卫星和与其相关联的终端之间的交换通信的方法与流程

文档序号:11161984阅读:1724来源:国知局
卫星和与其相关联的终端之间的交换通信的方法与制造工艺

本公开总体上涉及通信领域,并且更具体地涉及用于在卫星通信网络中执行通信的方法。



背景技术:

本公开涉及其中使用频分双工(FDD)的卫星系统。不同的频率被用于前向业务(即从卫星发射到终端的业务)和用于RF链路的返回业务(即从终端发射到卫星的业务),并且该系统的特征在于终端不能在它们正在发射业务的同时接收业务。为了适应这个限制,并且同时高效地使用上行链路和下行链路容量(capacity)两者,系统必须执行专门的前向链路多路复用和返回链路容量指派。

下文提到的术语“(多个)卫星系统”应当被理解成包括由地球同步卫星系统、低地球轨道(“LEO”)卫星系统和中地球轨道(“MEO”)卫星系统以及诸如高空平台(“HAP”)、高空、长航时无人飞行器(“HALE UAV”)等的其它类型的平台组成的组中的任何一个或多个成员,所述高空平台(“HAP”)是准静止(quasistationary)航空器,其提供在保持在空中达长时间段的同时将服务递送到大区域的装置。

在典型的卫星通信网络中,可用容量的一部分被分配用于前向链路中的中心到卫星通信。类似地,返回链路容量的一部分被分配用于卫星到中心的通信。虽然在下面的描述中没有明确地讨论分配用于与中心(也称为地球站、网关或远程端口)通信的链路容量的这些部分,但是仍然应当注意,在卫星仅用作“弯管”的情况下,在下面公开中讨论的方法和空中接口协议也可以并且通常在这样的中心中实现。即,除了对其接收的信号执行基本滤波和使它们在频率上移位之外,卫星不处理其接收的信号。通常,对于在上行链路中分配的容量部分(即,用于发射中心到卫星通信以及终端到卫星通信),通过使用为其分配的容量部分,所分配的频率与为执行下行链路通信(即,卫星到中心通信以及卫星到终端通信)而分配的频率显著地不同。

用于调度传输的一种方法是即时地(on-the-fly)执行发射-接收冲突解决方案,而不通过在其上引入成帧机制来对终端强加任何限制。为此,调度器(scheduler)必须确保数据包仅在它们在终端不正在发射时到达终端的这样的时间被多路复用(multiplex)到前向链路上。这继而意味着前向链路多路复用器必须为每个(活动的)终端维持单独的队列,并且此外,跟踪在卫星和恰好那同一终端之间的传播延迟。一旦每一个返回链路时隙,并且对于每一个非空输出队列,调度器将使用延迟信息来查阅返回链路容量分配矩阵,以便检查在前向链路数据包接收的计划时间下,终端是不是被调度来发射。然后调度器必须公平地服务于非阻塞队列。此外,调度必须允许用于随机接入返回链路传输的终端特定预先同意的短传输窗口。最后,返回链路容量分配必须保持终端的传输占空比低于100%,以确保它可以发送前向链路业务而没有过度的延迟。

发射—接收调度还影响波束和卫星之间的终端交接(handover)。利用上述方案,调度器必须涉及每个交接,以便确保前向链路数据被正确地重新路由。



技术实现要素:

本公开的目的是提供一种发射-接收成帧机制,其显著地简化了调度,流线型卫星和波束转接。

本公开的另一个目的是提供一种发射-接收成帧机制,其中涉及路由和交接的大部分复杂性被从卫星转移到网关和终端。

本公开的又一个目的是提供一种用于实现一个或多个卫星与多个终端之间的通信的新颖方法,其中多个终端被划分成M组终端。

随着本发明的描述的进行,本发明的其它目的将变得显而易见。

在下面的描述中,假定空中接口的前向链路使用一个或多个TDM载波,而其返回链路使用诸如多频时分多址(MF-TDMA)的预约接入方案。

本公开的空中接口的关键方面是其调节终端在处于发射通信的模式中的同时没有能力接收通信的能力。用于前向链路的帧被划分成N个(例如4个)相等长度子帧。由每个子帧携带的前向链路流将服务于波束中的终端群体的1 / N ——使用相同的示例的四分之一。卫星返回链路调度器将向终端指派容量,同时考虑它们的子帧关联。此方案简化了由卫星进行的调度,并且允许终端被分组以用于在前向链路上寻址,并且以节省接收器功率。

与例如在DVB-S2(或任何其它适用的标准)PL(“物理层”)报头上的信令结合在一起的前向链路超帧结构被用来向处于待机模式中的终端警报正在排队并将要被向它们发射的前向链路业务。

波束和卫星交接可以可选地但不一定依赖于全系统的GPS等级时基;终端地理位置信息;通过前向链路上的层2信令传达到终端的准确的卫星轨道数据;以及上文描述的成帧方案。这些使得运行两个相同的比特精确的覆盖计算例程的网关和终端能够被同步,以用于业务路由和要求最小信令的波束/卫星选择。

用于处于待机模式中或当前正在接收数据的终端的波束或卫星转接将不涉及信令,并且将在不中断业务的情况下完成。转接期间的返回链路传输涉及交换修改的容量请求消息。它优选地在卫星内转接期间是无缝的,并且在卫星之间几乎是无缝的。

根据本公开的实施例,提供了一种用于实现一个或多个卫星和多个终端之间的通信的方法,其中所述多个终端被划分成M组终端,并且其中所述方法包括:

在前向链路中转发多个通信帧,其中多个帧被划分成N个子帧,并且其中由N个子帧中的每个沿着前向链路携带的业务服务于与相应的卫星相关联的一组或多组终端,以及

由卫星返回链路调度器为一组或多组终端中的至少一个指派返回链路的相应容量,其中所述指派考虑子帧中的哪个与该至少一组终端相关联。

根据另一实施例,属于至少一组终端的终端的特征在于:在它们发射通信的同时它们不能接收通信。

根据另一实施例,至少一组终端中的每个进一步被划分成子组,并且前向链路通信帧中的每一个的物理层报头(PL报头)指定子组中的至少一个,并且其中每个通信帧携带被寻址到在相应PL报头中指定的至少一个子组的业务。

通过又一个实施例,每一个终端被配置成对前向链路通信帧的每个PL报头进行解码,并且其中该方法还包括以下步骤:由此如果PL报头携带与相应终端所属的终端的子组匹配的子组的指示,则相应终端将对整个通信帧进行解码,并且如果PL报头携带与相应终端所属的终端的子组不匹配的子组的指示,则相应终端将不对相应的整个通信帧进行解码。

根据又一个实施例,在PL报头携带与相应终端所属的终端的子组不匹配的子组的指示的情况下,相应终端被配置成使其接收器断电达整个通信帧的持续时间。

根据另一个实施例,所提供的方法还包括以下步骤:向来自当前处于待机模式中的多个终端当中的终端警报注定要到(destined to)它们的业务当前正在排队并将要被发射到它们。

根据又一个实施例,N个子帧中的每一个包括基带帧,并且其中所有基带帧具有固定的预定义长度,从而具有不同的调制和/或不同的代码。

根据另一方面,提供了一种用于实现在一个或多个卫星与多个终端之间进行通信的方法,其中一个或多个卫星被配置成通过至少一个网关与属于公共网络的多个终端通信, 并且其中多个终端和至少一个网关被配置成执行相同的比特精确的卫星覆盖计算例程,所述多个终端和至少一个网关被同步以用于业务路由和具有最小信令的波束/卫星选择。

根据这个方面的另一个实施例,多个终端中的每一个被配置成生成对在另一个波束或不同卫星中的返回链路容量的分配的请求,从而当终端切换波束或卫星时,它能够立即利用在新的(被切换到的)波束上或在新卫星处的所述被分配的容量。

根据另一实施例,终端被配置成:

接受初始地理位置信息并执行粗略对准程序;以及

执行校准例程,该校准例程允许基于由终端向相应卫星发送的通信的接收来精细对准其取向和倾斜。

通过又一个实施例,一个或多个卫星被配置成:

使用网关引用机制来建立全系统的一天时间(ToD)时基;以及

周期性地广播指定与一个或多个卫星中的相应卫星相关的信息的信息。

根据又一个实施例,针对执行波束间转接和/或卫星间转接所需的时间段来分配自适应获取时间。

根据另一实施例,卫星系统是从由以下组成的组选择的成员:地球同步系统、LEO系统和MEO系统。

附图说明

根据下面结合附图进行的其实施例的详细描述,将更充分地理解本发明,其中:

图1示出了用于发射-接收调度的示例方案;以及

图2卫星接受通过旧波束接收的对新波束中的容量的请求。

具体实施方式

总体方案及相关标准

对于前向链路,优选地使用单载波非扩展调制,例如,如在DVB-S2中和在DVB-S2X标准(ETSI EN 302 307-1和EN 302 307-2)中那样,而对于返回链路,可以使用多频时分多址(MF-TDMA),例如, DVB-RCS2标准(EN 301 542-2)。

尽管可能,其它传输技术不太适合于卫星链路,其主要是具有非常高的SNR灵敏度的清晰的视线信道。CDMA技术生成自干扰,并且因此是较不功率高效的。另一方面,S-MIM(已经被开发以解决自干扰问题的ETSI TS 102 721-1)对于卫星机上的节省成本的实现来说太复杂了。已经被采用用于在蜂窝和无线LAN网络中使用的OFDM技术针对被阻塞的多路径丰富信道提供了显著优点,但是它要求大的HPA回退(back-off),并且对相位噪声更敏感。此外,所有上面的技术在多路径信道中的优点在Ku波段、静止终端场景中不起作用。

1. 前向链路

本发明的前向链路有点类似于DVB-S2 / S2X链路,但是特征在于当与DVB-S2 / S2X链路相比时具有至少以下差别:

一种由本发明提供的修改的物理层(PL)报头,其特征在于它:(a)实现组合的低SNR和高SNR自适应编码和调制(ACM); 和(b)包括模式设置比特的较大的有效载荷。

基带帧在符号中具有恒定长度(并且可以携带通过当前使用的调制而变化的多个比特)。

2. 返回链路

本发明的返回链路有点类似于DVB-RCS2链路,但是特征在于当与DVB-RCS2链路比较时具有至少以下差别:某些MAC消息包括附加的非标准信息,诸如,终端的位置和子群体指派。

物理层(PHY)

1. 前向链路

前向链路PHY有点类似于DVB-S2 / S2X标准中提供的定义,但是特征在于当与DVB-S2/S2X链路比较时至少具有以下差别:

扩展物理层报头(PL报头)包括更长的帧起始(“SOF”)序列以便确保第一时间获取,和包括更多信令比特的更长的物理层信令(“PLS”)字段。PLS优选地被用来用信号通知以下中的至少一个:

- 前向链路帧和超帧边界;

- 终端分组;以及

- 终端警报消息。

对于低SNR操作,上述基线报头可以被扩展成包括较长的SOF序列(基于标准SOF)和用于PLS字段的附加FEC比特。为了维持恒定的基带帧长度,低SNR帧可以使用打孔的LDPC代码。前向链路可以能够支持基线(高SNR)和低SNR基带帧的混合操作。

2. 返回链路

返回链路PHY有点类似于由DVB-RCS2 PHY定义的那个。

发射-接收调度

本发明提供了一种发射-接收成帧机制,其极大地简化了调度和流线型卫星和波束转接。此外,它转移从卫星到网关和终端的路由和交接的大部分复杂性。这是以适度的成帧延迟和稍微较低的终端传输占空比(与超过90%的最佳情况相比,对于4个子帧的示例为75%)为代价而达到的。

帧的调度

当实现DVB-S2/S2X标准时,术语“基带帧”涉及包含在2432到53760之间变化的多个有效载荷(用户信息)比特的帧。此信息的目的地可以是到一个用户(终端)或到许多用户(当在广播模式中或在时分模式中操作时)。

将基带报头添加到这些有效载荷比特,并且然后整个帧被编码、调制到符号并成帧为包含3330到33282个符号之间的物理层帧(PL-帧)。显然,接收这样的PL帧的终端首先必须对PL帧的报头解码,以便能够访问包含在那个帧中的数据。

取决于卫星处被分配的带宽,可以以不同的速率来发射符号。在下面的示例中,我们假定速率为500Msps(这由高吞吐量卫星支持),使得如果一个采用例如32400个符号的固定PL帧,则发射那个PL帧将花费64.8微秒。注意那个500Msps。其它传输速率可以是36Msps或72Msps,这是目前更常见的。在这些速率下,发射32400个符号长的PL帧所需的时间将分别是0.9msec或0.45msec。

当使用500Msps速率时,0.5msec的子帧包括大约8个PL帧。然而,当处理较长的PL帧时,将必须修改根据本公开的帧的长度,因为PL帧不能被划分成若干个子帧。

在下面的公开中,2msec的时间段被示例为与通信帧相关联,其等效于具有16个PL帧。因此,包括5个通信帧的超帧将包括80个PL帧。

换句话说,术语“子帧”在本文中遍及说明书和权利要求书指的是包括若干个PL帧的实体,其中的每个包括基带帧。

图1示出了用于示例的一组参数的发射-接收调度的示例方案,其中:

前向链路基带帧被分组为2mS长的帧。每个帧被分成四个相等长度(0.5mS长)的子帧,每一个由整数的例如DVB-S2或DVB-S2X基带帧组成。卫星前向链路携带四个等速率流(例如,DVB-S2或DVB-S2X),每个占用帧内的一个子帧(例如,对于每波束单载波500Msps载波,将存在四个125 Msps流)。

终端群体被划分成四个相等大小的子群体。划分以使跨越地理(以及因此在任何给定时间的任何单个波束内)的随机性最大化的方式来完成。终端的每一个子群体接收由帧内的一个子帧携带的流。此划分是固定的(即静态划分)。

成帧使前向链路延迟增加了三个子帧的持续时间——在上面讨论的示例中为1.5mS。每一个子群体(由四个前向链路子帧之一服务)可以进一步被划分成组。每一个这样的组由子帧容量的一小部分服务,由时间片号(例如由DVB-S2、附件M定义)指定,从而表示该组。这使得终端有可能在终端一确定帧的组(时间片)号不是与恰好相同的终端相关联的那一个,就使其接收器断电达基带帧的持续时间。

在前向链路子帧的时间段内存在整数个返回链路TDMA时隙。当终端不在接收通信时,在帧内的三个子帧期间为终端分配返回链路传输时间。返回链路容量分配考虑卫星终端延迟,以确保(在卫星的返回链路时间帧中进行的)容量指派与终端的发射时间窗口(如例如在图1中示出的)兼容。

减小帧持续时间一方面减少延迟,而且另一方面降低分组的有效性。

增加(或减少)帧内子帧的数目n增加(或减少)发射时间窗口(到帧的1-1/n),并且稍微增加(或减少)延迟(到帧的1-1 / n)。

发射-接收调度和返回链路容量指派优选地在层2中被用信号通知。它们在卫星和终端中的实现优选地由软件管理。

终端的子群体和组的指派优选地在网关处执行。通过网关到卫星链路发送的每个数据包携带此数据作为边信息,从而使卫星解除为整个终端群体存储映射的任务。

卫星或网关分配回路链路容量。在会话(session)开始时(并且优选地在交接期间),终端向卫星提供关于其当前位置和子群体指派的必要信息,并且然后此数据可以在卫星处为各种活动的终端缓存(cache)。

终端警报

为了节省功率,不发射或接收通信的终端优选地进入待机模式,其中除了其子系统的最小集合之外的全部被断电。非活动终端在以下情况时退出其待机模式:(a)数据包到达其本地接口;或(b)它由卫星通过前向链路寻址;或(c)它必须执行诸如接收更新的系统信息之类的不频繁的家政任务。从这三种情况当中,情况(b)涉及空中接口的以下特征:

每个M个——例如五个——前向链路帧将被分组为超帧(对于5×2mS帧为10mS长)。超帧的开始由PLS发信号通知。

PLS有效负载的一部分专用于终端警报——发信号通知当前处于待机模式中的终端存在寻址到它们的排队的前向链路业务,其将在下一个子帧内被发射。PLS内的终端改变信道可以以如下的方式使用超帧上的时分多路复用:任何单个终端仅需要在超帧中的已知子帧内以已知的偏移解调小数目(并且非常高的概率为仅一个)基带帧PL报头。因此,在返回到其待机模式之前,处于待机模式中的终端将使用于解调一个前向链路基带帧PL报头(以及非常罕见地,小数目的后续报头)所需的接收器块加电(对于上面的示例每10mS一次)。

10mS超帧分别引入5 / 10mS的在前向链路业务的启动中的平均/最坏情况延迟。

返回链路突发(burst)同步

如由DVB-RCS2 ETSI标准所指定的,卫星处的主振荡器生成网络时钟参考(“NCR”)的时基,其由终端用来对它们的返回链路突发定时。此振荡器被锁定到前向链路符号时钟,并且选择频率使得终端可以将子帧的开始的定时转换为NCR值。这使得来自待机模式的终端有可能在它一已经解调第一基带帧报头时就重新获取NCR。

卫星跟踪和交接

实现性特征

为了使卫星跟踪和交接尽可能高效和无缝,优选地执行以下各项:

a. 在安装时,终端被用其地理位置以高度准确性(例如在50m内)编程。终端还被粗略地3轴对准(以北南取向和2轴倾斜)。

b. 在试运转(commissioning)期间,终端执行校准例程,该校准例程基于卫星接收使终端的取向和倾斜精细对准。

c. 卫星使用GPS接收器或等效的网关引用机制来建立全系统的一天时间(ToD)时基,并且网关被配置成将它们自己对准到时基。DVB-RCS2 NCR可以用于此目的。

d. 卫星通过每个波束的前向链路周期性地广播层2信息,其将系统的卫星星座——轨道和卫星位置——指定到将使得终端能够提前预测任何卫星的位置达诸如直到12小时的时段的精度,例如到100m(300nS单程传播时间)的精度内。

e. 所有网关和终端执行相同的比特精确的覆盖映射例程,其使用与(a)和(d)相关联并由(c)定时的信息,以便确定终端的卫星覆盖。

终端的天线跟踪

给定上面的部分(a)至(d),终端的天线能够跟踪卫星而不依赖于信号强度指示。已经处于待机模式中达预定的时间段(比如说12小时)的终端激活自身达接收最新的星座信息所需的时间段。

覆盖映射例程(e)还向终端提供卫星的多普勒频移。然后,终端可以使用此信息来:

- 在获取和跟踪前向信道时预料所得到的载波频移;

- 校正本地NCR时基;

- 为返回链路突发预先校正载波频率,因此它们将在没有移位的情况下到达卫星接收器。

波束间(卫星内)转接

由卫星跨越其所有波束所生成的所有前向链路可以在符号、基带帧、子帧、帧和超帧级别下同步。由终端执行的覆盖映射例程(e)确定终端必须在其处切换波束的帧。终端在先前发射子帧期间对其接收合成器编程,并且然后它能够通过新波束获取第一接收子帧(或者,在待机模式中接收警报信号),具有与存在于先前波束中时相同的精度。

优选地由网关确定到终端的卫星和波束路由,并通过附着到每个前向链路数据包的边信息将其发信号通知到卫星。运行与终端相同的覆盖映射例程(e)的网关相应地确定终端波束切换和路由前向链路业务的定时。为了在波束切换期间将前向链路排队延迟最小化,(a)当管理前向链路排队时使网关知道子帧,或者(b)卫星被提供有数据“到期”信息并且将到将要切换离开其波束之一的终端的业务优先化。

除了短的和不频繁的会话发起消息之外,来自终端的返回链路传输仅能够在容量请求被发送到卫星之后实现,并且响应于所作出的请求来产生并接收容量指派。卫星以严格控制的响应时间来对容量请求消息进行响应:终端在其已进行请求之后接收预定义数目的子帧的指派,并且——除非返回信道严重过载——否则指派将在将来被用于(小)固定数目的子帧。

为了使在波束切换期间将去往和来自终端的业务的中断最小化,前向链路和返回链路切换使用下面图2中示出的程序。

如在图2中可以看到的,卫星接受对通过旧波束接收的新波束的容量分配的请求。当预料波束转接时,在刚好在转接之前接收指派的这样时间下,终端(通过旧波束)作出对新波束中的容量分配的请求(图2中的请求1)。将仅存在最多一个其它这样的来自给定终端的待决的请求。虽然请求是待决的,但是终端继续接收前向链路并且通过旧波束发射(如先前指派的)返回链路业务。

紧跟着转接,网关在业务应当开始到达终端的时间将业务重新路由到新波束。当卫星通过旧波束接收终端的业务并且通过新波束向恰好相同的终端发射业务时,将存在过渡阶段(大约与交叉波束容量请求待决的时间一致)。

在转接时,终端在接收和发射子帧期间分别对其发射和接收LO频率合成器进行重新编程。

优选地,波束间(卫星内)波束切换本身不涉及任何空中接口消息传送。

波束选择和切换决定由网关和终端作出:卫星不必跟踪转接过程。

卫星间转接

如上文解释的,系统中的所有卫星优选地被同步到公共ToD。它们的前向链路在基带帧、子帧、帧和超帧级别下同步,并且它们的返回链路具有同步的时隙。

在终端处执行的覆盖映射例程确定卫星转接的定时。处于待机模式中的终端使用此信息来切换到新卫星,然后继续进行以解调其终端警报信道。

由网关将到正在切换卫星的活动终端的前向链路业务重新路由到新的卫星。网关执行与终端相同的覆盖映射算法,并且将提前对重新路由进行定时,使得在传播通过系统之后,前向链路业务到达在时间方面与转接对准的终端,而不经历任何转接相关的排队延迟。

为了执行返回链路转接,终端在转接时刻之前发送由旧的(转接所来自的)卫星转发到新的(转接到的)卫星的特殊容量请求消息。此消息或者通过卫星间链路(“ISL”)携带(如果卫星间链路在两个卫星之间延伸的话),或者通过服务于它们的(多个)网关。容量请求指定转接的时间,从而允许新卫星相应地分配所要求的容量。终端将对此请求消息定时以允许指派响应在实现转接之前通过旧卫星返回到达的足够的时间。然后终端能够在仅具有小的吞吐量的冲击(hit)的情况下将返回链路传输从旧卫星切换到新卫星。

终端在转接之前立即在接收和发射子帧期间分别对其发射和接收LO频率合成器进行重新编程,并且在转接之前立即在发射子帧的后端部分期间将其天线从旧卫星转向到新卫星。这在转接发生之前在最后的帧内将返回链路发射时间窗口减少了小的量。此外,旧卫星和新卫星之间的终端-卫星路径延迟的任何差别将引起帧的移位,从而改变转接之后的第一发射窗口的持续时间。

覆盖映射例程优选地提供新卫星的载波频率多普勒移位。

在转接之后将立即存在与波束存在期间相比的所接收的前向信道的定时的更大的不确定性。因此,对于第一子帧或(对于处于待机模式中的终端)警报信道接入,将需要更大的搜索窗口。同时,假设上面讨论的实现性特征,此窗口将比一个前向链路基带帧更短得多,从而在待解调的PL报头中不创建歧义。

第一时间返回链路传输以比后续业务更大的定时误差(对于上面给出的示例参数为500nS,或对于以20Mbps的相对短的1024比特突发为50μS的1%)到达新卫星。为了优化返回链路保护间隔,使得它不受这个小部分业务的约束的影响,通过上述程序指派的返回链路容量将留下整个时隙作为保护时间间隔,并且如果需要的话,卫星的(多个)返回链路接收器将被报警以在较大的搜索窗口上执行突发获取。

在本申请的说明书和权利要求中,动词“包括”、“包含”和“具有”中的每个及其同源词被用来指示动词的一个或多个对象不一定是动词的一个或多个主语的构件、部件、元素或部分的完整列表。

本发明已经使用作为示例提供的其实施例的详细描述来被描述,并且不意图以任何方式限制本发明的范围。所描述的实施例包括不同的特征,在本发明的所有实施例中并不要求其中的全部。本发明的一些实施例仅利用特征中的一些或特征的可能的组合。本领域的人员将想到所描述的本发明的实施例的变型和包括在所描述的实施例中提到的特征的不同组合的本发明的实施例。本发明的范围仅由下面的权利要求限制。

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