应用于星地通信的多用户接入方法与流程

1.本发明涉及无线通信网络技术领域，尤其涉及一种应用于星地通信的多用户接入方法。


背景技术：

2.卫星通信是现代通信中远距离通信的重要手段。随着时代的发展，卫星通信逐步发展出了卫星广播电视网、卫星宽带通信网、卫星移动通信网以及军用通信网等。卫星通信服务用户的类型也由固定用户群逐步向随机用户群拓展。
3.传统卫星通信中，常采用广播方式与固定分配方式服务多个用户。广播方式由于其单向通信的特点，大大限制了地面随机用户的使用场景；固定分配方式也因其灵活性不足，导致随机用户很难实时接入卫星服务。
4.针对传统卫星通信技术服务随机用户的不足，需要解决星地通信的多用户随机接入问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种应用于星地通信的多用户接入方法，该方法通过波束扫描阶段卫星的一系列波位扫描过程及信息的广播分发实现了用户接入过程中卫星的窄波束对准以及用户终端与卫星的时间同步，此外，该方法在波位扫描阶段和入网阶段采用多维度正交多址手段可有效缓解不同阶段下多用户传输的干扰问题。
6.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.一种应用于星地通信的多用户接入方法，所述方法应用于卫星终端和设置在地面的用户终端，所述卫星终端执行所述方法时历经过程包括波位扫描阶段、入网阶段和业务阶段，所述用户终端执行所述方法时历经过程包括初始化传输参数阶段、所述波位扫描阶段、所述入网阶段和所述业务阶段，所述方法包括：
8.步骤s1：所述用户终端在所述初始化传输参数阶段确定并生成波位扫描阶段和入网阶段自身使用的传输波形参数；
9.步骤s2：所述卫星终端和所述用户终端在所述波位扫描阶段执行卫星窄波束对准和两终端时间同步操作，并在执行完毕后进入所述入网阶段；
10.步骤s3：所述卫星终端和所述用户终端在所述入网阶段执行本轮用户终端的入网接入操作和业务阶段用户终端传输参数分配操作，并在执行完毕后进入所述业务阶段；
11.步骤s4：所述卫星终端和所述用户终端在所述业务阶段完成入网多用户的正常业务通信。
12.可选的，所述步骤s1包括：
13.步骤s11：每个待入网的用户终端提取自身典型信息特征；
14.步骤s12：每个待入网的用户终端根据提取的信息特征，产生随机数种子；
15.步骤s13：每个待入网的用户终端根据所述随机数种子，生成自身在所述波位扫描阶段和所述入网阶段使用的传输波形参数。
16.可选的，所述传输波形参数包括：所述用户终端在所述波位扫描阶段和所述入网阶段使用的频率和码片。
17.可选的，所述卫星终端开机后进入所述波位扫描阶段，所述卫星终端在所述步骤s2中执行卫星窄波束对准和两终端时间同步操作的步骤，包括：
18.步骤s210：所述卫星终端进入波位扫描时隙，并根据覆盖区域的波位个数s，依次使用窄波束指向不同波位方向发送1个波位扫描时隙的波位同步信号，其中，所述波位扫描时隙的个数共计为s个；
19.步骤s211：所述卫星终端重复所述步骤s210中的波束指向，依次接收1个波位扫描时隙的波位同步信号，并在第i个波位扫描时隙有信号捕获时，记录当前波位和捕获能量，其中，所述波位扫描时隙的个数共计为s个；
20.步骤s212：所述卫星终端进入广播时隙，并根据所述步骤s211搜索过程中的信号捕获结果，按照捕获能量大小从高到低排序，且在所述步骤s211搜索过程中的信号捕获个数n大于最大广播时隙数m时，依次使用窄波束指向对应的前m个波位方向发送1个广播时隙的广播消息；在所述步骤s211搜索过程中的信号捕获个数n小于或者等于最大广播时隙数m时，依次使用窄波束指向对应的前n个波位方向发送1个广播时隙的广播消息后静默m-n个广播时隙，其中，所述广播时隙的个数共计为m个，所述广播消息中包括所述卫星终端的时间同步信息；
21.步骤s213：所述卫星终端在所述步骤s212第m个广播时隙结束后，进入所述入网阶段。
22.可选的，所述用户终端开机后进入所述波位扫描阶段，所述用户终端在所述步骤s2中执行卫星窄波束对准和两终端时间同步操作的步骤，包括：
23.步骤s220：所述用户终端进入波位扫描时隙，并处于同步信号捕获侦听状态，以连续侦听所述卫星终端发送的波位同步信号，其中，所述用户终端始终没有侦听到所述卫星终端发送的波位同步信号时，则一直处于波位同步信号捕获侦听状态；
24.步骤s221：所述用户终端捕获到所述卫星终端发送的波位同步信号时，则在侦听到所述卫星终端发送的第一个波位同步信号后转入波位发送状态，并依据初始化传输参数阶段产生的波位扫描阶段传输波形参数进行信号传输，并持续s个波位扫描时隙；
25.步骤s222：所述用户终端进入广播时隙，并转入广播消息侦听状态，以连续侦听所述卫星终端发送的广播消息，并在超时期限内没有收到所述卫星终端发送的广播消息时，转至所述步骤s220，以及在超时期限内收到所述卫星终端发送的广播消息时，根据所述广播消息中的时间同步信息与所述卫星终端进行时间同步，并记录收到广播消息的卫星广播时隙号q，以及在所述卫星终端的第m个广播时隙结束后与所述卫星终端同时进入所述入网阶段。
26.可选的，所述卫星终端在所述入网阶段的执行步骤，具体包括：
27.步骤s310：所述卫星终端进入入网请求时隙，并处于入网请求侦听状态，以连续侦听所述用户终端发送的入网请求信息，所述入网请求时隙共计m个，其中，在入网请求侦听状态下，所述卫星终端的波束指向顺序和方向与所述波位扫描阶段中的广播时隙相同，所
述卫星终端在接收到所述用户终端的入网请求消息时计算与所述用户终端通信的波位；
28.步骤s311：所述卫星终端进入入网应答时隙，并根据所述步骤s310接收的用户终端入网请求，对允许入网的最多z个用户终端分配网络编号和相应的业务阶段传输参数，以及在所述步骤s310侦听过程中收到的入网请求消息个数x大于z时，依次使用窄波束指向对应的前z个对应用户波位方向发送1个入网应答时隙的入网应答消息；在所述步骤s310侦听过程中收到的入网请求消息个数x小于等于z时，依次使用窄波束指向对应的前x个对应用户波位方向发送1个入网应答时隙的入网应答消息后静默z-x个入网应答时隙，其中，所述入网应答时隙共计为z个；
29.步骤s312：所述卫星终端在所述步骤s311第z个入网应答时隙结束后进入所述业务阶段。
30.可选的，所述用户终端在所述入网阶段执行的步骤，具体包括：
31.步骤s320：所述用户终端进入入网请求时隙，并依据初始化传输参数产生的入网阶段传输波形参数进行信号传输，以及在所述卫星终端第q个入网请求时隙发送1个时隙的入网请求消息后，转为侦听状态；
32.步骤s321：所述用户终端在所述卫星终端第m个入网请求时隙结束后进入入网应答时隙，并连续侦听来自所述卫星终端的入网应答消息，以及在z个入网应答时隙内没有收到所述卫星终端发送的入网应答消息时，转至所述步骤s220；在z个入网应答时隙内收到所述卫星终端发送的入网应答消息时，根据所述入网应答消息中的信息变更对应网络状态，同时配置后续业务传输参数，并在所述卫星终端的第z个入网应答时隙结束后与所述卫星终端同时进入所述业务阶段。
33.可选的，所述卫星终端在所述业务阶段的执行步骤，具体包括：
34.步骤s410：所述卫星终端进入业务时隙，并按照划分好的时隙与所述用户终端进行双向通信，其中，所述业务时隙共计为c个；
35.步骤s411：所述卫星终端在步骤s410第c个业务时隙结束后转至所述步骤s210。
36.可选的，所述用户终端在所述业务阶段的执行步骤，具体包括：
37.步骤s420：所述用户终端进入业务时隙，并按照划分好的时隙与传输参数与所述卫星终端进行双向通信，其中，业务时隙共计为c个；
38.步骤s421：所述用户终端在所述步骤s420第c个业务时隙结束后转为侦听状态，并等待下一轮所述卫星终端在所述入网阶段结束后，转至所述步骤s420。
39.本发明至少具有以下技术效果：
40.本发明提供了一种应用于星地通信的多用户接入方法，其使用范围不仅适用于星地多用户通信场景，还适用于其他含中心服务节点的多用户通信场景，另外本发明所公开的多用户接入方法不依赖卫星与用户终端的时间同步，该方法不仅实现了用户入网时卫星的窄波束对准，增加了用户接入的距离，而且提高了多用户入网的效率，特别适用于多用户的快速接入场景。
41.本发明附加的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
42.图1为本发明实施例中的网络架构示意图。
43.图2为本发明实施例中的卫星时隙结构示意图。
44.图3为本发明实施例中的用户接入过程中卫星终端侧概述流程图。
45.图4为本发明实施例中的用户接入过程中用户终端侧概述流程图。
46.图5为本发明一实施例提供的应用于星地通信的多用户接入方法的流程图。
具体实施方式
47.下面详细描述本实施例，所述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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
48.下面参考附图描述本实施例的应用于星地通信的多用户接入方法。
49.该应用于星地通信的多用户接入方法其具体实施方式可通过图1所示场景举例说明。图1给出了本发明实施例一种具体的网络架构，图中卫星覆盖区域共有4个波位，有三个待入网用户终端等待接入卫星，其中，用户终端1和用户终端2处在卫星的波位1方向，用户终端3处在卫星的波位4方向。在本发明实施例中卫星采用图2所示时隙结构，图2中，波位扫描阶段共计8个波位扫描时隙和4个广播时隙，入网阶段共计4个入网请求时隙和4个入网应答时隙，业务阶段共计8个业务时隙。基于图2时隙结构设计，卫星可服务覆盖范围内最多4个随机用户的双向传输服务。用户终端入网接入过程中卫星终端侧的流程概述如图3所示，用户终端侧的流程概述如图4所示。
50.具体的，所述方法应用于卫星终端和设置在地面的用户终端，所述卫星终端执行所述方法时历经过程包括波位扫描阶段、入网阶段和业务阶段，所述用户终端执行所述方法时历经过程包括初始化传输参数阶段、波位扫描阶段、入网阶段和业务阶段。图5为本发明一实施例提供的应用于星地通信的多用户接入方法的流程图。如图5所示，该方法具体包括如下步骤：
51.步骤s1：用户终端在初始化传输参数阶段确定并生成波位扫描阶段和入网阶段自身使用的传输波形参数。
52.所述步骤s1具体包括：
53.第一步，用户终端1、2、3分别提取自身典型信息特征为物理地址mac_address1、mac_address2、mac_address3。
54.第二步，用户终端1、2、3分别根据mac_address1、mac_address2、mac_address3，产生各自的随机数种子。
55.第三步，用户终端1、2、3根据第二步产生的随机数种子，分别生成自身在波位扫描阶段和入网阶段使用的频率f1、f2、f3和码片c1、c2、c3。
56.步骤s2：卫星终端和用户终端在波位扫描阶段执行卫星窄波束对准和两终端时间同步操作，并在执行完毕后进入入网阶段。
57.具体的，针对卫星终端侧过程，开机后即进入波位扫描阶段，其过程如下：
58.第一步，卫星终端进入波位扫描时隙，依次使用窄波束指向波位方向1、2、3、4发送1个波位扫描时隙的波位同步信号，共计4个波位扫描时隙。
59.第二步，卫星终端重复第一步波束指向，依次接收1个波位扫描时隙的波位同步信号，共计4个波位扫描时隙，若在第i个波位扫描时隙有信号捕获，记录当前波位和捕获能量，在本实施例中，卫星在第1个波位扫描时隙的f1频点和c1码片上捕获用户终端1的同步信号，在第1个波位扫描时隙的f2频点和c2码片上捕获用户终端2的同步信号，在第4个波位扫描时隙的f3频点和c3码片上捕获用户终端3的同步信号，并记录捕获波位i，其中i＝1、4以及该波位下第j个捕获的能量e_ij，其中j＝1、2，共记录捕获信号3组，即{{1,e_11},{1,e_12},{4,e_41}}。
60.第三步，卫星终端进入广播时隙，并根据第二步搜索过程中的信号捕获结果{e_ij}，按捕获能量的大小从高到低排序，若第二步搜索过程中的信号捕获个数n大于最大广播时隙数4，依次使用窄波束指向对应的前4个波位方向发送1个广播时隙的广播消息，共计4个广播时隙；若第二步搜索过程中的信号捕获个数n小于等于最大广播时隙数4，依次使用窄波束指向对应的前n个波位方向发送1个广播时隙的广播消息后静默4-n个广播时隙，共计4个广播时隙，其中广播消息中包含卫星的时间同步信息，在本实施例中，假设用户终端1的捕获能量最强，用户终端2次之，用户终端3最小，即e_11》e_12》e_41，卫星终端依次使用窄波束指向第1个、第1个以及第4个波位方向发送1个广播时隙的广播消息后静默1个广播时隙，共计4个广播时隙；
61.第四步，卫星终端在第三步第4个广播时隙结束后进入入网阶段。
62.针对用户终端侧过程，每个地面待入网的用户终端开机后即进入波位扫描阶段，其过程如下：
63.第一步，用户终端进入波位扫描时隙，并处于同步信号捕获侦听状态，连续侦听卫星终端发送的同步信号，若始终没有侦听到卫星终端发送的同步信号，则用户终端一直处于同步信号捕获侦听状态。
64.第二步，若用户终端捕获到卫星终端发送的波位同步信号，则在侦听到卫星终端发送的第一个波位同步信号后转入波位发送状态，并依据初始化传输参数产生的波位扫描阶段的频率和码片进行信号传输，一共持续4个波位扫描时隙，在本实施例中，用户终端1在卫星终端第1个波位扫描时隙末侦听到同步信号后转入发送状态，并采用频率f1和码片c1进行连续4个波位扫描时隙的同步信号发送，用户终端2在卫星终端第1个波位扫描时隙末侦听到同步信号后转入发送状态，并采用频率f2和码片c2进行连续4个波位扫描时隙的同步信号发送，用户终端3在卫星终端第4个波位扫描时隙末侦听到同步信号后转入发送状态，并采用频率f3和码片c3进行连续4个波位扫描时隙的同步信号发送。
65.第三步，用户终端进入广播时隙，并转入广播消息侦听状态，连续侦听卫星终端发送的广播消息，若在超时期限内没有收到卫星终端发送的广播消息，则转至第一步；若在超时期限内收到卫星终端发送的广播消息，则根据广播消息中的时间同步信息与卫星终端进行时间同步并记录收到广播消息的卫星广播时隙号q，在卫星的第4个广播时隙结束后与卫星终端同时进入入网阶段，在本实施例中用户终端1记录收到广播消息的卫星广播时隙号为1，用户终端2记录收到广播消息的卫星广播时隙号为2，用户终端3记录收到广播消息的卫星广播时隙号为3。
66.步骤s3：卫星终端和用户终端在入网阶段执行本轮用户终端的入网接入操作和业务阶段用户终端传输参数分配操作，并在执行完毕后进入业务阶段。
67.具体的，针对卫星终端侧过程，卫星终端入网阶段具体过程如下：
68.第一步，卫星终端进入入网请求时隙，并处于入网请求侦听状态，连续侦听用户终端发送的入网请求信息，共计4个入网请求时隙，在入网请求侦听状态下卫星的波束指向顺序和方向与波位扫描阶段中的广播时隙相同，并在接收到用户终端的入网请求消息时计算与该用户通信的波位。
69.第二步，卫星终端进入入网应答时隙，并根据第一步接收的用户终端入网请求，对允许入网的最多4个用户终端分配网络编号和相应的业务阶段传输参数，若第一步侦听过程中收到的入网请求消息个数x大于4，依次使用窄波束指向对应的前4个对应用户波位方向发送1个入网应答时隙的入网应答消息，共计4个入网应答；若第一步侦听过程中收到的入网请求消息个数x小于等于4，依次使用窄波束指向对应的前x个对应用户波位方向发送1个入网应答时隙的入网应答消息后静默4-x个入网应答时隙，共计4个入网应答时隙，在本实施例中，卫星终端根据第一步接收的用户终端入网请求顺序，为用户终端1分配网络号1和发送业务时隙1接收业务时隙2，为用户终端2分配网络号2和发送业务时隙3接收业务时隙4，为用户终端3分配网络号3和发送业务时隙5接收业务时隙6，并依次使用窄波束指向第1个、第1个、第4个波位方向发送1个入网应答时隙的入网应答消息后静默1个入网应答时隙，共计4个入网应答时隙。
70.第三步，卫星终端在第二步第4个入网应答时隙结束后进入业务阶段。
71.针对用户终端侧过程，用户终端入网阶段具体过程如下：
72.第一步，用户终端进入入网请求时隙，并依据初始化传输参数产生的入网阶段频率和码片进行信号传输，在卫星终端第q个入网请求时隙发送1个时隙的入网请求消息后转为侦听状态，在本实施例中用户终端1在卫星终端第1个入网请求时隙发送1个时隙的入网请求消息后转为侦听状态，用户终端2在卫星终端第2个入网请求时隙发送1个时隙的入网请求消息后转为侦听状态，用户终端3在卫星终端第3个入网请求时隙发送1个时隙的入网请求消息后转为侦听状态。
73.第二步，用户终端在卫星终端第4个入网请求时隙结束后进入入网应答时隙，并连续侦听来自卫星的入网应答消息，若在4个入网应答时隙内没有收到卫星终端发送的入网应答消息，则转至用户终端的波位扫描阶段第一步；若在4个入网应答时隙内收到卫星终端发送的入网应答消息，则根据入网应答消息中的信息变更对应的网络编号同时配置后续业务传输时隙，在卫星的第4个入网应答时隙结束后与卫星终端同时进入业务阶段，在本实施例中用户终端1根据入网应答消息中的信息设置自身网络编号为1，业务发送时隙为1，业务接收时隙为2，用户终端2根据入网应答消息中的信息设置自身网络编号为2，业务发送时隙为3，业务接收时隙为4，用户终端3根据入网应答消息中的信息设置自身网络编号为3，业务发送时隙为5，业务接收时隙为6。
74.步骤s4：卫星终端和用户终端在业务阶段完成入网多用户的正常业务通信。
75.具体的，针对卫星终端侧过程，卫星终端业务阶段具体过程如下：
76.第一步，卫星终端进入业务时隙，并按照划分好的时隙与用户终端进行双向通信，共计8个业务时隙，在本实施例中卫星终端在第2，4，6个时隙进行业务数据发送，并在第1，3，5个时隙分别接收来自用户终端1、2、3的业务数据。
77.第二步，卫星终端在第一步第8个业务时隙结束后转至卫星波位扫描阶段第一步。
78.针对用户终端侧过程，用户终端业务阶段具体过程如下：
79.第一步，用户终端进入业务时隙，并按照划分好的时隙与传输参数与卫星终端进行双向通信，共计8个业务时隙，在本实施例中用户终端1在第1个时隙发送业务数据，在第2个时隙接收来自卫星终端的业务数据，用户终端2在第3个时隙发送业务数据，在第4个时隙接收来自卫星终端的业务数据，用户终端3在第5个时隙发送业务数据，在第6个时隙接收来自卫星终端的业务数据。
80.第二步，用户终端在第一步第8个业务时隙结束后转为侦听状态，并等待下一轮卫星终端入网阶段结束后，转至第一步。
81.综上所述，本发明提供了一种应用于星地通信的多用户接入方法，其使用范围不仅适用于星地多用户通信场景，还适用于其他含中心服务节点的多用户通信场景，另外本发明所公开的多用户接入方法不依赖卫星与用户终端的时间同步，该方法不仅实现了用户入网时卫星的窄波束对准，增加了用户接入的距离，而且提高了多用户入网的效率，特别适用于多用户的快速接入场景。
82.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
83.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。