一种快速波束搜索方法、终端及卫星通信系统与流程

1.本发明属于卫星通信技术领域，涉及波束搜索测量，特别涉及一种快速波束搜索方法、终端及卫星通信系统。


背景技术：

2.spacex(美国太空探索技术公司)计划将约1.2万颗通信卫星发射到轨道，其中包括1584颗近地轨道的低轨卫星，低轨卫星星座的建设随着星链计划的展开得到蓬勃发展。通信卫星通过反射或中继无线电信号，实现地表、天空、太空的无线通信，大大提高了地域的覆盖率和通信的抗毁灭性。卫星通信系统是地面通信网的重要补充，在军事、气象等多个方面已发挥了不可替代的重要作用。
3.低轨卫星通信系统在全球个人通信网络当中的应用，实现了高纬度、极地地区的通信信号覆盖，达到全球性服务的构想。采用低轨道卫星星座，有效降低通信过程当中信号衰减以及传播时延，为移动终端通信提供支持，在很大程度上促进了全球个人通信网的发展。近年来，由于卫星通信在军事、物联网等领域的巨大应用价值，加之地球近空领域频域和轨道资源有限，各国在全球卫星星座领域展开了激烈的竞争。
4.随着卫星通信技术的日益成熟，频带受限的问题越来越突出，如何在有限的频带资源下合理高效分配系统资源成为现如今急需解决的关键问题之一。具有波束空间隔离、频率复用两大特点优势的多波束卫星系统成为解决该问题的有效途径。但低轨卫星相对于地球是快速运动的，如何在大范围内快速搜索波束，并进行波束的资源分配是技术难点。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种快速波束搜索方法、终端及卫星通信系统。本发明设计波束信号搜索、测量上报和自适应波束搜索调整方法，快速搜索可用波束，为波束驻留、重选、切换等波束资源分配提供依据。
6.为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种快速波束搜索方法，其包括如下步骤：
7.卫星向终端播发其所有波束的波束信号；
8.终端采用滑动窗方式捕获波束信号；
9.终端测量所捕获波束信号的rssi值，所述rssi与捕获的波束功率正相关，当rssi值大于接收门限时，确定此波束为可用波束；
10.终端将rssi测量结果上报至卫星，由卫星执行波束分配。
11.本发明的快速波束搜索方法考虑低轨卫星高动态特性，设定播发方式，有利于终端实现波束快速可靠搜索；本发明采用滑动窗捕获方式和rssi判别准则，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
12.根据本发明的一种优选实施方式，卫星向终端播发其多波束信号的步骤为：卫星在波束的固定频点周期性地向所有终端播发信号；每个超帧周期为m秒，卫星在一个超帧中
均匀播发u次，即在0、m/u秒、2m/u秒、3m/u秒、
……
、(u-1)*m/u秒开始播发。
13.根据本发明的另一种优选实施方式，卫星采用功率集中的方式播发信号。
14.本发明根据卫星通信系统资源统一规划，设计卫星播发时间、频率、功率等，便于终端快速有效的搜索测量。
15.根据本发明的再一种优选实施方式，终端采用滑动窗方式捕获波束信号的步骤为：
16.使用搜索窗口滑动接收波束信号，搜索窗口长度s，滑动步长v，一个波束信号的长度为n毫秒，s满足v+n≤s≤2n。
17.本发明通过设计滑动窗口长度和滑动步长，保证有效捕获波束信号。
18.根据本发明的再一种优选实施方式，rssi＝10lg(p/1mw)，其中，p为所捕获波束信号的功率，由滑动窗计算得到信号功率号的功率，由滑动窗计算得到信号功率其中x(t)为波束信号。从而准确计算接收信号强度指示(rssi)，并以其为判别标准，确定可用波束，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
19.根据本发明的再一种优选实施方式，终端确定可用波束时，采用自适应波束搜索机制：
20.针对波束初次选择，当测量rssi值大于接收门限时，停止搜索，选择该测量波束为可用波束；
21.如果终端驻留在当前服务波束已超过t1秒，则再次启动可用波束搜索，所述t1为驻留时间阈值，持续测量当前服务波束，当rssi下降超过强度阈值或小于接收门限后启动滑动窗方式捕获波束信号；
22.针对波束重选，若当前服务波束大于重选门限，则停止搜索，仍选择当前波束；否则，启动滑动窗方法捕获波束信号，若新波束持续一段时间优于当前服务波束超过强度阈值，则停止搜索，选择新波束。
23.本发明采用自适应搜索方法考虑了波束初次选择和重选等不同情况，减少搜索过程，通过设计不同的搜索方式，保证服务连续性和可靠性。
24.为实现上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种终端快速波束搜索方法，其包括如下步骤：
25.终端接收卫星播发的卫星所有波束的波束信号；
26.终端采用滑动窗方式捕获波束信号；
27.终端测量所捕获波束信号的rssi值，所述rssi与捕获的波束功率正相关，当rssi值大于接收门限时，确定此波束为可用波束；
28.终端将rssi测量结果上报至卫星，接收卫星发送的波束分配信心，实现波束的搜索和选择。
29.以上方法有利于终端实现波束快速可靠搜索，通过采用滑动窗捕获方式和rssi判别准则，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
30.为实现上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种终端，所述终端执行本发明的终端快速波束搜索方法，实现波束的搜索和选择。该终端波束搜索准确，搜索速度快。
31.为实现上述目的，根据本发明的第四个方面，本发明提供了一种卫星通信系统，其包括卫星和至少一个终端，所述卫星向终端播发其所有波束的波束信号，所述终端采用滑动窗方式捕获波束信号，终端测量所捕获波束信号的rssi值，所述rssi与捕获的波束功率正相关，当rssi值大于接收门限时，确定此波束为可用波束；终端将rssi测量结果上报至卫星，由卫星执行波束分配。
32.本发明的卫星通信系统考虑低轨卫星高动态特性，设定播发方式，有利于终端实现波束快速可靠搜索；在具体搜索过过程中，终端采用滑动窗捕获方式和rssi判别准则，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
33.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
34.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
35.图1是本发明一种优选实施方式中信号滑动捕获示意图。
具体实施方式
36.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
39.低轨卫星相对终端高速运动，需要通过星间链路构成星座，以及采用多波束技术，实现区域的广覆盖和通信的连续性。针对多波束低轨卫星，终端需要驻留、重选和切换波束，以实现可靠传输。
40.本发明提供一种快速波束搜索方法，快速测量锁定可用波束，支撑波束资源分配。快速波束搜索方法的整体流程主要包括卫星播发信号和终端测量上报。该包括如下步骤：
41.首先，卫星向终端播发其所有波束的波束信号。在本发明中，为便于实现快速波束搜索，卫星在固定频点、固定时间向所有终端播发信号，该信号可为广播信号、寻呼信号等。每个超帧周期为m秒，卫星在一个超帧中均匀播发u次，即在0、m/u秒、2m/u秒、3m/u秒、
……
、(u-1)*m/u秒开始播发，u为正整数，例如卫星在一个超帧中均匀播发4次，即在0、m/4秒、2m/4秒和3m/4秒开始播发，每次播发信号时长与广播信号和寻呼信号相同。具体卫星可采用功
率集中的方式播发信号，例如功率抬升10db以上，用于应对终端天线收起、天线指向不对准卫星的场景，适用于空闲态终端的波束选择与重选。
42.然后，终端采用滑动窗方式捕获波束信号。如图1所示，由于时间源、晶振等因素，存在时间不稳定问题，且处理时延、传输时延等进一步影响时间同步，导致终端无法捕获到准确信号。本发明采用滑动窗方式捕获波束信号，搜索窗口长度s，滑动步长v，一个波束信号的长度为n毫秒，s满足v+n≤s≤2n。设置s≥v+n，保证在t近似为0时，滑动v，信号还能在搜索窗口内。设置s≤2n，提高了捕获信号的准确性。v越大处理次数越少，当t近似为一个信号长度时，如果希望一次滑动就可以把剩余的信号包含进来，v的取值大于等于一个波束信号长度。因此，优选滑动步长v确定为n毫秒，滑动窗口长度s确定为2n毫秒。
43.随后，终端测量所捕获波束信号的rssi值，rssi与捕获的波束功率正相关，当rssi值大于接收门限时，确定此波束为可用波束。在本实施方式中，rssi＝10lg(p/1mw)，其中，p为所捕获波束信号的功率，由滑动窗计算得到信号功率其中x(t)为波束信号。从而准确计算接收信号强度指示(rssi)，并以其为判别标准，确定可用波束，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
44.最后，终端将rssi测量结果上报至卫星，由卫星执行波束分配。
45.在本实施方式中，终端确定可用波束时，采用自适应波束搜索机制：
46.针对波束初次选择，当测量rssi值大于接收门限时，停止搜索，选择该测量波束为可用波束；
47.如果终端驻留在当前服务波束已超过t1秒，则再次启动可用波束搜索，所述t1为驻留时间阈值，持续测量当前服务波束，当rssi下降超过强度阈值(例如3db)或小于接收门限后启动滑动窗方式捕获波束信号，优选t1为1秒；
48.针对波束重选，若当前服务波束大于重选门限，则停止搜索，仍选择当前波束；否则，启动滑动窗方法捕获波束信号，若新波束持续一段时间(例如4n毫秒)优于当前服务波束超过强度阈值(例如3db)，则停止搜索，选择新波束。
49.本发明采用自适应搜索方法考虑了波束初次选择和重选等不同情况，减少搜索过程，通过设计不同的搜索方式，保证服务连续性和可靠性。
50.本发明还提供了一种终端快速波束搜索方法，其包括如下步骤：
51.终端接收卫星播发的卫星所有波束的波束信号；
52.终端采用滑动窗方式捕获波束信号；
53.终端测量所捕获波束信号的rssi值，所述rssi与捕获的波束功率正相关，当rssi值大于接收门限时，确定此波束为可用波束；
54.终端将rssi测量结果上报至卫星，接收卫星发送的波束分配信心，实现波束的搜索和选择。以上方法有利于终端实现波束快速可靠搜索，通过采用滑动窗捕获方式和rssi判别准则，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
55.本发明还提供了一种终端，所述终端执行本发明的终端快速波束搜索方法，实现波束的搜索和选择。该终端波束搜索准确，搜索速度快。
56.本发明还提供了一种卫星通信系统，其包括卫星和至少一个终端，所述卫星向终端播发其所有波束的波束信号，所述终端采用滑动窗方式捕获波束信号，终端测量所捕获
波束信号的rssi值，所述rssi与捕获的波束功率正相关，当rssi值大于接收门限时，确定此波束为可用波束；终端将rssi测量结果上报至卫星，由卫星执行波束分配。本发明的卫星通信系统考虑低轨卫星高动态特性，设定播发方式，有利于终端实现波束快速可靠搜索；在具体搜索过过程中，终端采用滑动窗捕获方式和rssi判别准则，计算简单，便于硬件实现，既能保证波束搜索的准确性，又提高了搜索速度。
57.在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
58.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。