似于GMR-1中的随机接入突发，如图9所示。
(2)增强的随路控制信令
链路控制命令(LCC，Link Control Command)为随路控制信令信道，与业务信道共用时频资源，位于业务编码信息之前。链路控制命令固定长度为32比特，包括两部分包括3比特的LCC类型、29比特的LCC内容等，LCC类型包括同步、位置、测量、切换等，其中，0代表同步命令，1代表终端位置信息、2代表终端测量信令、3表示切换命令，4表示切换接入、5表示切换完成等。
当LCC为同步命令时，LCC内容各字段定义如下表所示。同步命令主要用于终端调整上行发送定时和频率，网络根据终端上行发射突发信号进行测量，当终端上行时频偏达到一定阈值时，向终端发送同步命令，报告终端现在的上行同步状态及时频偏，也可以对终端上行发送的切换接入命令进行响应。该命令仅为下行随路信道。
表1.1 LCC同步命令内容
参数 比特数 功能 备注
Status 1 同步状态，0代表已同步，1代表未同步
Time Offset 14 业务过程中，上行信道定时偏差
Frequece Offset 12 业务过程中，上行信道频率偏差
Reserved 2 保留
当LCC为位置信息时，LCC内容各字段定义如下表所示。位置信息命令主要用于终端定时报告终端经纬度信息，网络根据终端位置信息进行切换决策。该命令仅为上行随路信道，由终端根据GPS或北斗获得定位信息，并经过压缩后上报给网络。
表1.2 LCC位置信息内容
Figure BDA0003135016640000081
当LCC为切换命令时，LCC内容各字段定义如下表所示。切换命令(handoverCommand)是由网络向终端发起切换控制指令，终端根据切换命令切换到下一个波束的相关信道或同波束的另外一个信道中。
表1.3 LCC切换命令内容
参数 比特数 功能 备注
TX Time Slot 5 发送时隙编号
TX ARFCN 8 发送载频编号
RX TimeSlot 5 接收时隙编号
RX ARFCN 8 接收载频编号
Reserved 3 保留
当LCC为切换接入(Handover Access)时，LCC内容各字段定义如下表所示。该指令主要为应对异步切换场景，终端上行链路无法与信关站保持同步，该信令采用与随机接入突发一样的突发结构，占据上行业务时隙。该信令仅为上行信令。
表1.4 LCC切换接入内容
参数 比特数 功能 备注
Retry Counter 5 切换接入重试次数
S-RNTI 20 终端接入网通信标识
RRC Establishment Cause 4 连接建立原因
当LCC为切换命令完成时，LCC无内容。切换命令完成是由终端通知网络已完成切换，终端在切换后的信道上发送切换完成命令。
本发明增强了GMR-1标准中业务信道中随路信令的能力，在业务信道突发格式及随路链路控制信令上进行重新定义，使得其能够实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对快速变化的链路特性。

Claims (8)

1.一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，针对业务信道中随路信令，在业务信道突发格式及随路链路控制信令上进行重新定义，设置增强的业务信道突发格式及增强的随路控制信令，用于实时对链路的时频偏进行调整及连续切换，以应对变化的链路特性。
2.根据权利要求1所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，设置增强的业务信道突发格式，具体为：
在业务数据承载的同时，增加随路控制编码数据，以传输实时链路控制信息，同时将GMR-1中的独特字替换为长度更长的同步码；另外，在业务信道时隙上，增加切换接入突发。
3.根据权利要求1所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，设置增强的随路控制信令，具体如下：
链路控制命令即LCC为随路控制信令信道，与业务信道共用时频资源，位于业务编码信息之前；链路控制命令固定长度为32比特，包括3比特的LCC类型、29比特的LCC内容，LCC类型包括同步、位置、测量、切换，其中，0代表同步命令，1代表终端位置信息、2代表终端测量信令、3表示切换命令，4表示切换接入、5表示切换完成。
4.根据权利要求3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，当LCC为同步命令时，LCC内容各字段定义如表1所示：
表1 LCC同步命令内容
参数 比特数 功能 Status 1 同步状态，0代表已同步，1代表未同步 Time Offset 14 业务过程中，上行信道定时偏差 Frequece Offset 12 业务过程中，上行信道频率偏差 Reserved 2 保留
同步命令用于终端调整上行发送定时和频率，网络根据终端上行发射突发信号进行测量，当终端上行时频偏达到设定阈值时，向终端发送同步命令，报告终端现在的上行同步状态及时频偏，也能够对终端上行发送的切换接入命令进行响应；该命令仅为下行随路信道。
5.根据权利要求3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，当LCC为终端位置信息时，LCC内容各字段定义如表2所示：
表2 LCC位置信息内容
参数 比特数 功能 Relative Latitude 13 终端相对纬度，与公共参考点之间的差值 Relative Longitude 14 终端相对经度，与公共参考点之间的差值 Reserved 2 保留
终端位置信息命令用于终端定时报告终端经纬度信息，网络根据终端位置信息进行切换决策；该命令仅为上行随路信道，由终端根据GPS或北斗获得定位信息，并经过压缩后上报给网络。
6.根据权利要求3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，当LCC为切换命令时，LCC内容各字段定义如表3所示：
表3 LCC切换命令内容
参数 比特数 功能 TX Time Slot 5 发送时隙编号 TX ARF CN 8 发送载频编号 RX Time Slot 5 接收时隙编号 RX ARFCN 8 接收载频编号 Reserved 3 保留
切换命令是由网络向终端发起切换控制指令，终端根据切换命令切换到下一个波束的相关信道或同波束的另外一个信道中。
7.根据权利要求3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，当LCC为切换接入时，LCC内容各字段定义如表4所示：
表4 LCC切换接入内容
参数 比特数 功能 Retry Counter 5 切换接入重试次数 S-RNTI 20 终端接入网通信标识 RRC Establishment Cause 4 连接建立原因
切换接入指令用于应对异步切换场景，终端上行链路无法与信关站保持同步，该信令采用与随机接入突发一样的突发结构，占据上行业务时隙；该信令仅为上行信令。
8.根据权利要求3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***信令设置方法，其特征在于，当LCC为切换完成时，LCC无内容；切换命令完成是由终端通知网络已完成切换，终端在切换后的信道上发送切换完成命令。
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