CN101808414A

CN101808414A - 一种成对载波复用多用户接入方法

Info

Publication number: CN101808414A
Application number: CN 201010130814
Authority: CN
Inventors: 汪春梅; 孙洪波; 赵良
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: CN101808414B

Abstract

本发明公开了一种成对载波复用多用户接入方法，包括在VSAT卫星通信网中设置一网控载波，若干用户接入载波和若干业务载波，所述网控载波包括时间和频率基准信道、系统状态信道、业务分配信道和广播信道，所述用户接入载波包括用户上线申请信道和用户响应信道，所述业务载波包括用户通信业务信道；每个业务载波按照TDMA方式分为多个时隙，每个时隙为一个业务帧，每32个业务帧组成一个超帧，每个超帧长度为320毫秒；当对PCMA用户进行信道分配时，PCMA主方上线申请，网控中心寻呼PCMA从方，若PCMA从方响应，则所述网控中心分配PCMA主、从方的PCMA信号占用的频率和时隙，以及PCMA主从方下线指示。

Description

一种成对载波复用多用户接入方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种在VSAT卫星通信系统实现成对载波复用多用户接入方法。

背景技术

VSAT(Very Samll Aperture Ternals，甚小口径天线终端)是一种天线口径很小的卫星通信地球站，又称微型地球站或小型地球站。VSAT卫星通信系统以其轻便、灵活、价格低廉、使用方便等特点得到了广泛使用，随着VSAT系统用户的增加，各种高带宽通信业务的引入，系统通信带宽变得越来越紧张，而传统提高通信带宽的方法包括提高信号的传输速率和采用高效调制方式，但这两种方法都存在一定的局限性。

首先提高信号的传输速率意味着必须提高信号传输信道占用频率带宽，而对于频率资源有限的卫星通信方式这种方法受到极大限制，而采用高效调制方式成为更优先的选择，如某VSAT卫星通信系统的主站信号已经从QPSK、8PSK发展到16APSK和32APSK。

其次，采用高效调制方式虽然能够有效的提高通信带宽，但对信号的信噪比提出了更高要求，这对信号的发射功率，放大器的线性度，天线的增益以及卫星转发器的功率等提出了更高的要求，也受到较多限制。

因此，随着卫星通信从低速向高速、由窄带向宽带迅速发展，出现了一种针对双向通信的卫星复用技术——成对载波复用技术(Paired Carrier MultipleAccess，PCMA)。成对载波复用(PCMA)技术适用于主对方之间的双向通信，卫星通信的主对方同时使用相同的频率进行通信，可将现有卫星通信系统的容量提高1倍。这项技术大幅度地提高了卫星信道的利用率，降低系统运行成本。

但是，由于VSAT卫星通信系统是由多个卫星小站组成，通过星网组合网实现互连互通。在VSAT系统中除了固定接入用户外，绝大部分都是随机接入用户，这些用户需要通过随机接入，动态分配频率、时域资源来提高信道利用效率。而现有技术中，PCMA技术只适用于两个卫星站之间双向通信，并不支持PCMA随机接入的用户接入以及用户信道的分配。

发明内容

本发明提供一种成对载波复用多用户接入方法，以解决目前PCMA技术只适用于两个卫星站之间双向通信，并不支持PCMA在VSAT卫星组网通信中的用户随机接入以及用户信道的分配问题。

本发明的技术方案是一种成对载波复用多用户接入方法，包括以下步骤：

在VSAT卫星通信网中设置一网控载波，若干用户接入载波和若干业务载波，所述网控载波包括时间和频率基准信道、系统状态信道、业务分配信道和广播信道，所述用户接入载波包括用户上线申请信道和用户响应信道，所述业务载波包括用户通信业务信道；

每个业务载波按照TDMA方式分为多个时隙，每个时隙为一个业务帧，每32个业务帧组成一个超帧，每个超帧长度为320毫秒；

当对PCMA用户进行信道分配时，PCMA主方上线申请，网控中心寻呼PCMA从方，若PCMA从方响应，则所述网控中心分配PCMA主、从方的PCMA信号占用的频率和时隙，以及PCMA主从方下线指示。

进一步的，还包括以下步骤：

所述PCMA主方上线申请信号由3段完全相同的数据组成，同时监控所发送的上线申请信号，如与其它申请发生碰撞，则插入随机延迟后重发；

所述网控中心检测到PCMA主方上线申请后在业务分配信道对从方进行寻呼；

所述PCMA从方发现寻呼信号后在从方响应信道发出响应信号；

所述网控中心为PCMA主从方分配同一个频率和时隙，主从方利用该频率、时隙通过PCMA信号进行通信；

在业务结束时主方或者从方需要在业务时隙插入业务结束标志，而网控中心则定时检测该时隙是否被使用，如在设定时间间隔内没有检测到PCMA信号，则判断业务结束，释放该频率、时隙资源。

进一步的，所述所述PCMA主方上线申请信号与其它申请发生碰撞时，将合法用户分为多个组，相应用户上线申请信道分为多个子信道，一组用户只能占用用户上线申请信道中的固定子信道，当发生碰撞时，则自动加入时间延迟，间隔一段时间后再次发出上线申请，达到避让的目的。

进一步的，在所述子信道所占用的时隙两端各留出一保护间隔，通过精确控制所述上线申请信号的发射时机要求各卫星站发射的信号以到卫星天线端为准修正时偏和频偏。

本发明实现了PCMA在VSAT卫星组网通信中的多用户随机接入的通信机制，解决了其中的用户信道分配的问题。

附图说明

图1本发明实施例中PCMA网控及业务信道帧结构图

图2本发明实施例中成对载波复用多用户随机接入网信道分配过程示意图

图3本发明实施例中时差与频差计算模块框图

图4本发明实施例中时间和频率误差校正曲线

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

成对载波复用多用户随机接入的用户信道分配技术主要包括如下部分：

(一)成对载波复用VSAT网信道组成；

(二)成对载波复用VSAT网用户信道申请；

(三)采用闭环模式实现全网信号的时间和频率同步。

成对载波复用多用户随机接入技术将PCMA体制引入到VSAT卫星通信系统中，采用短突发PCMA信号来实现主对方通信，与传统的VSAT通信系统相比带宽利用率提高了接近100％。VSAT网组网采用TDMA与FDMA结合方式，网控和广播信号，用户接入信号，业务信号采用频分复用方式。通信网通常由一个网控载波频率，几个用户接入载波频率和多个业务载波频率等组成。网控载波频率包含包括时间和频率基准信道、系统状态信道、业务分配信道、广播信道等；用户接入载波频率包括用户上线申请信道和用户响应信道；用户之间的通信主要通过业务载波频率的业务信道进行，业务载频按照序号从1、2到n排列，每个业务载波频率按照TDMA方式分为多个时隙，每个时隙是一个业务帧，每32个业务帧组成一个超帧，每个超帧长度为320ms，这样每个业务帧的长度为10ms，主、从方使用同一个时隙通过PCMA短突发信号进行通信。这些信道按照以32帧为周期循环发送，具体可参见附图1。

PCMA用户信道分配机制包括PCMA主方上线申请，网控中心寻呼PCMA从方，从方响应，中心分配主、从方的PCMA信号占用的频率和时隙，以及PCMA主从方下线指示。PCMA主方的上线申请信号占用网控频率主方上线申请信道，上线申请信号包括从方号码、业务类别等，为了保证上线申请的可靠性，上线申请信号由3段完全相同的数据组成，同时申请方必须监控自己发送的上线申请信号，如与其它申请方发生碰撞，则插入随机延迟后重发；网控中心检测到上线申请后在业务分配信道对从方进行寻呼；从方发现寻呼信号后在从方响应信道发出响应信号，而从方响应信号不需要碰撞重发机制；网控中心之后为PCMA主从方分配同一个频率和时隙，主从方利用该频率、时隙通过PCMA信号进行通信；在业务结束时主方或者从方需要在业务时隙插入业务结束标志，而网控则定时检测该时隙是否被使用，如在设定时间间隔内没有检测到PCMA信号，则判断业务结束，释放该频率、时隙资源。

由于成对载波复用多用户随机接入网主要采用用户随机接入方式，当两个以上用户同时发出信道申请时有可能发生碰撞，因此采用碰撞防止机制和碰撞发生后的自动避让机制。碰撞防止机制是将网内合法用户分为多个组，相应用户上线申请信道分为多个子信道，一组用户只能占用用户上线申请信道中的固定子信道，这样就将碰撞的可能性降低到原来的N分之一；当同组用户同时发出上线申请时会发生碰撞，使得信道申请失败，这就要求信道申请方对自己发出的信道申请信号必须随时进行监测，当发现碰撞发生时，则自动加入时间延迟，间隔一段时间后再次发出上线申请，从而达到避让的目的。

成对载波复用多用户随机接入网的每个信道必须实现严格的频率和时间同步，否则将影响其它信道的通信。系统在实现用户信道分配的同时，对PCMA通信的主对方的频率和时间进行校准，而在进入正常通信之后，则通过闭环模式对成对载波复用信号帧的时间和频率误差进行校正，从而实现成对载波复用多用户随机接入网的频率和时间同步。

成对载波复用多用户随机接入网的信道分配过程如图2所示。

将用户上线申请信道分为多个子信道的技术关键在于如何让某个用户发出的上线申请信号精确的落在为其分配的子信道上，为此采取了两个措施来保证。一是该子信道所占用的时隙两端都留出一定的保护间隔，如一个用户上线申请时隙为5ms，而用户上线申请信号长度只有3ms，在时隙两端各留出1ms的保护间隔，从而防止相邻的两个子信道之间在时间上发生重叠；第二是通过精确控制上线申请信号的发射时机——要求各站发射的信号以到卫星天线端为准修正时偏和频偏，用户以此为准进行修正。

首先根据用户所处地点的经纬度和海拔高度，从卫星星历得到的卫星经纬度和轨道高度可以计算出用户到卫星的直线距离L，如果卫星的处理时延为τ₁，本地接收机的处理时延为τ₂，该用户上线申请子信道与系统时间和频率校准信号的时间差为T₁，光速为c，网控信道一帧的帧周期为T₂，由此可以根据如下公式得到用户发射上线申请信号相对于接收到频率和时间校准信号的时间延迟t：

t＝T₁+T₂-τ₁-τ₂-L/c (公式1)

当发现上线申请信号发生碰撞时，则根据时隙LOHA算法自动加入时延，间隔几帧后重新发送，这样能够尽可能减少再次发生碰撞的几率，如果重新发送的信号再次发生碰撞则说明系统繁忙，则向用户发出提示报警，由用户决定是否重新发送上线申请。

要采用闭环模式校正信号时间和频率误差，首先需要精确测量出信号的时间和频率偏差之后根据测量的误差对自己发射下一帧信号的时间和频率进行调整，从而实现闭环模式下校正信号的时间和频率偏差。时间和频率误差产生的原因是用户本地时钟与系统时钟还存在微小的偏差差，而频率差则是因为本地频率源与系统频率源存在频差之外，另一个产生频差的因素是卫星与用户之间的多普勒频移。时差的计算是采用匹配滤波器分别对时间和频率校准信号和自身发射的信号进行处理，通过计算两个相关峰的时差即可得到用户时钟与系统时钟的偏差；频偏的计算是在完成匹配滤波之后得到最大相关输出，说明该输出时间是最佳匹配时间点，该信号为：

S_receive(t)＝A₀ exp(2πf_errort+ψ+ψ₀)+n₀(公式2)

其中f_error为接收信号与本地的频差，而本地发射信号为：

S_send＝A₁exp(ψ)(公式3)

接收信号S_receive发射信号的逆信号S_send ^*相乘，消除信号的相位跳变，之后对信号进行FFT变换，其最大峰值点即是接收信号与本地的频差，频偏与时偏计算模块的计算框图如图3所示。用户在测得偏差后需要据此对发射信号的时间和频率进行调整。

系统采用闭环方式修正所发射信号的时差和频差，从而保证全网信号的时频同步，其误差校正曲线如图4所示。

Claims

1.一种成对载波复用多用户接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述成对载波复用多用户接入方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述PCMA从方发现寻呼信号后在从方响应信道发出响应信号；

3.如权利要求2所述成对载波复用多用户接入方法，其特征在于，所述所述PCMA主方上线申请信号与其它申请发生碰撞时，将合法用户分为多个组，相应用户上线申请信道分为多个子信道，一组用户只能占用用户上线申请信道中的固定子信道，当发生碰撞时，则自动加入时间延迟，间隔一段时间后再次发出上线申请，达到避让的目的。

4.如权利要求3所述成对载波复用多用户接入方法，其特征在于，在所述子信道所占用的时隙两端各留出一保护间隔，通过精确控制所述上线申请信号的发射时机要求各卫星站发射的信号以到卫星天线端为准修正时偏和频偏。