基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法及系统与流程
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法及系统。
背景技术：
基于GEO(地球同步轨道，Geostationary Orbit的英文缩写)或LEO(低地球轨道，Low Earth Orbit的英文缩写)卫星的宽带蜂窝网移动通信系统，具有两个地面网无法比拟的独特优势：其一是其广域无缝覆盖能力，能支持轮船、列车、长途汽车、飞机等交通工具中的互联网应用；其二是其路由单跳就可跨越几千公里，这对于互联网应用中实时多媒体业务的质量保证非常有利；因此，各种各样的卫星蜂窝网移动通信系统仍然处于蓬勃发展之中。
然而，LEO卫星宽带蜂窝网需要一次性投入一笔巨大的资金，以致于许多规划都半途而废，或者只停留在纸上谈兵阶段。基于GEO卫星的宽带蜂窝网的建设已有很大的进展，并已得到了很好的应用。例如：美国的SPACEWAY系统(参见R J F.Fang,Broadband IP Transmission over Satellite with On-Board Processing and Switching//IEEE Global Telecommunications Conference(GLOBECOM 2011)，2011:1-5)、日本的WINDS(Wideband Internetworking Engineering Test and Demonstration Satellite)系统(参见R.Kuramasu，T.Araki,M.Shimada,T.Satoh,and et.al.,Wideband InterNetworking Engineering Test and Demonstration Satellite(WINDS)System,Technical Report of IEICE,no.SAT 2002-60,Oct.2002,pp.31-42)。但SPACEWAY和WINDS系统能支持的地面用户站数都是较少的，其星上交换本质上属于干线交换，不能支持大量小型用户终端，更不便于支持移动通信；又如：国际海事卫星组织的Inmarsat-4(参见Inmarsat Broadband Global Area Network(BGAN)System Description Manual,Revision 2.1.0,Feb.2003)，可支持小型移动用户终端，但可支持宽带移动通信的用户总容量仍然十分有限，而且没有很好地解决用接入因特网的问题；泰国IPSTAR系统(参见W.Thesling,M.Vanderaar,M.Thompson,et al.,Two-way Internet over iPSTAR using advanced error correction and dynamic links//AIAA Int.Conf.on Comm.Satellite System,Montreal,Canada.2002)，采用弯管式的透明转发体制，卫星上没有任何交换和路由设备，这使得其通信容量(45Gbps)和用户容量(用户信道数上十万)都空前巨大，但因为它所有的交换和路由都通过地面关口站来完成，这使得它过于依赖地面网络，而不利于保证实时宽带多媒体业务的质量；此外还有美国的WGS(Wide Broadband Global Satellite System)系统(参见WGS System Specification,rev.C,4/30/2003)、中国的XX-2号军用卫星通信系统等。
多波束卫星天线技术为基于GEO卫星支持宽带移动通信开辟了道路，一颗GEO卫星就可以支持10Gbps以上的通信容量、支持成千上万个移动用户进行宽带通信。然而，发展基于GEO卫星的宽带移动通信系统主要有两个关键问题：一是如何实现很大用户容量的星上信号处理和星上交换；二是如何支持因特网业务的问题。如果在星上对于非常多的用户上行信号进行分路、解调、译码，同时对发给所有用户的信息进行编码、调制和合路，其设备复杂度和功耗都是卫星无法承受的，因此一般都采用非再生式星上处理和相应的星上交换，但这又为支持因特网业务造成了障碍。
美国2005年建设的WGS(Wideband Gap-filling Satellite,后来改为Wideband Global SATCOM)，星上采用非再生式信号处理技术(基于FFT的FDMA的分路和合路)结合程控交换，在星上只进行分路、合路和交换，回避了上述第一个难题而取得了很大成功；WGS已成为美军实现全球通信的主要通信手段，当然原理上也可推广到民用。这种星上非再生式处理和程控电路交换系统，解决了多波束卫星支持大量用户信息在星上进行交换的问题，与透明转发到地面中心站进行信号处理和用户交换后再经卫星链路转发到各个用户相比，将用户终端之间通信的双跳变为单跳，不仅可节省一半的信道资源，而且能缩短一倍的传输时延，这对于支持宽带实时视频业务来讲是一个非常难得的大优势。
但是，星上程控电路交换不能实现星上IP路由交换，这对于支持因特网应用来讲是一个严重的障碍。为了解决这个问题，WGS最近采用DVB-S2/RCS(Digital Video Bcasting-S2/Return Channel via Satellite)国际标准协议，构成一种类似于常规卫星透明转发器支持的MF-TDMA系统(参见Gibbons,et all,Link Analysis of Commercial and Wideband Gapfiller Satellite(WGS)Systems Using DVB-S2with variable Coding and Modulation(VCM),Milcon.2006paper 266)，用户信号由卫星透明转发到地面中心站进行分路、解调、译码以及IP交换，然后再通过卫星链路转发到各个用户。显然，这种系统结构只能部分地解决支持因特网业务的问题，也就是说，只能有一小部分频带采用这种体制，大部分频带仍保持为原来的程控交换支持单跳传输。这是因为如果整个卫星都采用这种体制，星上程控交换就失去意义了。
此外，值得一提的是休斯公司在上世纪90年代末推出的Direct-PC(参见卫星互联网技术，中国电信网站)，它利用常规GEO卫星Ku波段透明转发器以IP-OVER-DVB-S方式广播发送多媒体业务信息，用户终端只须采用40cm口径的接收天线和一个价格及其低廉的机顶盒或PC机插件板，就可以直接接收来自中心站的信息速率高达40Mbps的多媒体信息，并直接进入PC机；PC机用户终端还可以通过地面互联网进行回传，实现互联网访问。这种系统因用户终端成本很低而很快得到了极其广泛的应用。2003年，我国启动的教育振兴行动计划也采用这种体制建立了教育科研网，很快发展到几十万个用户。(参见李伟，《利用VSAT技术，服务远程教育领域》，中国卫星应用大会，2006.9)。这种系统原理上可以支持宽带互联网应用，但由于实际上回传路由还是通过地面网络的外交互方式，使得大量用户回传信息涌入网络中心而非常容易造成拥塞，从而无法真正实现双向的互联网业务，所以说其主要还是服务于电视或多媒体广播的单收站。休斯公司后来改进了这种体制，将地面网回传改为通过卫星链路回传(参见李军平、王琦翻译，《回顾与展望：国外通信卫星业界高管眼中的2011年》，卫星与网络，2012.3)，使得用户终端成本大幅度上升，严重限制了其广泛应用。同时，由于该卫星通信系统未结合多波束卫星天线技术，其频率资源、用户容量都十分有限，根本无法发挥卫星通信的竞争优势。
纵观宽带卫星通信发展的现状可以看出，卫星通信真正发挥了重要作用的场合主要是军事通信、应急通信和海事通信方面，而它在民用移动通信方面尚有较大潜力没有发挥出来，那就是在支持列车、长途汽车、飞机、轮船等交通工具和应急通信车上包括实时多媒体业务在内的宽带因特网应用，它应该具有独特的优势，但至今没有得到很好发挥，而这方面存在较大的市场和社会需求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种方法步骤简单、实现方便且使用效果好的基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法。该宽带移动通信方法能为多种交通工具和应急通信车上大量人员提供因特网业务。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征在于：位于GEO卫星上的星上设备与地面站设备之间通过(NG+1)条双向馈送链路双向通信，且星上设备与NT个移动用户终端之间通过NB条双向用户链路进行双向通信；NG、NT和NB均为正整数，NG≥2，NB＝69～200；所述地面站设备包括一个网络控制中心和NG个关口站；所述双向馈送链路包括上行馈送链路和下行馈送链路，(NG+1)条所述双向馈送链路均采用Ka频段点波束进行数据传输，并实现(NG+1)次空分复用；所述双向用户链路包括用户上行链路和用户下行链路，NB条所述双向用户链路均采用用户链路波束进行数据传输，所述用户链路波束为X频段波束、Ku频段波束或或Ka频段波束；
所述星上设备与NT个所述移动用户终端采用由卫星天线波束形成的蜂窝网络进行双向数据传输，所述蜂窝网络所采用频带的带宽为260MHz且该频带划分为4个65MHz带宽的子频带，4个所述子频带的频率均不相同；所述蜂窝网络共划分为NB个蜂窝小区，每个所述蜂窝小区均对应于NB条所述双向用户链路中的一条双向用户链路，每4个相邻的蜂窝小区构成一个小区族，NB个所述蜂窝小区分属于NB/4个小区族，每个所述小区族中均包含4个所述蜂窝小区，且每个所述小区族中的4个所述蜂窝小区分别采用4个所述子频带进行数据传输，从而使260MHz带宽的频率资源实现NB/4次空分复用；NB个所述用户双向链路中的各用户上行链路均通过一条65MHz带宽的信道传输26个2.5MHz带宽的子带信号，所述子带信号为移动用户终端需发送至星上设备的信号，65MHz带宽的信道分为26个分别供26个所述子带信号传输的子带信道，且每个所述用户上行链路均包含26个所述子带信道；每个子带信道以Tf毫秒的帧周期，每帧划分为Ns个时隙进行信息传输，其中Tf＝5～20，Ns＝8～16；NB个所述用户双向链路中的每条用户下行链路各通过一条65MHz带宽的信道传输数据；NT个所述移动用户终端共用NB条所述双向用户链路进行数据传输，NT＝(Ns-1)×26×NB；
所述用户上行链路的数据传输过程如下：
步骤101、信号上传：每个蜂窝小区中的(Ns-1)×26个移动用户终端通过所述用户上行链路以MF-TDMA方式发送信号，传送至星上设备；移动用户终端发送信号为IP数据流的信号；
步骤102、星上信号分接及处理：所述星上设备以MF-TDMA方式对步骤101中每条用户上行链路所传送的(Ns-1)×26个用户信号进行频分分接与时分分接处理；每帧中除第1个时隙的信号之外，其余(Ns-1)个时隙的信号均送入程控交换模块进行程控交换；
每帧中第1个时隙的信号以同步码分多址方式接入，并经解扩、解调和译码后，送入IP路由器进行IP交换；
所述用户下行链路的数据传输过程如下：
步骤201、星上数据转换及调制：对IP路由器输出的需传送至移动用户终端的IP数据流进行转换形成IP-over-DVB-S格式的数据流，再进行数字调制；
步骤202、信号下传：将步骤201中数字调制所得信号通过所述用户下行链路发送至对应的移动用户终端；每个蜂窝小区所对应的一条所述用户下行链路的带宽均为65MHz；
所述上行馈送链路的数据传输过程如下：
步骤301、信号上传：通过所述上行馈送链路，将网络控制中心或关口站所发送的信息以IP-over-SDH格式传送至星上设备；每条所述上行馈送链路的总带宽为WuMHz，Wu＝65×NB/[(NG+1)η]，其中η为网络控制中心或关口站所用数字调制方式的频带利用率与用户下行链路所用数字调制方式的频带利用率之比；
步骤302、星上信号接收及处理：所述星上设备接收到步骤301中网络控制中心或关口站所传输的信号后，先进行解调和译码，再送入IP路由器进行IP交换；
所述下行馈送链路的数据传输过程如下：
步骤401、星上多路信号的复接及调制：对程控交换模块输出的需传送至地面站设备的多个用户的基带复包络信号，以及IP路由器输出的需传送至地面站设备的IP数据流经数字调制所得的基带复包络信号，进行MF-QOTDM复接后，再进行多载波调制；每条所述下行馈送链路各调制为NB/(NG+1)个载波调制的QOTDM信号，每个QOTDM信号均由26个2.5MHz带宽的基带复包络信号复接而成，且每个QOTDM信号的带宽为65MHz，其中每个基带复包络信号中含有(Ns-1)个MF-TDMA信号；
其中，MF-QOTDM为多频带QOTDM，MF-QOTDM传输方法为多频带QOTDM传输方法，所述QOTDM传输方法为公告号CN1845487B的发明专利申请中所公开的准正交时分复用传输方法；进行MF-QOTDM复接时，所采用的复接方法为所述QOTDM传输方法中所用的复接方法；
所述准正交时分复用传输方法，包括发端和收端，其过程如下：
发端步骤：
1)输入端先以N·Fs样点/秒的采样速率对这N个连续信号的解析信号轮流地采样，实现样点交织时分复接，其中2B＜Fs＜3B；
2)在上述样点交织时分复接信号的每帧N个复数样点的中间插入M个样点的同步和导频序列，得到一个样点速率为(N+M)·Fs复数样点序列；
3)采用正交幅度调制QAM法，将上述复数样点序列调制为一个带宽为(1+α)(N+M)·Fs赫兹连续信号，其中波形成形滤波器按照奈奎斯特第一准则设计为零相移FIR滤波器，其频率响应近似为平方根升余弦特性，α为其滚降系数，0＜α＜1；
收端步骤：
1)用一个幅-频特性与发端波形成形滤波器相同的信道匹配滤波器对所述“零中频”复数字信号进行滤波；
2)采用一种基于多相滤波器的帧同步环，实现帧同步和采样点同步的精确定时；
3)进行样点交织时分分接，输出样点速率都为Fs样点/秒的N个复数样点序列；
步骤402、信号下传与接收处理：通过所述下行馈送链路，将步骤401中复接和调制所得信号传送至对应的网络控制中心或关口站；然后，在网络控制中心或关口站中进行多载波解调和QOTDM分接处理，每条所述下行馈送链路进行NB/(NG+1)个载波解调，每个载波解调结果再进行QOTDM分接，各得到26个基带复包络信号；每个基带复包络信号再进行时分分接，各得到8个复基带信号；再对所得复基带信号分别进行解调译码。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：NT个所述移动用户终端均根据星上设备所检测的时间同步偏差值进行闭环同步，且每个所述用户上行链路通过闭环同步实现帧和时隙的同步传输；进行闭环同步时，所述星上设备检测各移动用户终端在各个频带和各个时隙所发送信号的同步头到达星上设备的时间同步偏差值，并将该时间同步偏差值调制为数字调制信号后通过所述用户下行链路传送至对应的移动用户终端，该移动用户终端接收到所述数字调制信号后，根据接收到的同步偏差值大小调整其发送时延，使下次发送信号的同步头到达星上设备的同步偏差减小，从而实现闭环同步。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：步骤301中通过所述上行馈送链路将网络控制中心或关口站所发送的需上传至GEO卫星的信号传送至星上设备之前，先将需上传至GEO卫星的信号划分为Ns组；每组信号均适配为SDH传输协议的链路信号格式，再以1/2的码率进行信道编码并变为320Mbps的比特流，之后经QPSK调制成带宽为200MHz的信号；通过所述上行馈送链路将需上传至GEO卫星的信号传送至星上设备时，Ns个200MHz带宽的信号以频分复用方式在Ka频段点波束的信道中进行上行传输；步骤302中所述星上设备接收到Ns个200MHz带宽的信号后，先对所接收信号进行分路、解调和译码，再送入IP路由器进行IP交换。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：步骤402中通过所述下行馈送链路进行数据传输时，采用MF-QOTDM传输方法进行数据传输，同步序列采用伪随机码且其兼作扩频码使用，该扩频码用于将IP路由器输出的需传送至地面站设备的IP数据扩频并传输到对应的网络控制中心或关口站。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：步骤102中每帧中第1个时隙的信号以同步码分多址方式接入时，采用载波侦听的信道竞争机制，以同步码分多址方式发送零散的IP数据包，包括信令信息和HTTP业务短信息；再对所述零散的IP数据包的信号进行解扩、解调和译码后，送入IP路由器进行IP交换，IP交换后分别送至对应的用户下行链路、下行馈送链路或星上网管代理模块。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：步骤102中星上设备以MF-TDMA方式对步骤101中每条用户上行链路所传送的(Ns-1)×26个用户信号进行频分分接与时分分接处理时，先通过正交下变频模块将所接收到的信号进行正交下变频转换为复基带信号，再通过频分分接模块进行频分分接，再通过时分分接模块进行时分分接，然后送入程控交换模块进行交换；步骤401中进行星上多路信号的数据复接时，采用MF-QOTDM复接模块进行复接；步骤102中所述程控交换模块的NB个输入端口分别与时分分接模块的用于输出基带复包络信号样点序列的数据输出接口相接，程控交换模块的(NG+1)个输出端口分别与(NG+1)个MF-QOTDM复接模块的数据输入接口相接；所述程控交换模块交换的粒度是一个带宽为2.5MHz的所述基带复包络信号中一个时隙的样点序列数据；程控交换模块进行程控交换时，按照由所述信令信息建立的交换路由表,将NB个输入端口送入的样点序列数据分别转移到对应的输出端口；所述交换路由表的更新周期为(Nf×Tf)毫秒，其中Nf为正整数且Nf＝1～20。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：步骤102中进行频分分接时，采用基于32点FFT的频分分接模块将所接收信号分接为26个基带复包络信号，再用时分分接模块对所得到的26个基带复包络信号中的每个基带复包络信号分别进行时分分接，每个基带复包络信号时分分接后均得到8个时隙的信号，实现了MF-TDMA方式的时分分接。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，其特征是：步骤402中通过所述下行馈送链路传送信号的信息内容为IP数据包，所述网络控制中心或关口站接收到通过所述下行馈送链路传送的信号后，先进行分路、解调和译码，再将其中属于本地互联网的IP数据包送入本地路由器进行IP交换；而将需通过星上设备传送至移动用户终端的IP数据包，先通过所述上行馈送链路传送至星上设备，再通过所述用户下行链路传送至对应的移动用户终端。
同时，本发明还公开了一种基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统，其特征在于：包括布设在GEO卫星上的星上设备、布设在地面且与星上设备进行双向通信的地面站设备和NT个借助星上设备的中继传输作用进行双向通信的移动用户终端，所述地面站设备包括一个网络控制中心和NG个关口站，NG为正整数且NG≥2；
所述星上设备包括IP路由器、程控交换模块、NB个数据转换模块、能产生NB个所述用户链路波束的第一多波束收发天线、能产生(NG+1)个所述Ka频段点波束的第二多波束收发天线、与第一多波束收发天线相接的第一信号收发单元和与第二多波束收发天线相接的第二信号收发单元，所述第二信号收发单元所接收的NB个信号分别经正交下变频模块、频分分接模块和时分分接模块后送入程控交换模块；所述正交下变频模块、频分分接模块和时分分接模块的数量均为NB个，NB个所述时分分接模块的用于输出基带复包络信号样点序列的数据输出接口分别与程控交换模块的NB个输入端口相接；所述程控交换模块的(NG+1)个输出端口分别与(NG+1)个MF-QOTDM复接模块的输入接口相接，(NG+1)个MF-QOTDM复接模块的输出端口分别与(NG+1)个所述第二信号收发单元相接；
NB个所述时分分接模块的用于输出第1个时隙信号的数据输出端口，均与SCDMA接入模块的数据输入端口相接；SCDMA接入模块的信令信息输出端口与星上网管代理模块的信令信息输入端口相接，所述星上网管代理模块与程控交换模块相接；
所述SCDMA接入模块的IP数据包输出端口与IP路由器相接，所述星上网管代理模块的IP数据输入/输出接口与IP路由器相接；(NG+1)个所述MF-QOTDM复接模块的IP数据输入端口均与IP路由器相接，NB个所述数据转换模块的IP数据输入端口均与IP路由器相接，NB个所述数据转换模块的输出端口分别与NB个第一调制模块相接，NB个所述第一调制模块均与第一信号收发单元相接；
所述第二信号收发单元的IP数据输出接口与IP路由器相接；(NG+1)个所述MF-QOTDM复接模块的输出端口分别与(NG+1)个第二调制模块相接，(NG+1)个所述第二调制模块均与第二信号收发单元相接。
上述基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统，其特征是：所述网络控制中心、星上网管代理模块、NG个所述关口站的网管信息接口单元和NT个所述移动用户终端的网管执行单元组成网络管理控制系统，所述网络管理控制系统形成一个星形IP网络，所述星形IP网络的中心节点为网络控制中心，所述星上网管代理模块、NG个所述关口站的所述网管信息接口单元和NT个所述移动用户终端的所述网管执行单元均为所述星形IP网络的终端节点。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所采用宽带移动通信系统结构简单、设计合理且使用效果好，其星上设备包括69～200个X频段、Ku频段或或Ka频段蜂窝网波束的收发天线及相关收发设备、5～17个Ka频段点波束的收发天线及相关收发设备、一个程控交换模块、一个IP路由器和一个网络管理系统的星上网管代理模块；地面站设备包括有一个用于网络控制管理的中心站和4～16个关口站，可支持数万个宽带移动用户终端(包括Internet局域网的卫星链路接口终端)同时进行通信；移动用户采用MF-TDMA及SCDMA方式以0.4～28Mbps的速率发送，采用IP-over-DVB-S数据流格式以155Mbps的速率接收，可用于支持飞机、列车、轮船、应急通信车等场合中包括多媒体业务在内的互联网应用。
2、所采用宽带移动通信方法步骤简单、设计合理且传输过程可靠，传输效果好。
3、宽带移动通信系统的总体规划合理，使有限的频率资源和GEO卫星有效载荷资源得到充分利用，适于构成用户容量尽可能大的宽带移动通信系统。波束数尽量多的多波束卫星天线、星上非再生式信号处理和程控交换、简单的星上IP路由交换、合理的多址接入方式(MF-TDMA+SCDMA)、高效的双向馈送链路、地面关口站的IP交换和宽带无线核心骨干网络管理中心紧密配合等总体方案的规划，使系统可充分、高效地利用X频段、Ku频段或Ka频段中的频率资源和GEO卫星有效载荷资源，尽可能扩大用户容量和数据吞吐率。例如：当用户波束个数为140时，260MHz带宽频率资源可空分复用35次，达到9.1GHz；每个波束65MHz的频带划分为26个2.5MHz的子带，140个波束共计子带信道数可达3640个；每个子带实现8个时隙的时分复用(其中第1时隙主要用于传输信令)，则可同时进行通信的用户总数最大可以达到7×26×140＝25,480。可采用一个NCC和8个关口站，共计9条Ka波段双向馈送链路支持整个系统。
对于这种规模的一个系统，星上需要140个80MHz工作时钟的32点FFT的频分分接模块，采用FPGA实现这些频分分接模块所需资源，与WGS中共计1872个2.6MHz的子带信道相比近似相同；这是因为后者需要39个160MHz工作时钟的64点FFT频分分接模块，而其信号重构部分也需要与频分分接模块部分同样大小的资源；而本系统不必进行FDMA信号重构，只需进行140次26个信号的QOTDM复接，以及9个下行馈送信号的MF-QOTDM复接，这样的信号复接所需FPGA资源比FDMA信号重构可减少3～5倍。
另一个卫星资源消耗比例最大的部分是用户下行链路的信号发送，WGS采用FDM方式发送信号，其峰平功率比很高。由于多波束成形射频天线耦合器不能太复杂，很难采用空间功率合成的办法增大各个功放管输出信号的线性动态范围，每个125MHz频带的功放管要发送48个子带信号，其峰平功率比为48，为减小非线性引起的多载波互调干扰，只好进行大幅度功率回退，这就造成功放管的体积和重量很大、平均发射功率很小、射频功率效率很低的三个严重问题。本发明中用户下行链路采用IP-OVER-DVB-S格式发送多用户信号，属于单载波调制信号，功放管几乎不需进行功率回退，功率效率可以达到最高，不再存在功放管体积重量太大和平均功率太小的问题。总之，虽然本方案的波束个数增大到140，而其用户下行链路的卫星资源消耗比WGS的可减少数倍。
程控电路交换部分的复杂度和资源消耗都远远小于前述两部分，这是因为它的缓存容量要求并不大，而拥塞控制机制又很简单，不像ATM交换那样复杂；本方案虽然采用了两个程控交换模块，其总的复杂度和资源消耗比WGS略有增加，但这部分的资源消耗仍然只占总的资源消耗的很小比例。
总之，如上列举的大容量宽带移动通信系统，其用户容量比WGS系统增大了数倍，特别是支持互联网应用的移动用户数可增大许多倍。这是因为除了子带信道数由1876增大到3640和MF-TDMA每帧分为8个时隙之外，SCDMA又使每个子带的第1时隙的用户数增大8倍，因此可容纳的总用户数最多可比WGS增大16倍以上。尽管其用户容量增大如此多，但根据上述复杂度和资源消耗的估计可知，它仍然可以采用与WGS相似的GEO卫星平台实现。注意WGS只有27个X波段波束用于支持移动通信。
4、合理的多址方式特别适于支持大量用户随机接入互联网，能使整个网络的数据吞吐率尽可能的高。
互联网应用的特点是各个用户发送IP包具有随机性和信息速率动态变化的特性。如果像WGS那样，只采用MF-TDMA实现按预约分配时隙，可能造成各个时隙经常出现空闲而利用不充分的现象。本方案采用SCDMA方式，具有软容量和统计复用的特性，在地面关口站中结合多用户检测技术，可以达到更高的数据吞吐率和用户容量。将MF-TDMA和SCDMA两种多址方式相结合，使各个用户可调配信息速率的动态范围可以更大。同时，还可通过信令时隙随机地发送零散的IP包，在星上解调译码和简单的IP交换，提高因特网的运行效率。
5、星上采用合理的非再生式信号处理和程控电路交换，可确保系统能在确保业务质量的前提下，大幅度提升实时多媒体业务的提供能力。
与WGS系统类似，本发明中星上也采用非再生式信号处理和程控电路交换。与基于再生式星上处理相比，不仅可以大幅度降低星上设备的复杂度和功耗，而且使各条信道都具有很强的应用灵活性，这个优点是与WGS类似的。但是，从下面的分析可知，本系统在保证因特网应用中实时多媒体业务的质量方面具有更大的优势。
众所周知，基于光纤传输的地面因特网可以提供高质量的视频广播和视频会议业务，但它是依靠信道带宽非常宽和节点缓存器非常大这两个特性来确保这类业务质量的。相比之下卫星网络在这两方面的劣势非常显著，只有依靠电路交换按预约固定分配信道来确保这种业务的质量；但卫星的信道资源太少，很难满足如此多移动用户的这种需求。本方案中星上有一个程控交换模块和一个IP路由器，其中，程控交换模块将用户上行链路信号经分路后重组，经下行馈送链路发送到离地面Internet目的地址较近的关口站，该关口站再将其传送到这个目的节点，与IPstar系统地弯管式卫星链路传输相比，这样传输所要经过地面因特网路由的节点数大大减少，大大降低了拥塞的可能性，容易保证实时多媒体业务的质量，同时，在星上交换时有多种可能的关口站选择，因此，星上交换总有可用的路由而不会造成拥塞。同理，对于移动用户访问远处地面网节点所提供的实时多媒体业务时，可以选择离源节点较近的任意一个关口站，将多媒体信息通过其上行馈送链路送到星上，经星上IP路由器交换后，再通过用户下行链路发送给该目标用户。这样也可大大减少拥塞，容易保证实时多媒体业务的质量。考虑到两个移动用户之间的实时多媒体业务发生概率较少，因此星上没有提供直接通路，但它绕道地面关口站间接传输，业务质量也不会明显降低，只是增大一倍卫星链路时延而已。
总之，本宽带移动通信系统在本质上是将卫星链路与地面网络路由二者互为备份，不仅可以在确保业务质量的前提下大幅度提高系统的实时多媒业务提供能力，而且使得卫星信道资源得到了最有效的利用。
6、用户下行链路采用IP-over-DVB-S标准协议，实现基于时分复用的单载波调制方式传输，具有最高的功率效率，因而可充分发挥卫星射频功率的效能，使移动用户终端的制造成本大幅度降低，而且可采用如16APSK那样的多进制调制获得很高的频带效率和信息速率，例如达到155.52Mbps的净速率。以下是上述结论的详细论证：
众所周知，射频功率放大器对于多频带信号的放大，存在多载波互调干扰现象，因而导致多方面的严重问题。首先是必须采用功率回退的办法来避免或减小信号的限幅失真。设频带个数为N，各个子带都发送同样大小的功率，那么总信号的峰值功率与平均功率之比即等于N，要想放大这种信号不出现限幅引起的非线性失真现象，必须进行功率回退，即采用1dB压缩点的额定功率等于峰值功率的功放管。这就需要采用N倍于平均功率大小的额定功率功放管来进行放大，或说需要有10LogN(dB)的功率回退。
当N较大时这样进行功率回退是不可取的，例如N＝48，需要回退16.8dB，发射10W的平均功率需要采用480W的功放管，功放管的体积和重量都会太大，射频功率的效率也会太低。因此功率回退值不得不减小一些，但功率回退值减小后就会出现信号限幅，引起非线性失真和多载波互调干扰，这是不可避免的。例如：根据理论推导和仿真结果表明，当功率回值退值取为时，功放管放大N个频带的QPSK调制信号，在没有其它背景噪声的情况下，光是互调干扰所引起的误码率就会大于10-4，相当于Eb/N0＝8.4dB，或信噪比等于11.4dB。这就是说，由于多载波互调干扰使射频功放管输出信号的信噪比就只有11.4dB。这意味着与单载波调制信号线性放大时输出信号的信噪比可达到30dB以上相比，因为功放管的回退不足而可能产生20dB左右的信噪比损失。这对于下行链路的信噪比预算是一个相当严重的损失。
此外，较大的功率回退值不仅会使功放管体积和重量变大，而且还会使射频功率效率降低；如果无功率回退时射频功率放大器的效率可以高于30％，采用5～7dB回退的功放管，其功率效率就可能降低到15％左右。这对于下行链路的信噪比预算又是一个附加的损失。
根据上述估算，本发明中用户下行链路采用基于IP-OVER-DVB-S标准协议的时分复用单载波调制方式传输，与WGS采用48个频带的FDMA传输体制相比，下行链路可以增大20dB左右的链路余量。这个链路余量可用于减小移动用户的天线口径，例如将天线口径由1.5米减小为0.4米，因为移动用户天线口径能否减小，主要受限于下行链路的信噪比预算。对于X或Ku频段来说，“动中通”天线口径由1.5米减小为0.4米，其制造成本可能降低许多倍。而“动中通”天线的制造成本在整个终端设备的制造成本中所占比例非常大，可能达到80～90％，甚至更大；因而如此减小天线口径，便可大幅度降低每个移动用户终端总的制造成本。
7、使用效果好且实用价值高，能支持列车、飞机、轮船和某些执行应急或特殊任务的通信车上包括实时多媒体业务在内的宽带互联网应用。星上多波束天线结合星上信号处理形成一个具有NB个蜂窝形小区(cell)覆盖地面及其相应的空域。对于各个小区中的用户，星上可以分别进行信号的发送与接收，但对于接收信号，除包括信令信息在内的零散IP包信号之外，在星上都不进行解调译码，而只在分路之后就由程控交换模块进行波束交换，并与NCC或各个关口站进行双向信息传输。因此，本发明所述的宽带移动通信系统是基于非再生式星上处理和星上交换的大容量卫星通信系统。由于星上不进行解调译码和重新编码调制，因此星上设备的复杂度、功耗、体积和重量都相对减小，可用有限的GEO卫星资源支持通信容量和用户数目都很大的通信系统。实际使用时，移动用户终端采用MF-TDMA及SCDMA方式以0.4～28Mbps的速率发送，采用IP-over-DVB-S格式以155Mbps的速率接收，可用于支持飞机、列车、轮船、应急通信车等场合中包括多媒体业务在内的互联网应用。
综上所述，本发明设计合理、实现方便且使用效果好、实用价值高，能用于支持多种交通工具、应急通信车等场合包括实时多媒体业务在内的宽带因特网应用，还能为多种交通工具上大量人员提供类似于4G移动通信水平的因特网业务。
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。
附图说明
图1为本发明宽带移动通信系统的使用状态参考图。
图2为本发明星上设备的工作原理图。
图3为本发明用户闭环同步环路中的星上处理流程框图。
图4为本发明网络管理控制系统的工作原理图。
附图标记说明:
1—地面站设备； 1-1—网络控制中心； 1-2—关口站；
2—星上设备； 2-1—程控交换模块； 2-2—IP路由器；
2-4—星上网管代理模块； 2-5—频分分接模块； 2-6—时分分接模块；
2-7—MF-QOTDM复接模块； 2-8—第一多波束收发天线；
2-9—第一信号收发单元； 2-10—正交下变频模块；
2-11—第二多波束收发天线；
2-12—第二信号收发单元；
2-13—SCDMA接入模块； 2-14—数据转换模块； 3—移动用户终端；
3-1—Internet用户； 3-2—目的主机； 4-1—核心路由器；
4-2—边缘路由器； 4-3—VoIP源主机； 4-4—HTTP源主机；
4-5—FTP源主机。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明所述的一种基于多波束GEO卫星的宽带移动通信方法，位于GEO卫星上的星上设备2与地面站设备之间通过(NG+1)条双向馈送链路双向通信，且星上设备2与NT个移动用户终端3之间通过NB条双向用户链路进行双向通信；NG、NT和NB均为正整数，NG≥2，NB＝69～200；所述地面站设备包括一个网络控制中心1-1和NG个关口站1-2。所述双向馈送链路包括上行馈送链路和下行馈送链路，(NG+1)条所述双向馈送链路均采用Ka频段点波束进行数据传输，并实现(NG+1)次空分复用；所述双向用户链路包括用户上行链路和用户下行链路，NB条所述双向用户链路均采用用户链路波束进行数据传输，所述用户链路波束为X频段波束、Ku频段波束或或Ka频段波束。
实际使用时，NG＝8～16，NT＝14352～83200。实际应用过程中，可根据具体需要，对NG和NB的取值大小进行相应调整。
所述星上设备2与NT个所述移动用户终端3采用由卫星天线波束形成的蜂窝网络进行双向数据传输，所述蜂窝网络所采用频带的带宽为260MHz且该频带划分为4个65MHz带宽的子频带，4个所述子频带的频率均不相同。所述蜂窝网络共划分为NB个蜂窝小区，每个所述蜂窝小区均对应于NB条所述双向用户链路中的一条双向用户链路，每4个相邻的蜂窝小区构成一个小区族，NB个所述蜂窝小区分属于NB/4个小区族，每个所述小区族中均包含4个所述蜂窝小区，且每个所述小区族中的4个所述蜂窝小区分别采用4个所述子频带进行数据传输，从而使260MHz带宽的频率资源实现NB/4次空分复用；NB个所述用户双向链路中的各用户上行链路均通过一条65MHz带宽的信道传输26个2.5MHz带宽的子带信号，所述子带信号为移动用户终端3需发送至星上设备2的信号，65MHz带宽的信道分为26个分别供26个所述子带信号传输的子带信道，且每个所述用户上行链路均包含26个所述子带信道。帧周期为Tf毫秒，每帧划分为Ns个时隙进行信息传输，其中Tf＝5～20，Ns＝8～16。NB个所述用户双向链路中的每条用户下行链路各通过一条65MHz带宽的信道传输数据；NT个所述移动用户终端3共用NB条所述双向用户链路进行数据传输，NT＝(Ns-1)×26×NB。
结合图2，所述用户上行链路的数据传输过程如下：
步骤101、信号上传：每个蜂窝小区中的(Ns-1)×26个移动用户终端3通过所述用户上行链路以MF-TDMA方式发送信号，传送至星上设备2；移动用户终端3发送信号为IP数据流的信号。并且，移动用户终端3发送的信号为数字调制信号(也称基带复包络信号)。
步骤102、星上信号分接及处理：所述星上设备2以MF-TDMA方式对步骤101中每条用户上行链路所传送的(Ns-1)×26个用户信号进行频分分接与时分分接处理；每帧中除第1个时隙的信号之外，其余(Ns-1)个时隙的信号均送入程控交换模块2-1进行程控交换。其中，所述用户信号为步骤101中移动用户终端3发送的信号。
每帧中第1个时隙的信号以同步码分多址方式接入，并经解扩、解调和译码后，送入IP路由器2-2进行IP交换。每帧中第1个时隙的信号在星上进行解扩、解调和译码。
所述用户下行链路的数据传输过程如下：
步骤201、星上数据转换及调制：对IP路由器2-2输出的需传送至移动用户终端3的IP数据流进行转换形成IP-over-DVB-S格式的数据流，再进行数字调制；
步骤202、信号下传：将步骤201中数字调制所得信号通过所述用户下行链路发送至对应的移动用户终端3；每个蜂窝小区所对应的一条所述用户下行链路的带宽均为65MHz。
所述上行馈送链路的数据传输过程如下：
步骤301、信号上传：通过所述上行馈送链路，将网络控制中心1-1或关口站1-2所发送的信息以IP-over-SDH格式传送至星上设备2；每条所述上行馈送链路的总带宽为WuMHz，Wu＝65×NB/[(NG+1)η]，其中η为网络控制中心1-1或关口站1-2所用数字调制方式的频带利用率与用户下行链路所用数字调制方式的频带利用率之比。
步骤302、星上信号接收及处理：所述星上设备2接收到步骤301中网络控制中心1-1或关口站1-2所传输的信号后，先进行解调和译码，再送入IP路由器2-2进行IP交换。
所述下行馈送链路的数据传输过程如下：
步骤401、星上多路信号的复接及调制：对程控交换模块2-1输出的需传送至地面站设备1的多个用户的基带复包络信号，以及IP路由器2-2输出的需传送至地面站设备1的IP数据流经数字调制所得的基带复包络信号，进行MF-QOTDM复接后，再进行多载波调制；每条所述下行馈送链路各调制为NB/(NG+1)个载波调制的QOTDM信号，每个QOTDM信号均由26个2.5MHz带宽的基带复包络信号复接而成，且每个QOTDM信号的带宽为65MHz，其中每个基带复包络信号中含有(Ns-1)个MF-TDMA信号。
其中，MF-QOTDM为多频带QOTDM，MF-QOTDM传输方法为多频带QOTDM传输方法，所述QOTDM传输方法为公告号CN1845487B的发明专利申请中所公开的准正交时分复用传输方法；进行MF-QOTDM复接时，所采用的复接方法为所述QOTDM传输方法中所用的复接方法。MF-QOTDM复接指的是分别进行多个频带的复接且复接时均按照QOTDM传输方法中所采用的复接方法进行复接。MF-TDMA信号为星上设备2以MF-TDMA方式接收的用户信号。
所述准正交时分复用传输方法，包括发端和收端，其过程如下：
发端步骤：
1)输入端先以N·Fs样点/秒的采样速率对这N个连续信号的解析信号轮流地采样，实现样点交织时分复接，其中2B＜Fs＜3B；
2)在上述样点交织时分复接信号的每帧N个复数样点的中间插入M个样点的同步和导频序列，得到一个样点速率为(N+M)·Fs复数样点序列；
3)采用正交幅度调制QAM法，将上述复数样点序列调制为一个带宽为(1+α)(N+M)·Fs赫兹连续信号，其中波形成形滤波器按照奈奎斯特第一准则设计为零相移FIR滤波器，其频率响应近似为平方根升余弦特性，α为其滚降系数，0＜α＜1；
收端步骤：
1)用一个幅-频特性与发端波形成形滤波器相同的信道匹配滤波器对所述“零中频”复数字信号进行滤波；
2)采用一种基于多相滤波器的帧同步环，实现帧同步和采样点同步的精确定时；
3)进行样点交织时分分接，输出样点速率都为Fs样点/秒的N个复数样点序列。
进行MF-QOTDM复接时，由于每个QOTDM信号均由26个2.5MHz带宽的基带复包络信号复接而成，复接形成QOTDM信号的每个基带复包络信号均包括两部分基带复包络信号，一部分为程控交换模块2-1输出的基带复包络信号，该基带复包络信号对应于每帧中的(Ns-1)个时隙的信号；另一部分为IP路由器2-2输出的IP数据流经数字调制模块调制后所得的基带复包络信号，该基带复包络信号对应于每帧中第1个时隙的信号。
步骤402、信号下传与接收处理：通过所述下行馈送链路，将步骤401中复接和调制所得信号传送至对应的网络控制中心1-1或关口站1-2；然后，在网络控制中心1-1或关口站1-2中进行多载波解调和QOTDM分接处理，每条所述下行馈送链路进行NB/(NG+1)个载波解调，每个载波解调结果再进行QOTDM分接，各得到26个基带复包络信号；每个基带复包络信号再进行时分分接，各得到8个复基带信号；再对所得复基带信号分别进行解调译码。
其中，基带复包络信号为带通信号的复包络。QOTDM分接指的是按照QOTDM传输方法中所采用的分接方法进行分接。
本实施例中，所述移动用户终端3是一种具有卫星信道回传的双向通信终端(Return-Channel-Satellite-Terminal，简称RCST)。实际使用时，所述移动用户终端3既可以是一个宽带多媒体终端，也可以是一个支持Internet应用的局域网卫星链路接口终端(即局域网与卫星网络的接口终端)，且该移动用户终端3所接的局域网中包含多个Internet用户3-1。并且，所述局域网中的多个Internet用户3-1均通过局域网与目的主机3-2相接。所述局域网布设在各种交通工具或应急通信车等场合。
所述关口站1-2包括Ka频段收发天线、与Ka频段收发天线相接的信号收发及处理设备、与所述信号收发及处理设备相接的核心路由器4-1和通过Internet网络与核心路由器4-1进行通信的边缘路由器4-2，所述边缘路由器4-2与多个源主机相接，所述源主机为VoIP源主机4-3、HTTP源主机4-4或FTP源主机4-5。
本实施例中，NT个所述移动用户终端3均根据星上设备2所检测的时间同步偏差值进行闭环同步，且每个所述用户上行链路通过闭环同步实现帧和时隙的同步传输。进行闭环同步时，所述星上设备2检测各移动用户终端3在各个频带和各个时隙所发送信号的同步头到达星上设备2的时间同步偏差值，并将该时间同步偏差值调制为数字调制信号后通过所述用户下行链路传送至对应的移动用户终端3，该移动用户终端3接收到所述数字调制信号后，根据接收到的同步偏差值大小调整其发送时延，使下次发送信号的同步头到达星上设备2的同步偏差减小，从而实现闭环同步。
本实施例中，步骤301中通过所述上行馈送链路将网络控制中心1-1或关口站1-2所发送的需上传至GEO卫星的信号传送至星上设备2之前，先将需上传至GEO卫星的信号划分为Ns组；每组信号均适配为SDH传输协议的链路信号格式，再以1/2的码率进行信道编码并变为320Mbps的比特流，之后经QPSK调制成带宽为200MHz的信号；通过所述上行馈送链路将需上传至GEO卫星的信号传送至星上设备2时，Ns个200MHz带宽的信号以频分复用(FDM)方式在Ka频段点波束的信道中进行上行传输；步骤302中所述星上设备2接收到Ns个200MHz带宽的信号后，先对所接收信号进行分路、解调和译码，再送入IP路由器2-2进行IP交换。
其中，Ns为正整数且Ns＝4～16。所述星上设备2接收到Ns个200MHz带宽的信号且对所接收信号进行分路、解调和译码后，恢复出数据信息。
此处，适配为SDH传输协议的链路信号格式为155.52Mbps，本实施例中，SDH传输协议的链路信号格式为STM1或STM4链路信号格式。
实际使用时，步骤202中通过所述用户下行链路进行数据传输时，所传输数据为将IP-over-DVB-S数据流经单载波数字调制得到的信号；步骤201中进行调制时，采用高阶调制方式对所述IP-over-DVB-S数据流进行调制。
本实施例中，所采用的高阶调制方式为QPSK、OQPSK、TCM或16APSK的数字调制方式。
步骤102中以MF-TDMA方式对每条用户上行链路所传送的(Ns-1)×26个用户信号进行频分分接与时分分接处理时，以帧同步方式接入。NT个移动用户终端3均以星上设备2发布的帧同步时钟为基准进行同步，帧周期为Tf毫秒且Tf＝5～20。
实际使用时，步骤402中通过所述下行馈送链路进行数据传输时，采用MF-QOTDM传输方法进行数据传输，同步序列采用伪随机码且其兼作扩频码使用，该扩频码用于将IP路由器2-2输出的需传送至地面站设备的IP数据扩频并传输到对应的网络控制中心1-1或关口站1-2。其中，同步序列也称为同步与导频序列。
本实施例中，步骤102中每帧中第1个时隙的信号以同步码分多址方式接入时，采用载波侦听的信道竞争机制，以同步码分多址方式发送零散的IP数据包，包括信令信息和HTTP业务短信息。再对所述零散的IP数据包的信号进行解扩、解调和译码后，送入IP路由器2-2进行IP交换，IP交换后分别送至对应的用户下行链路、下行馈送链路或星上网管代理模块2-4。其中，所述零散的IP数据包的信号为数字调制信号(也称为基带复包络信号)。
步骤301中通过所述上行馈送链路进行数据传输时，所传送数据为IP-over-DVB-S数据流，所采用的数据传输方式为SDH传输方式。
本实施例中，步骤102中星上设备2以MF-TDMA方式对步骤101中每条用户上行链路所传送的(Ns-1)×26个所述用户信号进行频分分接与时分分接处理时，先通过正交下变频模块2-10将所接收到的信号进行正交下变频转换为复基带信号，再通过频分分接模块2-5进行频分分接，再通过时分分接模块2-6进行时分分接，然后送入程控交换模块2-1进行交换；步骤401中进行星上多路信号的数据复接时，采用MF-QOTDM复接模块2-7进行复接；步骤102中所述程控交换模块2-1的NB个输入端口分别与时分分接模块2-6的用于输出基带复包络信号样点序列的数据输出接口相接，程控交换模块2-1的(NG+1)个输出端口分别与(NG+1)个MF-QOTDM复接模块2-7的数据输入接口相接；所述程控交换模块2-1交换的粒度是一个带宽为2.5MHz的所述基带复包络信号中一个时隙的样点序列数据；程控交换模块2-1进行程控交换时，按照由所述信令信息建立的交换路由表,将NB个输入端口送入的样点序列数据分别转移到对应的输出端口；所述交换路由表的更新周期为(Nf×Tf)毫秒，其中Nf为正整数且Nf＝1～20。
步骤102中星上设备2以MF-TDMA方式对所述用户上行链路所传送的26个所述子带信号进行多址接入时，先通过正交下变频模块2-10对所接收的信号进行正交下变频处理，再进行频分分接模块2-5和时分分接模块2-6进行频分分接与时分分接后，送入程控交换模块2-1；步骤401中进行星上数据复接时，采用MF-QOTDM复接模块2-7进行复接。步骤102中所述程控交换模块2-1的NB个输入端口分别与时分分接模块2-6的用于输出基带复包络信号样点序列的数据输出接口相接，程控交换模块2-1的(NG+1)个输出端口分别与(NG+1)个MF-QOTDM复接模块2-7的数据输入接口相接；所述程控交换模块2-1交换的粒度是一个带宽为2.5MHz的所述基带复包络信号中一个时隙的样点序列数据；程控交换模块2-1进行程控交换时，按照由所述信令信息建立的交换路由表将NB个输入端口送入的样点序列数据分别转移到对应的输出端口。所述交换路由表的更新周期为(Nf×Tf)毫秒，其中Nf为正整数且Nf＝1～20。
本实施例中，步骤102中进行频分分接时，采用基于32点FFT的频分分接模块将所接收信号分接为26个基带复包络信号，再用时分分接模块2-6对所得到的26个基带复包络信号中的每个基带复包络信号分别进行时分分接，每个基带复包络信号时分分接后均得到8个时隙的信号，实现了MF-TDMA方式的时分分接。
本实施例中，步骤402中通过所述下行馈送链路传送信号的信息内容为IP数据包，所述网络控制中心1-1或关口站1-2接收到通过所述下行馈送链路传送的信号后，先进行分路、解调和译码，再将其中属于本地互联网的IP数据包送入本地路由器进行IP交换；而将需通过星上设备2传送至移动用户终端3的IP数据包，先通过所述上行馈送链路传送至星上设备2，再通过所述用户下行链路传送至对应的移动用户终端3。
也就是说，所述网络控制中心1-1和NG个所述关口站1-2的信号处理过程是：先对所述下行馈送链路传输来的多路信号进行分路、解调和译码，再通过本地IP路由器和网关，将目的地址属于本地互联网的IP数据包，送到无线通信核心网进行IP交换；而将另一些需要通过星上设备2送到外地网络地址的IP数据包，组成IP-over-SDH数据流，并由所述上行馈送链路传输到星上，以便在星上通过用户下行链路发送到各个移动用户终端3。
综上，由于所述下行馈送链路通过一条带宽为Wd的信道传输26×NB/(NG+1)个2.5MHz带宽的所述基带复包络信号，带宽为Wd的频带分为NB/(NG+1)个子频带，因而步骤401进行MF-QOTDM复接时，对26×NB/(NG+1)个自频带所传送的基带复包络信号分别进行复接，并且对各基带复包络信号进行复接时，均采用QOTDM复接方法进行复接且复接后获得QOTDM信号；所述下行馈送链路中的每个子频带都传输一个由26个带宽都为2.5MHz的基带复包络信号经QOTDM复接所得到的QOTDM信号；实际进行多载波调制时，将每条所述下行馈送链路各调制为NB/(NG+1)个载波调制的QOTDM信号，每个QOTDM信号均由26个2.5MHz带宽的基带复包络信号复接而成且其带宽为65MHz，其中每个基带复包络信号中含有(Ns-1)个TDMA信号。其中，Wd＝1～3GHz。MF-QOTDM复接指的是进行NB/(NG+1)个频带的QOTDM复接，MF-QOTDM分接为MF-QOTDM解复接。
如图1所示的一种基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统，包括布设在GEO卫星上的星上设备2、布设在地面且与星上设备2进行双向通信的地面站设备和NT个借助星上设备2的中继传输作用进行双向通信的移动用户终端3，所述地面站设备包括一个网络控制中心1-1和NG个关口站1-2，NG为正整数且NG≥2。
所述星上设备2包括IP路由器2-2、程控交换模块2-1、NB个数据转换模块2-14、能产生NB个所述用户链路波束的第一多波束收发天线2-8、能产生(NG+1)个所述Ka频段点波束的第二多波束收发天线2-11、与第一多波束收发天线2-8相接的第一信号收发单元2-9和与第二多波束收发天线2-11相接的第二信号收发单元2-12，所述第二信号收发单元2-12所接收的NB个信号分别经正交下变频模块2-10、频分分接模块2-5和时分分接模块2-6后送入程控交换模块2-1。所述正交下变频模块2-10、频分分接模块2-5和时分分接模块2-6的数量均为NB个，NB个所述时分分接模块2-6的用于输出基带复包络信号样点序列的数据输出接口分别与程控交换模块2-1的NB个输入端口相接。所述程控交换模块2-1的(NG+1)个输出端口分别与(NG+1)个MF-QOTDM复接模块2-7的输入接口相接，(NG+1)个MF-QOTDM复接模块2-7的输出端口分别与(NG+1)个所述第二信号收发单元2-12相接。
NB个所述时分分接模块2-6的用于输出第1个时隙信号的数据输出端口，均与SCDMA接入模块2-13的数据输入端口相接；SCDMA接入模块2-13的信令信息输出端口与星上网管代理模块2-4的信令信息输入端口相接，所述星上网管代理模块2-4与程控交换模块2-1相接。
所述SCDMA接入模块2-13的IP数据包输出端口与IP路由器(2-2)相接，所述星上网管代理模块2-4的IP数据输入/输出接口与IP路由器2-2相接。(NG+1)个所述MF-QOTDM复接模块2-7的IP数据输入端口均与IP路由器2-2相接，NB个所述数据转换模块2-14的IP数据输入端口均与IP路由器2-2相接，NB个所述数据转换模块2-14的输出端口分别与NB个第一调制模块1-15相接，NB个所述第一调制模块1-15均与第一信号收发单元2-9相接。
所述第二信号收发单元2-12的IP数据输出接口与IP路由器2-2相接；(NG+1)个所述MF-QOTDM复接模块2-7的输出端口分别与(NG+1)个第二调制模块1-16相接，(NG+1)个所述第二调制模块1-16均与第二信号收发单元2-12相接。
本实施例中，所述第一信号收发单元2-9以及正交下变频模块2-10、频分分接模块2-5、时分分接模块2-6、SCDMA接入模块2-13、NB个所述数据转换模块2-14和NB个所述第一调制模块1-15组成第一信号收发及处理单元。所述第二信号收发单元2-12、MF-QOTDM复接模块2-7和(NG+1)个所述第二调制模块1-16组成第二信号收发及处理单元。
因而，本发明所述的基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统中，所述星上设备2由第一多波束收发天线2-8、与第一多波束收发天线2-8相配合使用的所述第一信号收发及处理单元、第二多波束收发天线2-11、与第二多波束收发天线2-11相配合使用的所述第二信号收发及处理单元、一个程控交换模块2-1、一个IP路由器2-2和一个星上网管代理模块2-4组成。所述地面站设备中包含NG个关口站1-2(Gateway)和一个网络控制中心1-1(简称NCC)用于网络控制管理，最多可支持NT个移动用户终端3同时进行通信。
本实施例中，所述频分分接模块2-5为基于32点FFT(快速傅立叶变换)的频分分接模块。
本实施例中，结合图4，所述网络控制中心1-1、星上网管代理模块2-4、NG个所述关口站1-2的网管信息接口单元和NT个所述移动用户终端3的网管执行单元组成网络管理控制系统，所述网络管理控制系统形成一个星形IP网络，所述星形IP网络的中心节点为网络控制中心1-1，所述星上网管代理模块2-4、NG个所述关口站1-2的所述网管信息接口单元和NT个所述移动用户终端3的所述网管执行单元均为所述星形IP网络的终端节点。
实际使用时，所述网络管理控制系统进行用户接入控制、程控交换和IP交换的管理工作。其中，所述网络控制中心1-1为地面上的网络控制管理与IP交换的中心，且网络控制中心1-1为所述星形IP网络的中心节点。
所述星形IP网络的外向链路(即由中心节点至各个终端节点的传输链路)分为两段：一段由所述上行馈送链路中一部分子信道实现，另一段由所述下行馈送链路中一部分子信道和所述用户下行链路中一部分子信道实现；其内向链路(即由各个终端节点至中心节点的传输链路)也分为两段：一段由所述上行馈送链路中一部分子信道和所述用户上行链路中一部分子信道(即第1时隙)实现，另一段由所述下行馈送链路中一部分子信道实现。由于所述下行馈送链路的传输方式是MF-QOTDM传输，其同步序列是伪随机码，该伪随机码以直扩方式携带网管系统的信息进行传输，而不必额外占用信道资源。
综上，NB个所述用户链路波束中，每个所述用户链路波束均含有一条所述双向用户链路，即移动用户终端3与星上设备2之间的双向传输链路。所述双向用户链路的用户上行链路为由移动用户终端3向星上设备2发送数据的通信链路，所述双向用户链路的用户下行链路为由星上设备2向移动用户终端3发送数据的通信链路。所述星上设备2与NT个所述移动用户终端3采用所述蜂窝网络进行双向数据传输，且采用X频段、Ku频段(具体是Ku频段的扩展频段)或Ka频段中260MHz的频率范围，该260MHz带宽的频带划分为4个65MHz带宽的频带，并采用多波束卫星天线(具体是第一多波束收发天线2-8)形成NB个蜂窝小区(即地面蜂窝小区，cell)，这些蜂窝小区划分为NB/4个小区族(cell cluster)，每个小区族中的4个蜂窝小区各使用频率不同而带宽都为65MHz的频带，从而使260MHz带宽的频率资源实现NB/4次的空分复用。
所述NB条所述双向用户链路中的用户上行链路，星上采用基于32点FFT(快速傅立叶变换)的频分分接模块(也称频分解复用器)分接为26个基带复包络信号(该信号为数字信号)；每条用户上行链路的26个子带信道采用MF-TDMA(多频带-时分多址)方式实现多址接入，以Tf毫秒为帧周期，每帧划分为8～16个时隙；除第1个时隙之外，其余时隙都按照信令信息分配给不同用户发送TDMA信号，并且这些时隙的信号在星上不进行解调译码，而是转发到地面站设备再进行解调译码。所述第1个时隙采用载波侦听机制(基于随机竞争方式)，以同步码分多址(SCDMA)方式，发送零散的IP数据包，所发送的零散IP数据包中包括信令信息；这些时隙的MF-CDMA信号在星上进行解扩、解调和译码后，得到的零散的IP数据包经IP路由器2-2进行IP交换后，并入相应的所述用户下行链路或所述下行馈送链路进行发送；同时，将零散的IP数据包中的信令信息送到星上网管代理模块2-4，用于接入控制和星上交换管理。所述NB条所述双向用户链路中的用户下行链路，通过一条65MHz带宽的信道以IP-over-DVB-S数据流传输宽带IP数据信息，其中DVB为Digital Video Broadcast的英文缩写。
由于第1个时隙采用载波侦听机制且以同步码分多址(SCDMA)方式进行数据发送，且用于IP数据包的随机发送，以便加速因特网的直接访问；此处所谓载波侦听是利用所述用户下行链路中发送给各移动用户终端3的同步误差信息，来判断信道空闲情况。第1个时隙的CDMA信号在星上进行解扩、解调和译码，得到零散的IP数据包，经星上IP路由器2-2进行IP交换后，并入相应的所述用户下行链路或所述下行馈送链路发送。由于采用MF-TDMA和SCDMA两种多址接入方式，使移动用户终端3发送信息的速率具有很大的可变动态范围，可从十几Kbps到几十Mbps灵活选择，这对于支持互联网应用是十分有利的。
实际使用过程中，由于NB个所述用户链路波束中所有移动用户终端3发送的信号，在星上均先进行频分分路后，各得到26个带宽都为2.5MHz的基带复包络信号，并在完成时分分接后，送到程控交换模块2-1进行交换，之后从程控交换模块2-1的(NG+1)个输出端口分别送到(NG+1)个所述下行馈送链路的输入接口，再通过MF-QOTDM传输方法进行；每条所述下行馈送链路均为将带宽Wd的频率范围(Wd＝1～3GHz)划分为NB/(NG+1)个频带，每个频带传输一个由26个带宽都为2.5MHz的基带复包络信号经QOTDM复接所得到的信号；每条所述下行馈送链路各传输26NB/(NG+1)个带宽都为2.5MHz的基带复包络信号，(NG+1)条所述下行馈送链路共传输26NB个带宽都为2.5MHz的基带复包络信号，即包含了所有移动用户终端3所发送的信息。
实际使用时，整个基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统以星上发布的帧同步时钟为基准，以帧同步和时隙同步方式工作，各个移动用户终端3借助星上检测和发布的同步误差信息(即时间同步偏差值)实现闭环同步。结合图3，通过NB个所述时分分接模块2-6对NB条所述用户上行链路所传送信号进行时分分接后，先通过滑动相关法检测信号的同步头，并根据当前情况下的同步时钟(即所述帧同步时钟)进行同步误差估算，并确定各移动用户终端3在各频带和各时隙通过所述用户上行链路中所发送信号的同步头到达星上的时间同步偏差值，并将此时间同步偏差值调制为数字调制信号，并封装成IP包(即将检测获得时间同步偏差信息封装成IP包)，再经IP路由器2-2进行IP交换后，通过相应的所述用户下行链路发送到各个移动用户终端3，各移动用户终端3收到该时间同步偏差值后对应调整其发送时延，使下次发送信号的同步头到达星上的时间同步偏差减小，从而实现闭环同步。
所述(NG+1)个Ka频段点波束构成地面站设备与星上设备2之间的双向馈送链路，以(NG+1)次空分复用方式共享频率资源。其中，(NG+1)条所述下行馈送链路都采用同一个宽度为Wd的频带，Wd＝65×1.25×NB/(NG+1)MHz；每条所述下行馈送链路均采用多频带-准正交时分复用(MF-QOTDM)方式传输Nd个带宽都为2.5MHz的基带复包络信号，Nd＝26NB/(NG+1)，其中包含了所有移动用户终端3所发送的信息。(NG+1)条所述上行馈送链路都采用同一个宽度为Wu的频带，其中Wu＝65×NB/(NG+1)MHz；用于将需要发送到各移动用户终端3的所有数据信息都馈送到星上，各条所述上行馈送链路都采用SDH(Synchronous Digital Hierarchy)协议，传输65×NB/(NG+1)MHz带宽的数据流。
(NG+1)条所述双向馈送链路都采用Ka频段点波束，以(NG+1)次空分复用方式共享频率资源。其中，(NG+1)条所述下行馈送链路都采用同一宽度为WdMHz的频带，Wd＝65×1.25×NB/(NG+1)，乘因子1.25为考虑多路复用传输时需要的一些额外开销。每条所述下行馈送链路都采用MF-QOTDM(多频带-准正交时分复用)方式(参见2005年7月11日申请的授权公告号为CN1845487B的《准正交时分复用传输方法》发明专利申请中所公开的传输方法，发明人为易克初、王勇、易鸿锋、董华和田红心)，各传输26NB/(NG+1)个带宽为2.5MHz的基带复包络信号，且(NG+1)条所述下行馈送链路共传输26×NB个基带复包络信号；这些2.5MHz带宽的基带复包络信号是由所述用户上行链路传送至星上且经频分分接、时分分接和程控交换后重新组合后所得到的信号，该信号在星上不进行进一步处理，而是通过所述下行馈送链路转发到地面站设备再做处理。
(NG+1)条所述上行馈送链路都采用同一个宽度为Wu的频带，Wu＝65×NB/(NG+1)MHz，用于将需要发送到各移动用户终端3的所有数据信息都馈送到星上。各条所述上行馈送链路都采用SDH(Synchronous Digital Hierarchy)协议(参见CCITT Recommendation G.707,“Synchronous Digital Hierarchy Bit Rates”,Recommendation G.709”Synchronous Multiplexing Structure”,Blue Book,vol.3,Fascicle 3.4,Nov.1988),传输各具有Wu＝65×NB/[(NG+1)η]带宽的数据流。
所述地面站设备对其所接收信号进行解调、译码和IP路由交换。由于所述上行馈送链路传输的是多路数据信息，因而采用微波电信中常用的SDH协议，以时分复用、单载波数字调制方式进行传输。由于所述地面站设备需发送信号以IP-over-SDH方式经所述上行馈送链路传输。在星上再对其进行分路和IP交换，并封装成NB个IP-over-DVB-S数据流且均调制为65MHz带宽的数字调制信号，再经所述用户下行链路传输。
所述程控交换模块2-1为星上程控交换电路模块，该模块具有NB个输入端口，分别连接到NB条所述用户上行链路中所述第一信号收发及处理单元的基带复包络信号样点序列的数据输出接口；程控交换模块2-1的(NG+1)个输出端口，分别连接到(NG+1)个MF-QOTDM复接模块2-7的数据输入接口。所述程控交换模块2-1交换的粒度是一个带宽为2.5MHz的基带复包络信号中一个时隙的样点序列数据。所述程控交换模块2-1按照根据信令信息建立的交换路由表，将程控交换模块2-1的各输入端口送入的样点序列数据，转移到相应的输出端口。
实际使用过程中，所述程控交换模块2-1的作用是：将星上NB个所述第一多波束收发天线2-8接收到的信号，经过频分分接和时分分接后所得到的样点序列进行重新组合，以便进行MF-QOTDM复接后通过(NG+1)条所述下行馈送链路馈送到地面站设备。
所述IP路由器2-2的输入端口连接到所述第一信号收发及处理单元的IP数据输出接口、星上网管代理模块2-4发送网管信息的IP数据输出接口和所述第二信号收发及处理单元的IP数据输出接口；所述IP路由器2-2的输出端口连接到所述第一信号收发及处理单元的IP数据输入接口、星上网管代理模块2-4接收网管信息的IP数据输入接口和所述第二信号收发及处理单元的IP数据输入接口。
也就是说，所述IP路由器2-2的IP数据只有两个来源：一是星上对通过所述用户上行链路传送的信号中各个子带的一个时隙进行解扩、解调和译码所得到的零散IP包，包括信令信息和用户进行网页浏览点击而随机产生的IP包；二是由地面站设备经所述上行馈送链路发送到星上的IP-over-SDH的IP数据流。所述IP路由器2-2将这些IP数据按照其应该的去向(根据IP包的目的地址)，转移到相应的星上接口，具体对应IP路由器2-2的输出端口连接端口。
实际使用时，经IP路由器2-2进行IP交换后，那些携带信令信息的IP数据包，送到星上网管代理模块2-4或者通过各条所述下行馈送链路送到网络控制中心1-1或关口站1-2用于网络控制管理。对于需发送至移动用户终端3的用户信息IP包，包括星上得到的零散IP包和由网络控制中心1-1或关口站1-2经所述上行馈送链路发送到星上的IP-over-SDH的IP数据流，则送到各条所述用户下行链路的输入数据接口，封装成IP-over-DVB-S格式数据流，调制为16APSK信号发送(参见易克初、孙永军，《数字通信理论与系统》电子工业出版社2013.10)。
综上，本发明所述的基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统，利用多波束卫星天线(即第一多波束收发天线2-8与第二多波束收发天线2-11)实现频率资源的空分复用，使宽带移动通信系统可选用适于移动通信的X频段、Ku频段或或Ka频段，具有足够多的频率资源来支持一个大容量的卫星通信网。其中，所述双向用户链路采用X频段、Ku扩展频段或或Ka频段中260MHz的频率范围，划分为4个65MHz带宽的频带；采用多波束卫星天线形成NB个地面蜂窝小区(cell)，这些地面蜂窝小区划分为NB/4个小区族(cell cluster)，每个小区族中的4个地面蜂窝小区各使用频率不同而带宽都为65MHz的频带，从而使260MHz带宽的频率资源实现NB/4次的空分复用；当NB＝200时，总的可用频率资源为13GHz。
本实施例中，NB＝140，NG＝8，所述用户链路波束为Ku频段波束。实际使用时，可根据具体需要，对NB和NG的取值大小进行相应调整。所述GEO卫星为多波束GEO卫星。本发明所述的基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统最多可支持25480个Ku频段移动用户终端同时进行通信，其中26×7×140＝25,480。
本实施例中，所述星上设备2包括140个波束的Ku频段收/发天线及其相应的接收/发送信号处理模块(即所述第一信号收发及处理单元)、9个Ka波束的频段收/发天线及其相应的接收/发送信号处理模块(即所述第二信号收发及处理单元)、1个程控交换模块2-1、一个IP路由器2-2和一个星上网管代理模块2-4。
所述网络控制中心1-1和各关口站1-2都具有IP交换和路由功能。所述关口站1-2通过国家宽带无线核心骨干网在各地区的网管中心与公共互联网相联，使所有的移动用户访问互联网中远处任意网址时，可通过程控交换模块2-1选择一个最合适的关口站1-2及其双向馈送链路，再由该关口站1-2经地面网络路由进行访问。具体实施方案如下：
第一、移动用户链路的频率规划和性能分析：
所述双向用户链路采用Ku扩展频段中260MHz的频率范围，划分为4个65MHz带宽的频带；采用多波束卫星天线形成140个蜂窝小区，将这些蜂窝小区再划分为140/4＝35个小区族，每个小区族中的4个蜂窝小区各使用不同的65MHz带宽的频带，从而使260MHz带宽的频率资源可实现35倍的空分复用，总资源可达9.1GHz。
1.1、用户上行链路：140个波束的Ku频段用户上行链路中，每个波束通过一条65MHz带宽的信道传输26个2.5MHz带宽的子带信号，这26个子带信道采用MF-TDMA(多频带-时分多址)方式实现多址接入，以10毫秒(即Tf＝10)为帧周期，每帧划分为8个时隙，按照信令将各个时隙分配给不同用户传输信息。每个子带信道中第1时隙采用SCDMA(时隙同步码分多址)方式实现多址接入，用于传输信令信息及零散IP包；这些时隙的信号在星上进行解扩、解调和译码后进行IP交换，其中信令信息用于星上交换的控制管理，零散的IP包直接送到相应的所述用户下行链路传输。
每个移动用户终端3通过信令向网络中心申请分配信道，可同时申请多个TDMA时隙，以便发送较高信息速率的信号，例如当申请到某个子带中7个时隙时，则发送的信息速率可达2.8Mbps左右。每个移动用户终端3还可以申请多个2.5MHz带宽的子带信道发送更高速率的信息，例如：同时申请10个子带信道，则发送的信息速率可达28Mbps左右。
1.2、用户下行链路：140个波束的Ku频段用户下行链路中，每个波束通过一条65MHz带宽的信道以IP-over-DVB-S格式传输宽带IP数据信息，这是一种单载波数字调制的传输方式，采用16-APSK且结合3/4码率的纠错编码，则每条65MHz带宽的所述用户下行链路可传输的净信息速率可达到155.52Mbps，相应的毛速率为200Mbps左右。
1.3、数据吞吐率估算：由于上述移动用户链路分析情况可知，所述用户下行链路的速率以比其用户上行链路的速率高得多，二者速率之比可达到(5～389)︰1左右，这里155.52/0.4≈389，155.52/28≈5。这样的不对称设计，对于支持互联应用是十分合理的。实际上，它隐含了对于电视广播、点播业务的支持。
第二、同步方式：整个基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统以星上发布的帧同步时钟为基准，以帧周期为Tf＝10毫秒的帧同步方式工作，各个移动用户终端3借助星上检测和发布的同步误差信息实现闭环同步。140个用户链路波束的26个子带信道采用MF-TDMA或SCDMA方式实现多址接入，都采用闭环同步方式实现帧和时隙的同步传输，即星上检测各个用户在各个频带、各个时隙所发送的同步头到达星上的时间同步偏差值，并将这些同步偏差数据调制为数字调制信号，通过相应的所述用户下行链路直接(不必经过网络控制中心1-1或关口站1-2发送到各个移动用户终端3。所述移动用户终端3收到同步误差值后调整其发送时延，使下次发送的同步头信号到达星上的同步误差减小，从而实现闭环同步。
第三、卫星设备2与网络控制中心1-1或关口站1-2之间的双向馈送链路的频率规划和性能分析：
由于双向用户链路中上行链路和下行链路的总速率不同，卫星设备2与网络控制中心1-1或关口站1-2的9条所述双向馈送链路的上行和下行的速率不同，传输方式也不同。
3.1、下行馈送链路的频率规划和性能特点：
9条所述下行馈送链路，需要将总带宽为9.1GHz的所有用户发送信号的基带复包络信号由星上馈送到网络控制中心1-1或关口站1-2考虑到信道复用有一定的开销，每条链路约需1.25GHz的频率资源。采用Ka频段点波束传输能进行9次空分复用，因此总共只需占用1.25GHz的频率资源。各条所述下行馈送链路都采用MF-QOTDM传输方法进行传输，即将1.25GHz的总带宽划分为16个等宽的频带，每个频带传输一个由26个基带复包络信号复接而成的QOTDM信号。
所述下行馈送链路所传送QOTDM信号中的同步序列，采用可携带信息的伪随机码序列，即以直接序列扩频方式携带网管信息进行传输，也能将其兼作网络管理星形IP网络的回传链路使用。
3.2、上行馈送链路的频率规划和性能特点：
考虑到140个所述用户链路波束的带宽移动用户链路都采用16APSK调制，每条所述用户上行链路的65MHz带宽所能传输的毛速率约200Mbps，140条所述用户上行链路共计毛速率为28Gbps。因此馈送这些数据的9条所述上行馈送链路所需的总速率约为28Gbps，若采用QPSK调制传输则所需带宽约为18GHz。考虑采用9倍空分复用，则所需频率资源约为2GHz；留有余地，取为2.25GHz带宽。
采用QPSK调制，每条所述上行馈送链路传送2.25GHz带宽的毛速率约为3.375Gbps；若采用3/4码率的信道纠错编码，则净速率为2.53125Gbps。采用4个频带的频分复用传输，每个频带按照SDH协议的STM4格式传输，即速率622.08Mbps，则总速率为2.48832Mbps，显然2.25GHz带宽可以满足此传输的要求。
所述上行馈送链路中传输的数据基于IP-over-SDH方式，其中可包含用于网络管理的IP数据包。也就是说，此链路可为支持网络管理控制系统的星形IP网络提供一部分信息传输通道。
本实施例中，所述程控交换模块2-1的交换路由表的更新周期，取为帧周期Tf的5倍,即50毫秒。
实际使用时，可以根据具体需要，对交换路由表的更新周期进行相应调整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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