一种低轨星座卫星通信系统的集群通信方法与装置与流程

1.本发明涉及低轨星座卫星通信技术领域，特别是一种低轨星座卫星通信系统的集群通信方法与装置。


背景技术：

2.1、低轨卫星通信系统
3.低轨星座卫星通信系统是通过低轨星座进行信号转发的卫星通信系统，具有带宽宽、全球覆盖、延时低等特点。目前世界上已经建设完成或投入运营的低轨星座卫星通信系统主要有iridium、globalstar、starlink、o3b、oneweb、telesat等，虽然我国也有虹云、鸿雁等低轨系统，但是还处于建设初期阶段。一般来说，低轨星座卫星通信系统由空间段、地面段、应用段三部分组成，如图1所示：
4.(1)空间段
5.空间段由低轨道卫星星座组成。卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合，通常是由一些卫星环按一定的方式配置组成的一个卫星网。低轨道卫星星座是若干个低轨道卫星组成的低轨卫星网，通过馈电链路与地面信关站进行信息传输，如图2所示。
6.(2)地面段
7.地面段作为低轨星座卫星通信系统的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信系统的业务处理、网络管理、运营管理、跨国业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信系统与其他系统的互联互通，主要由运行控制中心、全球运营服务中心、分布在全球各地的信关站组成。
8.a)运行控制中心
9.运行控制中心简称运控中心，是低轨星座卫星通信系统运维管控的核心组成部分和管理中枢，为系统管控和应用管理提供集中、统一、综合、自动化的平台，保障星座和地面信关站网安全、稳定、可靠的运行。主要完成卫星载荷管理、星地资源运行情况及星地馈电链路状态监视、信关站系统任务规划等功能。
10.b)全球运营服务中心
11.全球运营服务中心是支撑低轨星座卫星通信系统全球运营的重要组成部分。全球运营服务中心连接各个国家的综合网管及运营支撑系统，主要完成全球结算和信关站网络监控等功能，保障全球网络安全稳定运营。
12.c)信关站系统
13.信关站系统为低轨星座卫星通信系统提供通信、业务、运营、管理等服务，承担着系统资源管理、用户鉴权与加密、业务路由与交换、业务服务、本地网络运营等功能。主要由部署于各个建站国家或地区的信关站及信关站之间的通信网络组成，是低轨星座卫星通信系统的主要地面设施。一般将信关站的射频前端设备以及基带协议处理设备叫做基站设备，每颗低轨卫星对应一套基站设备。低轨星座卫星通信系统通过信关站与地面plmn、pstn、internet以及其他专网进行互联互通。信关站通过馈电链路与低轨卫星进行信息传
输。
14.(3)应用段
15.应用段由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种固定及移动终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信系统的门户和应用平台，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。终端用户通过用户链路与低轨卫星进行信息传输。
16.2、低轨星座卫星通信系统存在的问题
17.低轨星座卫星通信系统与传统的高轨卫星通信系统不同。低轨星座卫星运动速度可达到7000公里/秒，而且卫星终端到低轨卫星的通信仰角和距离变化速度很快，导致用户链路的动态范围很大。低轨卫星覆盖范围较小，需要通过多颗卫星接力服务来完成卫星终端的通信业务，同时，低轨卫星需要通过在多个信关站之间的接力切换来维持信号落地以及与地面通信系统的互联互通。
18.3、集群通信
19.集群通信系统是按照动态信道指配的方式实现多用户共享多信道的无线电移动通信系统，一般由终端设备、基站、中心控制站等组成，具有调度、群户、优先呼、虚拟专用网、漫游等功能。集群通信系统主要应用在专业移动通信系统，是一种用于集团调度指挥通信的移动通信系统。该系统具有的可用信道可为系统的全体用户共用，是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。
20.集群通信的最大特点是通信采用ptt(push to talk)，以一按即通的方式接续，被叫无需摘机即可接听，且接续速度较快，并能支持群组呼叫等功能。集群通信的运作方式以单工、半双工为主，主要采取信道动态分配的方式，并且用户具有不同的优先级和特殊功能，通信时可以一呼百应。集群通信通过在所有用户之间共享公共通信资源来实现，极大地提高了频率资源的使用效率。集群通信的一般通信流程如图3所示，集群通信卫星终端的状态机如图4所示。
21.4、切换
22.低轨星座卫星通信系统的切换分为用户链路切换和馈电链路切换，图5(a)、(b)为卫星终端的用户链路切换示意图，图6为低轨卫星馈电链路切换示意图。
23.然而，现有的集群技术都是基于地面移动通信和高轨卫星通信系统，并不适用于低轨星座卫星通信系统。低轨星座卫星速度快，时偏频偏变化率较大，通信链路高动态变化，卫星终端和高速运行的卫星之间的同步问题亟待解决。此外，低轨卫星波束覆盖范围小，需要多颗低轨卫星接力的方式来维持卫星终端的用户链路畅通，而卫星也需要在不同的信关站之间进行切换，保证馈电信号落地。


技术实现要素：

24.本发明的目的在于提供一种低轨星座卫星通信系统的集群通信方法与装置，来满足低轨集群通信业务的切换需求。
25.实现本发明目的的技术解决方案为：一种低轨星座卫星通信系统的集群通信方法，包括，设置低轨集群通信帧结构：针对低轨星座卫星通信系统集群通信业务，在业务信道或上行共享信道上增加随路信令，对通信链路进行控制，以实现卫星终端和卫星之间的
同步；低轨集群通信切换流程：卫星终端在同一个信关站下的基站内或者同一个信关站下的基站之间切换；在切换过程中，集群控制器从全局出发选择匹配的频率资源来分配，实现集群业务时集群控制器与基站之间的资源分配、切换协商。
26.进一步地，所述在业务信道或上行共享信道上增加随路信令，随路信令帧格式如表1所示：
27.表1低轨集群通信帧结构
[0028][0029]
进一步地，表1低轨集群通信帧结构中：
[0030]
同步头根据低轨卫星波束的覆盖范围计算确定，波束范围越大，波束中心点到波束边缘的动态范围越大，同步头设计得更长；反之，波束范围越小，波束中心点到波束边缘的动态范围越小，同步头设计得更短；
[0031]
集群参数包括集群组id、以及是否最近请求或正在进行的独白指示；
[0032]
集群广播消息包括集群共享信道资源参数、收听指示参数；
[0033]
保护间隔的作用是，在没有完成同步时，避免相邻两帧的干扰；
[0034]
链路控制字是信关站通知终端在上行信道中发送数据所使用的相关信道参数；
[0035]
随机接入请求是集群独白用户按压ptt按钮时，触发卫星终端发送的集群独白信令；
[0036]
独白数据包是集群独白用户发送的语音、数据或者图片信息。
[0037]
进一步地，集群业务时卫星终端在同一基站下的波束间切换发生时，集群控制器与基站之间的流程如下：
[0038]
1.1)当基站判决卫星终端需要进行切换时，发送请求到集群控制器，并开始与集群控制器进行协商；
[0039]
1.2)集群控制器根据卫星终端的位置信息、波束信息和占用资源情况，判断卫星终端需要切换到哪个波束，根据该波束下的资源使用情况，预先分配好无线资源；资源分配原则是处于同一个波束下的所有卫星终端在进行集群业务时使用相同的无线共享信道；
[0040]
1.3)集群控制器将分配好的无线资源情况通知基站，告知基站允许此次切换；
[0041]
1.4)基站与卫星终端之间进行切换流程。
[0042]
进一步地，集群业务时卫星终端在不同基站下的波束间切换发生时，集群控制器与基站之间的流程如下：
[0043]
2.1)当基站判决卫星终端需要进行切换时，会发送请求给集群控制器，并开始与集群控制器进行协商；
[0044]
2.2)集群控制器根据卫星终端的位置信息、波束信息和占用资源情况，判断卫星终端需要切换到哪个目标基站下的波束，根据该波束下的资源使用情况，预先分配好无线资源；资源分配原则是处于同一个波束下的所有卫星终端在进行集群业务时使用相同的无线共享信道；
[0045]
2.3)集群控制器将分配好的无线资源情况以通知目标基站，目标基站开始进行切换准备工作；
[0046]
2.4)目标基站进行包括资源预分配的准备工作，目标基站做好切换准备后，通知集群控制器；
[0047]
2.5)集群控制器收到目标基站的切换响应后，发送切换响应给源基站，告知源基站此次切换已经被允许；
[0048]
2.6)源基站收到切换响应后，源基站、目标基站与卫星终端之间开始进行切换流程。
[0049]
一种低轨星座卫星通信系统的集群通信装置，该装置由低轨星座卫星、基站、卫星终端、共享信道、集群控制器构成，卫星终端通过共享信道参与到集群通信业务中，共享信道支持多种协议操作；该装置采用所述的集群通信方法进行通信。
[0050]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)根据低轨卫星通信系统的特点，针对集群通信业务，在业务信道上增加满足快速同步需求的帧结构，对链路进行控制，实现快速同步；(2)针对低轨集群通信业务，设计一种集群控制器与基站之间的通信流程，实现集群业务时集群控制器与基站之间的资源分配、切换协商等功能。
附图说明
[0051]
图1是低轨星座卫星通信系统组成示意图。
[0052]
图2是低轨星座示意图。
[0053]
图3是集群通信流程图。
[0054]
图4是卫星终端集群状态机示意图。
[0055]
图5是卫星终端的用户链路切换示意图，其中(a)是同一卫星内切换示意图，(b)是跨卫星切换示意图。
[0056]
图6是馈电链路切换示意图。
[0057]
图7是同一基站下的波束间切换流程示意图。
[0058]
图8是不同基站下的波束间切换流程示意图。
具体实施方式
[0059]
本发明一种低轨星座卫星通信系统的集群通信方法，包括，设置低轨集群通信帧结构：针对低轨星座卫星通信系统集群通信业务，在业务信道或上行共享信道上增加随路信令，对通信链路进行控制，以实现卫星终端和卫星之间的同步；低轨集群通信切换流程：卫星终端在同一个信关站下的基站内或者同一个信关站下的基站之间切换；在切换过程中，集群控制器从全局出发选择匹配的频率资源来分配，实现集群业务时集群控制器与基
站之间的资源分配、切换协商。
[0060]
进一步地，所述在业务信道或上行共享信道上增加随路信令，随路信令帧格式如表1所示：
[0061]
表1低轨集群通信帧结构
[0062][0063]
进一步地，表1低轨集群通信帧结构中：
[0064]
同步头根据低轨卫星波束的覆盖范围计算确定，波束范围越大，波束中心点到波束边缘的动态范围越大，同步头设计得更长；反之，波束范围越小，波束中心点到波束边缘的动态范围越小，同步头设计得更短；
[0065]
集群参数包括集群组id、以及是否最近请求或正在进行的独白指示；
[0066]
集群广播消息包括集群共享信道资源参数、收听指示参数；
[0067]
保护间隔的作用是，在没有完成同步时，避免相邻两帧的干扰；
[0068]
链路控制字是信关站通知终端在上行信道中发送数据所使用的相关信道参数；
[0069]
随机接入请求是集群独白用户按压ptt按钮时，触发卫星终端发送的集群独白信令；
[0070]
独白数据包是集群独白用户发送的语音、数据或者图片信息。
[0071]
进一步地，集群业务时卫星终端在同一基站下的波束间切换发生时，集群控制器与基站之间的流程如下：
[0072]
1.1)当基站判决卫星终端需要进行切换时，发送请求到集群控制器，并开始与集群控制器进行协商；
[0073]
1.2)集群控制器根据卫星终端的位置信息、波束信息和占用资源情况，判断卫星终端需要切换到哪个波束，根据该波束下的资源使用情况，预先分配好无线资源；资源分配原则是处于同一个波束下的所有卫星终端在进行集群业务时使用相同的无线共享信道；
[0074]
1.3)集群控制器将分配好的无线资源情况通知基站，告知基站允许此次切换；
[0075]
1.4)基站与卫星终端之间进行切换流程。
[0076]
进一步地，集群业务时卫星终端在不同基站下的波束间切换发生时，集群控制器与基站之间的流程如下：
[0077]
2.1)当基站判决卫星终端需要进行切换时，会发送请求给集群控制器，并开始与集群控制器进行协商；
[0078]
2.2)集群控制器根据卫星终端的位置信息、波束信息和占用资源情况，判断卫星终端需要切换到哪个目标基站下的波束，根据该波束下的资源使用情况，预先分配好无线资源；资源分配原则是处于同一个波束下的所有卫星终端在进行集群业务时使用相同的无线共享信道；
[0079]
2.3)集群控制器将分配好的无线资源情况以通知目标基站，目标基站开始进行切换准备工作；
[0080]
2.4)目标基站进行包括资源预分配的准备工作，目标基站做好切换准备后，通知集群控制器；
[0081]
2.5)集群控制器收到目标基站的切换响应后，发送切换响应给源基站，告知源基站此次切换已经被允许；
[0082]
2.6)源基站收到切换响应后，源基站、目标基站与卫星终端之间开始进行切换流程。
[0083]
一种低轨星座卫星通信系统的集群通信装置，该装置由低轨星座卫星、基站、卫星终端、共享信道、集群控制器构成，卫星终端通过共享信道参与到集群通信业务中，共享信道支持多种协议操作；该装置采用所述的集群通信方法进行通信。
[0084]
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0085]
实施例
[0086]
本实施例低轨集群通信系统由低轨星座卫星、基站、卫星终端、共享信道构成，卫星终端通过共享信道参与到集群通信业务中，共享信道支持多种协议操作。系统广播消息传递到集群用户，为集群用户提供申请、同步、独白语音传输以及听取语音的能力，也可以通过资源分配为集群用户分配专用的共享信道。
[0087]
1、低轨集群通信帧结构
[0088]
由于低轨卫星轨道高度低，速度快，传统的卫星通信帧结构无法满足低轨卫星通信快速同步的要求。针对低轨星座卫星通信系统集群通信业务，需要在正常的业务信道或上行共享信道上增加随路信令，对通信链路进行控制，实现快速同步机制。
[0089]
随路信令帧格式如表1所示：
[0090]
表1集群通信帧结构
[0091][0092]
其中，同步头可根据低轨卫星波束的覆盖范围计算来确定，波束范围越大，波束中心点到波束边缘的动态范围越大，同步头就需要设计得更长，反之，波束范围越小，波束中心点到波束边缘的动态范围越小，同步头可以设计得短一些。
[0093]
集群参数包括集群组id、以及是否最近请求或正在进行的独白指示等参数。
[0094]
集群广播消息包括集群共享信道资源参数、收听指示等参数。
[0095]
间隔的存在是为了在没有完成同步时避免相邻两帧的干扰。
[0096]
链路控制字是信关站通知终端在上行信道中发送数据所使用的相关信道参数。
[0097]
随机接入请求是集群独白用户按压ptt按钮时，触发卫星终端发送的集群独白信令。
[0098]
独白数据包是集群独白用户发送的语音、数据或者图片等信息。
[0099]
2、低轨集群通信切换流程
[0100]
低轨卫星波束覆盖范围小，运行速度快，需要多颗低轨卫星接力的方式来维持卫星终端的用户链路畅通，而卫星也需要在不同的信关站之间进行馈电链路的切换，保证馈电信号落地。由于集群用户分散，在切换过程中，集群控制器需要从全局出发选择合适的频率资源来分配，并完成与基站的资源协调。一般集群用户都具有区域性，所有集群用户一般都在同一个信关站的所属范围内，所以只考虑卫星终端在同一个信关站下的基站内或者同一个信关站下的基站之间切换的情况。集群控制器与基站之间的流程如下所示。
[0101]
a)集群业务时卫星终端在同一基站下的波束间切换发生时，集群控制器与基站之间的流程设计如图7所示：
[0102]
1)当基站判决卫星终端需要进行切换时，会发送请求到集群控制器，并开始与集群控制器进行协商；
[0103]
2)集群控制器根据卫星终端的位置信息、波束信息和占用资源情况，判断卫星终端需要切换到哪个波束以及根据该波束下的资源使用情况，预先分配好无线资源；资源分
配原则是处于同一个波束下的所有卫星终端在进行集群业务时使用相同的无线共享信道；
[0104]
3)集群控制器将分配好的无线资源情况通知基站，告知基站允许此次切换；
[0105]
4)基站与卫星终端之间进行正常的切换流程。
[0106]
b)集群业务时卫星终端在不同基站下的波束间切换发生时，集群控制器与基站之间的流程设计如图8所示：
[0107]
1)当基站判决卫星终端需要进行切换时，会发送请求给集群控制器，并开始与集群控制器进行协商；
[0108]
2)集群控制器根据卫星终端的位置信息、波束信息和占用资源情况，判断卫星终端需要切换到哪个目标基站下的波束以及根据该波束下的资源使用情况，预先分配好无线资源；资源分配原则是处于同一个波束下的所有卫星终端在进行集群业务时使用相同的无线共享信道；
[0109]
3)集群控制器将分配好的无线资源情况以通知目标基站，目标基站开始进行切换准备工作；
[0110]
4)目标基站进行资源预分配等准备工作，目标基站做好切换准备后，通知集群控制器；
[0111]
5)集群控制器收到目标基站的切换响应后，发送切换响应给源基站，告知源基站此次切换已经被允许；
[0112]
6)源基站收到切换响应后，源基站、目标基站与卫星终端之间开始进行正常的切换流程。
[0113]
本发明根据低轨卫星通信系统的特点，针对集群通信业务，在业务信道上增加满足快速同步需求的帧结构，对链路进行控制，实现了快速同步。此外，本发明针对低轨集群通信业务设计一种集群控制器与基站之间的通信流程，实现了集群业务时集群控制器与基站之间的资源分配、切换协商等功能。