专利名称：天基移动通信系统及通信方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星通信系统及通信方法，尤其是一种基于天基系统(以卫星为核心的系统)，并且可以进行星上自主路由交换的天基移动通信系统及通信方法。属于航天信息领域。
背景技术：
天基移动通信系统是一种以卫星网络(天基)为基础，利用卫星优秀的覆盖特性来实现对较大区域(或全球)内移动用户的信息接入和传输。天基移动通信系统具有覆盖广，组网灵活、迅速以及信息接入机动灵活等特点，成为下一代移动通信(4G)和国家信息高速公路的重要组成部分。
与地面通信网络不同，天基移动通信系统是以不同轨道上多颗卫星为主要节点，结合地面关口站和移动终端(站)共同构成的，卫星节点负责用户的接入功能并实现数据在网络中的传输功能，在系统中处于核心地位。这些卫星节点一般是位于中低轨道上的卫星，它们与地面节点间存在极大的相对运动，与此同时，不同轨道上的卫星节点之间也存在相对运动。因此，天基移动通信系统中，除了用户终端具有移动性外，其他主要网络节点(卫星)也具有动态性，这与现有的地面通信系统都不相同，如地面有线通信网络，其网络拓扑是固定的，而现有的2G/3G和无线局域网、无线城域网等无线通信系统其网络拓扑也是以固定网络节点为主要网络架构的，仅仅是用户终端存在移动性。因此，以不同轨道上的多颗卫星为核心的天基移动通信系统在系统结构和通信处理方法方面具有与地面传统通信系统的特点。
目前常见的卫星通信系统主要有如下几类，由于研究目的和技术体制的限制，它们都无法直接用于构建天基移动通信系统，具体来说。
(1)同步轨道卫星通信系统现有的同步轨道卫星通信系统的网络架构一般是包括至少一颗同步轨道卫星、一个地面站和若干用户终端。根据同步轨道卫星星上处理方式的不同，同步轨道卫星通信系统的网络架构分为星型网络拓扑和网状网络拓扑，在不同的网络架构下，用户终端的通信方法也分为两种。在星型网络拓扑下，同步轨道卫星的作用是在用户终端和地面站之间转发数据，整个网络的控制和管理、用户终端的业务数据和控制数据的处理和转发以及与其他网络的互联都由地面站完成；在网状网络拓扑下，同步轨道卫星的作用是通过星上的交换功能在用户终端和地面站之间以及用户终端之间转发数据，地面站实现整个网络的控制和管理、与其他网络的互联以及用户终端通信过程的控制数据的处理和转发。
因此，同步轨道卫星通信系统的网络架构的核心是地面站，同步轨道卫星的主要功能是实现简单的数据透明转发和在地面站控制下的数据交换，系统网络架构相对稳定，通信方法比较简单，不能适合由多颗卫星，特别是由中低轨道卫星构成的星座组成的天基移动通信系统。
(2)全球星系统全球星系统是一个典型的在轨运行的低轨道星座卫星通信系统，提供全球移动通信服务。该系统的网络架构包括48颗低轨道卫星，地面控制中心和分布于全球的大量的地面关口站以及用户终端。该系统的卫星仅具有透明转发能力，即卫星只是在地面关口站和用户之间对无线通信链路的载波简单地进行载波频率的转换，卫星之间不具有直接的无线链路，因此，该系统中的卫星在系统通信过程中的作用相当于地面关口站与用户终端之间的中继站，在整个通信过程中不参与任何通信控制数据和业务数据的处理，所有通信过程的控制都是在地面关口站和用户终端之间直接进行的。
全球星系统的所有地面关口站和地面操作控制中心通过全球星数据网络相互连接在一起，共同完成对整个系统的管理和控制，而空间的卫星仅仅是采用透明转发的工作方式，起到地面关口站与用户终端之间无线信号的中继作用，卫星之间也不具有星间链路。因此，全球星系统的网络架构和通信方法都是以地面关口站为核心的，而且系统通信覆盖范围由地面关口站的分布决定，在地面关口站分布范围受限的情况下，不能提供大范围甚至全球的通信服务。
(3)铱星系统铱星系统是另一个典型的在轨运行的低轨道星座卫星通信系统，提供全球移动通信服务。系统的网络架构包括66颗具有星间链路的低轨道卫星、一个地面控制中心、多个地面关口站和若干用户终端。该系统的卫星采用星上电路交换方式，针对的是语音通信等面向连接的低速业务。用户终端的连接请求首先被转发到地面关口站，由地面关口站和地面控制中心完成整个通信连接的建立、维护和拆除功能，关口站首先对目的终端进行寻呼，然后计算通信双方的连接路径，选择建立连接的卫星，并发送相应的控制信令到连接路径上的卫星以建立星上电路交换通道，然后终端开始发送和接收业务数据。
基于星上电路交换方式的铱星系统不具有星上自主路由交换能力，系统所有的通信都必须首先建立端到端的连接路径，而连接的路径建立、维护和拆除功能都是由地面设备进行控制和管理，因此，铱星系统的网络架构和通信方法不适合具有突发性的基于分组传输的数据业务，尤其是不能满足多媒体综合业务的传输需求。
作为下一代移动通信(4G)和国家信息高速公路的重要组成部分，天基移动通信系统需要具有如下特点1)可支持多种业务综合接入和传输，并为不同业务提供相应的QoS保证；2)可很好兼容地面现有系统；3)具有很好的独立于地面节点的自主路由通信能力，以提高系统的生存能力；4)具有优秀的无线以及网络资源优化分配能力，以提高系统资源的使用效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种天基移动通信系统和基于该系统的通信方法，以实现星上自主路由交换，从而使系统对地面节点的依赖性大大下降，并且减少地面控制站的部署，简化地面控制设备的功能。
为实现上述目的，本发明提供了一种天基移动通信系统，包括至少一个用户终端站、由多个卫星构成的卫星接入网和由多个所述关口站构成的地面核心网；所述用户终端站，用于建立与所述卫星接入网之间的无线通信连接，进行双向数据传输；所述卫星接入网，用于进行所述用户终端站之间以及所述用户终端站与所述关口站之间的通信数据的处理和转发；所述卫星中设置有路由与交换处理模块，用于建立卫星接入网中卫星间的通信路径；所述地面核心网，用于对整个通信系统进行控制及管理。
本发明还提供了一种基于天基移动通信系统的通信方法，包括如下步骤步骤1、用户终端站通过卫星接入网进行入网注册；步骤2、所述用户终端站根据自身的业务参数向所述卫星接入网进行业务申请，所述卫星接入网对所述用户终端站进行接入控制；步骤3、建立所述用户终端站和目的用户终端站的通信连接；步骤4、对所述通信连接进行维护；步骤5、拆除所述通信连接。
通过本发明的天基移动通信系统和基于该系统的通信方法，使得卫星通信系统对地面节点的依赖性大大下降；实现了用户的无线接入星上处理和星地一体化无线资源管理，并且可支持多业务综合接入和无线资源最优分配；能够减少地面控制站的部署，简化地面控制设备的功能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明的卫星通信系统网络架构示意图；
图2为本发明的卫星通信系统的模块结构示意图；图3为本发明的用户终端站的模块结构示意图；图4为本发明的卫星接入网的网络结构示意图；图5为本发明的星载路由交换机的模块结构示意图；图6为本发明的地面核心网的网络结构示意图；图7为本发明的关口站的模块结构示意图；图8为本发明的用户终端站发起的面向连接的通信业务的流程图；图9为本发明的入网注册的流程图；图10为本发明的业务申请的流程图；图11为本发明的接入控制的流程图；图12为本发明的通信连接建立的流程图；图13为本发明的通信连接维护的流程图；图14为本发明的通信连接拆除的流程图。
具体实施例方式
本发明的卫星通信系统是一种天基移动通信系统，天基移动通信系统是一个以卫星通信节点(即卫星)为核心的无线移动通信系统。如图1和图2所示，给出了本发明的卫星通信系统的网络架构示意图和模块结构示意图，该系统由用户域、卫星接入网、地面核心网三部分组成。
用户域由所有用户终端站构成，用户终端站通过用户-卫星空中接口建立与卫星之间的无线通信连接，实现用户终端站与卫星之间的双向数据传输。针对不同的应用场景的用户终端站具有不同的特点，比如手持移动终端(针对个人使用的便携终端)，小型局域网卫星接入终端(通过小型地面移动终端接入卫星网，如车载、机载、舰载信息网，移动指挥所等)，专用网络卫星接入站等针对各种应用场景的用户终端站。
卫星接入网负责完成天基移动通信系统的用户终端站之间以及与关口站之间的通信数据的处理和转发。卫星接入网由多个卫星节点通过卫星-卫星空中接口组网构成，通过用户-卫星空中接口接入用户终端，并通过卫星-关口站空中接口建立与地面核心网的连接。
地面核心网由各关口站以及地面运控中心组网构成，主要负责系统的网络管理、用户管理以及卫星运行控制等与卫星接入网相关的管理和控制功能以及与其他网络系统间的互联，可以通过关口站利用A接口或R/P接口等标准的接口协议与PSTN、因特网和综合业务网等网络互联。
下面对系统用户域、卫星接入网和地面核心网进行分别介绍一、用户域用户域由所有的用户终端站(UT)组成，用户终端站的功能是通过卫星接入网建立与其他终端的通信连接，并通过卫星接入网和地面核心网建立与天基通信网络之外的其他网络用户之间的通信连接，从而实现天基移动通信系统的最终使用者，即用户的数据的传送和接收。用户终端站的功能模块组成如图3所示。
用户-卫星空中接口模块的功能是建立终端站与卫星之间的数据无线传输承载，将来自用户终端站的其他功能模块的数据封装之后发送到卫星，同时接收来自卫星的数据并进行处理之后，发送到其他功能模块。
天基移动通信系统信令与协议处理模块的功能是对用户终端站与卫星建立通信连接相关的信令和协议进行处理，并根据信令和协议对用户终端站的其他功能模块进行管理和控制。
应用程序模块的功能是与终端站的使用者(即用户)进行交互，并生成业务数据，封装之后发送到应用层功能接口模块，同时接收来自应用层功能接口模块的数据，经过处理之后提供给用户使用。
应用层功能接口模块的功能是在应用程序与用户-卫星空中接口模块之间进行数据转发。
另外，对于某些用户终端站需要与局域网连接，则还可以包括网关，网关的功能是完成与局域网的互联，在局域网和用户-卫星空中接口模块之间进行数据转发，从而实现局域网用户通过用户终端站的用户-卫星空中接口模块建立与卫星之间的通信连接。
应用程序、应用层功能接口模块是满足单一用户应用需求的功能模块；而网关则是为了满足局域网中的多用户通信需求的功能模块。用户终端站可以同时具有这两种功能，也可以只具有其中一种功能。
二、卫星接入网卫星接入网负责完成天基移动通信系统的用户终端站之间以及与关口站之间的通信数据的处理和转发，是整个天基移动通信系统的核心。如图4所示，其为卫星接入网的网络结构示意图。
卫星接入网由多个卫星节点通过卫星之间的无线链路组网构成，任何两个卫星节点之间可以通过其他卫星节点建立通信链路。
所有天基移动通信系统的用户终端站通过卫星接入网中的至少一颗卫星节点接入卫星接入网户，并且天基移动通信系统通过至少一颗卫星节点与地面核心网相连。
卫星接入网的主要功能包括两个方面一是建立卫星与天基移动通信系统的用户终端站和地面核心网的无线连接，以实现天基移动通信系统的用户终端站与卫星之间的双向数据传输以及卫星与地面核心网之间的双向数据传输；二是建立卫星接入网的卫星之间的通信连接路径，以实现天基移动通信系统的用户终端站之间以及与关口站之间的通信数据在无线接入网中的处理和转发。
建立天基移动通信系统的用户终端站与卫星之间的无线连接的功能主要由无线接入技术实现，卫星之间的通信路径的建立则主要由网络层协议实现，实现这些功能的核心设备则是星载路由交换机，该星载路由交换机作为卫星的一部分，实现卫星间的路由交换功能。如图5所示，给出了卫星接入网的星载路由交换机的模块结构示意图。
星载路由交换机的功能模块组成至少1个卫星-用户空中接口模块，1个卫星-关口站空中接口模块，1个路由与交换处理模块，至少1个卫星-卫星空中接口模块。各模块具体功能如下
(1)卫星-用户空中接口模块卫星-用户空中接口模块的主要功能是建立卫星与天基移动通信系统的用户终端的无线连接，以实现天基移动通信系统的用户终端与卫星之间的双向数据传输。
卫星-用户空中接口模块建立卫星与天基移动通信系统的用户终端之间的双向信令承载和业务数据承载。模块对信令进行处理，并控制卫星与用户终端之间的业务数据承载。模块接收来自终端的业务数据，进行处理，并发送到星载路由交换机的路由与交换处理模块；同时模块接收来自路由与交换处理模块的业务数据，并发送到用户终端。
(2)卫星-关口站空中接口模块卫星-关口站空中接口模块的主要功能是建立卫星与天基移动通信系统的地面核心网的无线连接，以实现卫星与地面核心网之间的双向数据传输。
卫星-关口站空中接口模块对卫星发送到地面核心网的数据进行封装并发送到地面关口站，同时对接收到的来自关口站的数据进行处理，并发送到星载路由交换机的路由与交换处理模块。
(3)卫星-卫星空中接口模块卫星-卫星空中接口模块的主要功能是建立卫星与卫星之间的无线通信连接，以实现卫星接入网中的卫星与卫星之间的双向数据传输。
卫星-卫星空中接口模块对需要发送的数据进行封装并发送，同时接收来自其他卫星节点的数据，并进行处理之后，发送到星载路由交换机的路由与交换处理模块。
(4)路由与交换处理模块路由与交换处理模块的主要功能是在卫星接入网中建立数据的传输路径，为进入卫星接入网的数据选择适当的传输路径；同时对卫星接入网中的传输路径进行维护，以适应卫星接入网拓扑的动态变化，保证数据正确、有效地传输。
三、地面核心网地面核心网是整个天基通信网络的地面控制和管理中心，一般由1个网络控制中心、1个卫星控制中心和多个关口站组成，网络控制中心和卫星控制中心可以位于同一个地理位置，统称为运控中心。网络控制中心、卫星控制中心和关口站之间通过地面有线网络进行互联，组成一个天基移动通信系统的地面核心网，如图6所示，其为本发明的地面核心网的网络结构示意图。
通过网络控制中心、卫星控制中心和关口站的相互配合，实现对整个天基移动通信系统的卫星控制、网络管理、用户管理、通信资源管理等管理与控制功能。
网络控制中心、卫星控制中心和关口站的具体功能如下网络控制中心主要负责整个天基移动通信系统的资源计划管理与分配、用户信息管理、系统网络管理、系统业务统计、用户费用统计等；卫星控制中心主要负责天基移动通信系统中卫星的遥测遥控及状态监测、轨道预判、遥测遥控、载荷分析以及载荷配置等；关口站主要负责系统用户登记注册、用户呼叫管理、切换控制，以及与其他网络系统的互联等。
网络控制中心、卫星控制中心和关口站作为天基移动通信系统中的网络节点，它们与网络中其他节点的连接关系是相同的，网络控制中心、卫星控制中心可以看作是一种特殊的关口站，，它们与关口站具有相同的功能模块结构，因此将网络控制中心、卫星控制中心和关口站统称为关口站。如图7所示，其为本发明的关口站的模块结构示意图。
关口站-卫星空中接口模块的主要功能是建立天基移动通信系统的地面核心网的关口站与接入网卫星之间的无线连接，以实现卫星接入网与地面核心网之间的双向数据传输。关口站-卫星空中接口模块对卫星发送到地面核心网的数据进行处理，之后转发到关口站的其他功能模块，同时对需要发送到卫星的数据进行处理，并发送。
关口站-关口站接口模块的主要功能是建立天基移动通信系统的地面核心网的关口站之间的有线连接，使得关口站之间组成一个互联互通的传输网络。
管理与控制功能模块的功能是完成天基移动通信系统的卫星控制、网络管理、用户管理、通信资源管理等管理与控制功能。
信息数据库的功能是存储和更新天基移动通信系统的网络信息、用户信息等与系统运行相关的数据。
另外，为了与其他网络进行互通，关口站中还可以包括与其他网络的接口模块的，其功能是建立天基移动通信系统与其他网络系统之间的通信连接，实现数据的双向传输。
下面介绍一下基于上述天基移动通信系统的通信工作流程天基移动通信系统支持用户终端进行多媒体综合业务的传输。从用户终端发起通信请求到通信结束的整个过程中，需要系统各网元的共同参与，其中用户终端站作为通信方负责与卫星接入网建立无线连接并进行数据的收发；卫星接入网作为天基信息系统的核心，负责与用户终端站和地面核心网建立无线连接，并进行数据的处理和转发；而地面核心网则负责网络的管理和控制以保证网络稳定地运行，并负责用户的管理以及与其他网络(比如PSTN，Internet，ISDN等)的互联。如图8所示，其为本发明的用户终端站发起的面向连接的通信业务的流程图，具体的通信过程如下步骤1、用户终端站通过卫星接入网进行入网注册。
用户终端站从待机状态或开机之后，首先向地面核心网的关口站发起入网注册的请求，卫星接收到该请求后，经过星上处理再转发到地面核心网，地面核心网对该用户终端站进行鉴权处理，判断是否允许该终端进入网络，并将鉴权处理结果通过卫星接入网反馈给用户终端站。
步骤2、所述用户终端站根据自身的业务参数向所述卫星接入网进行业务申请，所述卫星接入网对所述用户终端站进行接入控制。
如果入网注册成功，则用户终端站发起业务申请，卫星接收到该申请后进入接入控制过程，接入控制过程对网络是否能够接入该业务进行判断，如果当前不能接入，则拒绝该业务请求，终端将在之后重新发起业务请求，如果当前允许接入，则卫星为用户终端站分配相应的空中无线接口资源，用户终端站转入连接建立过程。
步骤3、建立所述用户终端站和目的用户终端站的通信连接。卫星接入网通过网络层信令与协议为用户终端站间建立端到端连接路径，端到端连接路径建立完成之后用户终端站开始发送和接收业务数据，通过具有星上自主路由交换能力的星载路由交换机，数据在卫星接入网中的各卫星节点间进行处理和转发。
步骤4、对所述通信连接进行维护。
在整个通信过程中，由于卫星接入网拓扑的高动态性，造成星地链路、星间链路的频繁切换，卫星接入网需要对通信连接进行维护，以保证通信的连续性和通信质量。
步骤5、拆除所述通信连接。
当用户终端站业务传输完成后，卫星接入网拆除该通信连接，通信结束，回到待机状态。
下面给出上述通信流程中几个子过程的详细流程，以进一步说明天基移动通信系统的通信方法。
(1)用户终端站入网注册子过程用户终端站的入网注册子过程如图9所示，用户终端站向当前卫星(即当前终端位于该卫星的服务范围内)发送入网注册请求信令，该卫星星载路由交换机的用户-卫星空中接口模块接收该请求信令后，将该请求进行处理之后，发送到路由与交换处理模块。
如果该卫星当前与地面核心网的关口站通过卫星-关口站空中接口已经建立了点对点连接，则直接将数据转发到卫星-关口站空中接口模块，卫星-关口站空中接口模块将数据发送到地面核心网；如果该卫星当前没有与地面核心网的关口站通过卫星-关口站空中接口建立点对点连接，则路由与交换处理模块根据网络状态和路由协议计算去往地面核心网的路径，然后将数据发送到相应的路由计算选择的星间链路对应的卫星-卫星空中接口模块，卫星-卫星空中接口模块对数据并发送到相应的卫星节点。
数据在卫星接入网中经过多颗卫星节点的转发之后，最终转发到某颗与关口站已经建立连接的卫星节点，该卫星节点将数据发送到其星载路由交换机的卫星-关口站空中接口模块，并发送到地面关口站。
地面关口站对数据进行接收和解封装，然后对用户的入网注册请求进行进行处理，完成用户的入网鉴权，如果鉴权成功，则向终端反馈入网成功信令，否则向用户终端站反馈入网拒绝信令。
用户终端站接收入网注册申请的反馈结果，如果入网注册成功，则转入到业务申请过程，否则返回入网注册申请状态，重新发送入网注册请求信令。
(2)业务申请子过程用户终端站的业务申请子过程如图10所示，在用户终端站入网注册成功之后，进入业务申请子过程。
用户终端站首先根据业务的需求设置初始业务参数，并发送携带业务参数的业务请求。
卫星对业务请求进行接收并发送到接入控制功能模块，进入接入控制子过程，对用户终端的业务请求进行判断，如果允许接入，则进入连接建立子过程；否则进行业务参数协商，发送给用户终端建议的业务参数。
用户终端根据卫星的业务参数建议进行业务参数的调整，生成新的业务请求，如果此时发送业务请求的尝试次数没有到达规定的最大次数N，则发送新的业务请求；否则，退出业务申请子过程，进入待机状态，等待下一次通信过程的开始。
(3)接入控制子过程接入控制子过程如图11所示，接入控制过程是对业务申请进行判断的过程。用户终端站发送业务请求，卫星对该请求进行接收处理，并转发到星上接入控制功能模块，同时转发到地面核心网。
卫星对用户终端站的业务请求进行判断，如果允许接入，则等待地面核心网的接入控制信令；否则，拒绝用户终端站的业务请求。
地面核心网接收到卫星转发的用户终端站的业务请求之后，执行接入控制操作，对用户终端站的业务请求进行判断，如果允许接入，则发送允许信令到卫星，否则发送拒绝信令到卫星。
卫星接收到地面核心网反馈的接入控制信令后，如果是允许接入的信令，则卫星允许用户终端站的业务请求，并进入连接建立过程；否则，卫星拒绝用户终端站的业务请求。
如果用户终端站接收到卫星发送的接入允许信令则进入连接建立过程；如果接收到接入拒绝信令则重新开始业务申请过程。
(4)连接建立连接建立子过程如图12所示，用户终端站业务申请成功后，进入连接建立过程。
用户终端站发起连接请求，当前服务该用户终端的当前卫星节点(当前卫星)接收到请求后，为该连接预留相应的资源，然后当前卫星进行连接路径选择，计算出连接路径的下一个卫星节点(中间节点卫星K)，并将连接请求转发到卫星-卫星空中接口模块进行发送。
中间节点卫星K收到连接请求后，为该连接预留相应的资源，然后当前服务卫星进行连接路径选择，计算出连接路径的下一个卫星节点(中间节点卫星K+1)，并将连接请求转发到卫星-卫星空中接口模块进行发送。
所有中间卫星节点进行相同的处理过程，经过多颗卫星节点的处理和转发之后，连接请求转发到当前为目的用户终端站服务的目的卫星节点(目的卫星)，目的卫星节点为目的终端分配用户-卫星空中接口无线资源，并将连接请求转发到目的用户终端站。
目的用户终端站接收到连接请求后，进行连接准备，连接准备完成后反馈连接确认。
连接确认通过连接请求经过的路径返回当前卫星节点，当前卫星节点为用户终端站分配用户-卫星空中接口无线资源，并反馈连接确认到用户终端站。
用户终端站接收到连接确认，利用卫星分配的无线资源开始业务传输。
(5)连接维护连接维护子过程如图13所示，用户终端站在连接建立之后，开始进行业务数据传输。在业务数据传输过程中，用户终端站和卫星接入网中的卫星节点需要进行连接的维护，即进入连接维护过程。
连接维护过程同时涉及到用户终端站和卫星接入网中的卫星节点，用户终端站与卫星共同完成星地链路切换，卫星接入网中的卫星节点完成卫星与卫星之间的星间链路的切换。
用户终端站业务数据传输开始后，卫星节点对用户终端站的数据进行转发，如果卫星收到用户终端站发送的连接拆除请求，则进入连接拆除过程；否则，卫星持续监测连接路径状态。如果连接状态没有改变，则继续进行数据的转发；如果连接状态发生改变，则判断是否是发生星地链路切换。如果是发生星地链路改变，则卫星发起星地链路切换过程，如果卫星成功完成星地链路切换，则卫星继续业务数据转发，否则进入连接拆除过程。如果不是发生星地链路改变，则判断是否是发生星间链路改变，如果是发生星地链路改变，则卫星发起星间链路切换过程，如果卫星成功完成星间链路切换，则卫星继续业务数据转发，否则进入连接拆除过程。
用户终端站开始业务数据传输后，进入连接维持过程。如果业务数据传输已经完成，则发送连接拆除请求到卫星，同时进入连接拆除过程。如果业务传输未完成，用户终端站持续监测卫星发送的星地链路切换发起信令，如果未接收到卫星发送的星地链路切换发起信令，则继续业务数据传输，否则，开始星地链路切换过程。如果用户终端成功完成星地链路切换，则继续业务数据传输，否则，进入连接拆除过程。
(6)连接拆除连接拆除子过程如图14所示，当用户终端站业务数据传输完成之后，或通信过程中连接路径发生中断导致用户终端站业务数据传输中断时，进入连接拆除过程。
用户终端站发起连接拆除请求，该请求沿着连接路径经过卫星接入网的多颗卫星的转发到达目的用户终端站，目的用户终端站接收到连接拆除请求后，进行连接拆除，连接拆除完成后反馈连接拆除确认信令。连接拆除确认信令沿着连接拆除请求的路径返回到当前卫星，连接路径上的所有卫星节点收到连接拆除确认信令后，释放该连接路径占用的资源。
通信结束，终端进入待机状态或关机。
本发明的天基移动通信系统及相关通信方法，通过采用星上自主路由交换，使系统对地面节点的依赖性大大下降；系统采用用户无线接入星上处理和星地一体化无线资源管理，可支持多业务综合接入和无线资源最优分配；系统可采用基于IP/MPLS的网络设计，可具有与地面现有系统很好的兼容能力和对不同业务的QoS支持能力。该系统能够减少地面控制站的部署，简化地面控制设备的功能，提高系统的抗毁能力，并能有效地支持基于IP的分组数据的传输，满足多媒体综合业务传输的需求。通过本发明的卫星通信系统，利用卫星节点可实现全球(或区域)内用户(包括地面用户或航空飞行器)无缝通信最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种天基移动通信系统，其特征在于，包括至少一个用户终端站、由多个卫星构成的卫星接入网和由多个所述关口站构成的地面核心网；所述用户终端站，用于建立与所述卫星接入网之间的无线通信连接，进行双向数据传输；所述卫星接入网，用于进行所述用户终端站之间以及所述用户终端站与所述关口站之间的通信数据的处理和转发；所述卫星中设置有路由与交换处理模块，用于建立卫星接入网中卫星间的通信路径；所述地面核心网，用于对整个通信系统进行控制及管理。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述地面核心网包括第一关口站，用于通信资源的管理与分配、用户信息管理、系统网络管理、系统业务统计、用户费用统计；第二关口站，用于卫星的遥测遥控及状态监测、轨道预判、遥测遥控、载荷分析以及载荷配置；第三关口站，用于用户登记注册、用户呼叫管理、切换控制，以及与其他通信网络系统进行互联。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述用户终端站包括用户-卫星空中接口模块，用于建立终端站与卫星之间的数据无线传输承载；信令与协议处理模块，与所述用户-卫星空中接口模块连接，用于对用户终端站与卫星建立通信连接相关的信令和协议进行处理；应用程序模块，用于提供与用户信息交互及数据处理的平台；应用层功能接口模块，与所述用户-卫星空中接口模块和应用程序模块连接，用于在应用程序模块与用户-卫星接口模块之间进行数据转发。
4.根据权利要求3所述的通信系统，其特征在于，所述用户终端站还包括网关，与所述用户-卫星空中接口模块和所述信令与协议处理模块连接，用于与本地局域网进行通信连接。
5.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述卫星还包括卫星-用户空中接口模块，与所述路由与交换处理模块连接，用于建立卫星与用户终端站之间的双向信令承载和业务数据承载；卫星-关口站空中接口模块，与所述路由与交换处理模块连接，用于对卫星发送到地面核心网的数据进行封装并发送到关口站，并对接收到的来自关口站的数据进行处理，并发送给路由与交换处理模块；卫星-卫星空中接口模块，与所述路由与交换处理模块连接，用于对需要发送的数据进行封装并发送给其他卫星，同时接收来自其他卫星的数据，并进行处理之后，发送到路由与交换处理模块。
6.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述关口站包括关口站-卫星空中接口模块，用于建立关口站与接入网卫星之间的无线连接，进行双向数据传输；关口站-关口站接口模块，与所述关口站-卫星空中接口模块连接，用于建立关口站之间的通信连接；管理与控制功能模块，与所述关口站-卫星空中接口模块和关口站-关口站接口模块连接，用于进行卫星控制、通信资源管理以及用户管理；信息数据库，与所述管理与控制功能模块连接，用于存储通信系统的网络信息和用户信息。
7.一种基于天基移动通信系统的通信方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、用户终端站通过卫星接入网进行入网注册；步骤2、所述用户终端站根据自身的业务参数向所述卫星接入网进行业务申请，所述卫星接入网对所述用户终端站进行接入控制；步骤3、建立所述用户终端站和目的用户终端站的通信连接；步骤4、对所述通信连接进行维护；步骤5、拆除所述通信连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体为；步骤A1、当前卫星接收用户终端站发送入网注册请求信令；所述当前卫星指服务范围覆盖所述用户终端站的卫星；步骤A2、判断所述当前卫星是否已经与目的关口站建立了通信连接，如果是，则执行步骤A3，否则，执行步骤A4；步骤A3、将所述信令转发给所述目的关口站，然后执行步骤A6；步骤A4、根据网络状态和路由协议计算去往所述目的关口站的路径，然后将所述信令发送到相应的路由计算选择的星间链路对应的目的卫星；步骤A5、所述目的卫星将所述信令发送给所述目的关口站；步骤A6、所述目的关口站接收到所述信令后，对所述入网注册请求进行鉴权处理，如果鉴权成功，则通过已建立的卫星链路向所述用户终端站返回入网成功信令，然后执行步骤2，否则，通过已建立的卫星链路向所述用户终端站返回入网拒绝信令，结束。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体为步骤B1、用户终端站根据业务的需求设置初始业务参数，并向卫星接入网发送携带该业务参数的业务请求；步骤B2、卫星接入网收到业务请求后，执行接入控制操作，判断是否允许用户终端站接入，如果是，则执行步骤3，否则，执行步骤B3；步骤B3、卫星接入网进行业务参数协商，并将协商后的建议业务参数发送给用户终端站；步骤B4、所述用户终端站根据所述建议业务参数进行业务参数调整，根据调整后的业务参数生成新的业务请求，并将该业务请求发送给卫星接入网，然后执行步骤B2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤B3中，还包括判断发送业务请求的尝试次数是否小于预先设定的最大次数，如果是，则发送所述业务请求，否则，进入待机状态。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述接入控制操作具体为卫星接入网收到业务请求后，将所述业务请求转发到地面核心网，并执行星上接入控制操作，判断是否允许接入，如果是，则等待并接收地面核心网的接入控制信令，否则，向用户终端站发送拒绝接入的信令；所述地面核心网收到所述业务请求后，执行地面核心网接入控制操作，判断是否允许接入，如果是，则向所述卫星接入网发送允许接入的信令，否则，向所述卫星接入网发送拒绝接入的信令；所述卫星接入网收到所述地面核心网发送的接入控制信令后，对该信令进行判断，如果是允许接入的信令，则向所述用户终端站发送允许接入的信令，然后执行步骤B5；如果是拒绝接入的信令，则向用户终端站发送拒绝接入的信令，然后执行步骤B3。
12.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤3具体为步骤C1、卫星接入网中的当前卫星接收到当前用户终端站发送的连接建立请求后，为该连接预留相应的资源，然后进行路径选择，计算出连接路径的第一下一卫星，将所述连接建立请求发送给所述第一下一卫星；所述当前卫星指服务范围覆盖所述当前用户终端站的卫星；步骤C2、所述第一下一卫星收到所述连接请求后，为该连接预留相应的资源，然后所述第一下一卫星进行连接路径选择，计算出连接路径的第二下一卫星，并将所述连接请求发送给所述第二下一卫星，判断所述第二卫星是否为目的卫星，如果是，则执行步骤C3，如果不是，则所述第二下一卫星收到所述连接请求后，作为所述第一下一卫星，重复执行步骤C2；所述目的卫星指服务范围覆盖所述目的用户终端站的卫星；步骤C3、所述目的卫星收到所述连接请求后，进行连接准备，连接准备完成后，通过所述连接路径向所述当前卫星反回连接确认消息；步骤C4、当前卫星为所述当前用户终端站分配用户卫星空中接口无线资源，并反回连接确认消息到所述当前用户终端站；步骤C5、所述目的用户终端接收到连接确认消息后，利用当前卫星分配的无线资源开始业务传输。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括卫星的通信连接维护操作和/或用户终端站的通信连接维护操作。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述用户终端站的通信连接维护操作具体为步骤D1、用户终端站在业务数据传输的过程中，判断业务数据传输是否完成，如果是，则向卫星发出连接拆除请求，然后执行步骤5，否则，执行步骤D2；步骤D2、所述用户终端站判断是否接收到卫星发送的星地链路切换发起信令，如果是，则执行步骤D3，否则，执行步骤D1；步骤D3、所述用户终端站发起星地链路切换，判断用户终端站是否完成星地链路切换，如果是，则执行步骤D1，否则，执行步骤5。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述卫星的通信连接维护操作具体为步骤E1、卫星在业务数据的转发过程中，判断是否收到连接拆除请求，如果是，则执行步骤5，否则，执行步骤E2；步骤E2、所述卫星进行连接路径状态检测，判断连接路径状态是否改变，如果是，则执行步骤E3，否则，执行步骤E1；步骤E3、所述卫星判断连接路径状态改变是否为星地链路改变，如果是，执行步骤E4，否则，执行步骤E5；步骤E4、发起星地链路切换，判断是否成功完成星地链路切换，如果是，则执行步骤E1，否则，执行步骤5；步骤E5、判断连接路径状态改变是否为星间链路改变，如果是，则执行步骤E6，否则，执行步骤E1；步骤E6、发起星间链路切换，判断是否成功完成星间链路切换，如果是，则执行步骤E1，否则，执行步骤5。
16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤5具体为卫星接入网中的当前卫星收到当前用户终端站发出连接拆除请求后，该连接拆除请求沿着连接路径经过卫星接入网的多颗卫星的转发到达目的用户终端站；所述目的用户终端站接收到连接拆除请求后，进行连接拆除，连接拆除完成后向目的卫星返回连接拆除确认信令，该连接拆除确认信令沿着连接拆除请求的路径返回到所述当前卫星，连接路径上的所有卫星收到连接拆除确认信令后，释放该连接路径占用的资源。
全文摘要
本发明公开了一种天基移动通信系统及通信方法，系统包括至少一个用户终端站、由多个卫星构成的卫星接入网和由多个所述关口站构成的地面核心网；用户终端站，用于建立与卫星接入网之间的无线通信连接，进行双向数据传输；卫星接入网，用于进行用户终端站之间以及用户终端站与关口站之间的通信数据的处理和转发；卫星中设置有路由与交换处理模块，用于建立卫星接入网中卫星间的通信路径；地面核心网，用于对整个通信系统进行控制及管理。方法包括如下步骤入网注册，业务申请及接入控制，建立通信连接，通信连接维护，通信连接拆除。本发明使得卫星通信系统对地面节点的依赖性大大下降；能够减少地面控制站的部署，简化地面控制设备的功能。
文档编号H04L12/28GK101039139SQ20071006450
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者张军, 张涛, 秦勇 申请人:北京航空航天大学