CN101814945A - 一种卫星通信系统帧结构 - Google Patents

Abstract

一种卫星通信系统帧结构，帧结构由若干个超帧组成，超帧由若干帧构成，帧由若个时隙组成；时隙类型包括：登录时隙、同步时隙、保持时隙1、保持时隙2、保持时隙3和业务时隙；登录时隙提供给小站登录时使用；同步时隙用于小站同步；保持时隙1用于“活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙2用于“不活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙3提供给小站以“竞争的方式”使用，用于保持同步和请求业务时隙。本发明加快了小站同步速度，满足小站业务请求，提高Qos水平，改善小站通信质量，并有效利用卫星资源。

Description

一种卫星通信系统帧结构

技术领域

本发明涉及一种卫星通信系统帧结构，特别是针对卫星双向交互式系统的帧结构。

背景技术

卫星通信不受地理环境和距离的约束，其点到多点、点到面地覆盖优势和灵活的移动性，使得卫星通信在通信领域中有明显的优势。随着卫星宽带多媒体通信的迅速发展，卫星通信系统向支持更高发送速率、更大容量、更灵活服务、更复杂的多媒体业务的宽带网络系统演进，不同QoS要求业务的融合，对现有卫星交互式系统提出了更高的要求。在卫星交互式系统中，尤其是TDMA或MF-TDMA体制下，帧结构设计方法主要指如何节约信道资源和快速使小站同步和满足小站资源请求的问题。在TDMA或MF-TDMA体制下，支持成千上万小站接入系统，关键问题之一是可以支持多少小站同时在线，保持同步；另一个需要考虑的关键因素是如何有效利用卫星信道资源，即不过多预留系统资源，而是动态分配时隙，满足小站的资源请求信息，提高资源利用率，以提供尽可能多的用户接入，且保证接入用户的链路质量。

及时满足小站资源请求和支持多少小站同时在线/同步是保障卫星交互式系统服务质量和可靠性的关键，在保证网络的质量和容量方面都发挥着重要作用。卫星通信系统中帧结构的设计目标就是在有限卫星信道资源的条件下，为系统中的小站提供业务质量保证。其基本出发点是根据小站在线情况和资源请求频繁程度，灵活设计帧结构和动态调整时隙分配方案，最大限度的提高小站同步速度和无线资源利用率，保障整个系统的服务质量。

帧结构设计能够使在保障系统内小站正常通信前提下，高效地利用卫星信道资源，从而保障尽可能多的小站同时使用卫星信道资源。目前国内外普遍采用帧结构设计方法主要有四类：一种是基于优先级的方法，合理的划分用户等级，合理分组是实现的关键，否则会导致系统性能的恶化；一种是基于预留时隙的方法，合理的预留时隙是实现的关键，否则会造成带宽资源的浪费，导致系统容量的降低；一种是基于控制信道独占的方法，合理分配信道是实现的关键，否则会支持用户数量少；一种是基于时隙竞争使用和固定周期的方法，合理确定支持的用户数目是关键，否则会造成系统不稳定和资源浪费。

现有的帧结构中，单一采用基于优先级的方法，不能实时地满足在线用户的需求，单一采用基于预留时隙的方法不能充分利用系统资源，单一采用基于控制信道独占的方法不能满足小站数量的扩容，单一采用时隙竞争使用和固定周期的方法，不能满足系统容量和稳定性的要求，造成卫星信道资源的严重浪费。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种卫星通信系统帧结构，针对系统中登录小站的规模和小站的“活跃”程度，分配和使用不同的时隙，并且分配周期可调，加快小站同步速度，满足小站业务请求，提高Qos水平，改善小站通信质量，并有效利用卫星资源。

本发明的技术解决方案：一种卫星通信系统帧结构包括：若干个超帧，每个超帧由若干个帧组成，每个帧又由多个时隙构成；所述的多个时隙包括登录时隙、同步时隙、保持时隙1、保持时隙2、保持时隙3和N个业务时隙；登录时隙用于小站登录，小站以时隙-Aloha的方式在登录时隙向主站发送登录信息；同步时隙用于小站同步，主站周期地分配同步时隙给小站，并且能够根据系统中小站登录情况，调整同步时隙的分配周期；保持时隙1和保持时隙2需要分配使用；保持时隙1的分配周期较保持时隙2短，用于“活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙2的分配周期较保持时隙1长，用于“不活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙3提供给小站以“竞争的方式”使用，用于小站保持同步和请求业务时隙；所述“活跃”小站和“不活跃”小站的判断为：统计若干个周期内，某小站的业务请求情况，即分析给定时间内，某小站请求业务时隙的次数信息，如果业务请求频繁，则该小站为“活跃”小站，如果业务请求不频繁，则该小站为“不活跃”小站；所述“活跃”小站和“不活跃”小站可以根据若干个周期内的资源请求情况进行转换；所述“竞争方式”指保持时隙3为各个小站按需使用，而不是分配给某个小站使用；所述一定时间指超帧周期的整数倍，需要根据系统情况确定，如果系统规模较大，即系统中小站数量较多，则一定时间可以设置的长一些，否则，设置短一些；所述频繁指给定时间内，请求次数多少，需要根据系统情况确定。如果系统规模较大，即系统中小站数量较多，则次数设置的少，否则，设置次数多。

所述的调整同步时隙分配周期的步骤如下：

(1)统计小站登录情况，即分析系统已经成功登录的小站数量；

(2)判断是否需要调整同步时隙的分配周期，即根据系统中登录的小站规模判断，如果登录小站数量少，则分配周期缩小；如果登录小站数量多，则分配周期延长；如果不需要调整分配周期，则本次检测结束；如果需要调整周期，则进入步骤(3)；所述周期长指给小站分配时隙的时间间隔长，时间间隔为超帧的整数倍，并且周期需要大于链路延时，小于能达到同步指标要求的最大间隔周期；所述周期较短指给小站分配时隙的时间间隔短；

(3)将现有分配周期内的同步时隙分配完毕；

(4)调整同步时隙的分配周期，即将周期根据系统登录的小站规模，缩短或延长分配周期，本次调整完毕。

所述帧结构中的若干个超帧的类型可以相同也可以不同；每个超帧中的帧的类型可以相同也可以不同，每个帧由不同的时隙类型构成。

这里需要说明的是，可以根据本发明帧的设计思想，结合实际系统需求，设计不同的帧结构，即多个超帧，超帧又由多个同类型或不同类型的帧构成，帧又包括不同的时隙类型，即帧结构中的若干个超帧的类型可以相同也可以不同；每个超帧中的帧的类型可以相同也可以不同，每个帧由不同的时隙类型构成。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明帧结构中包括周期可调的同步时隙，不同分配周期的保持时隙，以竞争方式使用的保持时隙，这样根据系统运行过程中，小站的登录和业务需求状况，通过“周期调整”、“不同分配周期”和“竞争方式”相结合的方式，可使小站快速同步和快速满足小站的业务请求，并且有效避免信道资源浪费。

(2)本发明周期可调的同步时隙：同步时隙的周期可以根据系统中登录小站的规模调整，即根据系统中登录的小站规模判断，如果登录小站数量少，分配周期缩小，如果登录小站数量多，分配周期延长，但分配周期需要折中考虑卫星链路延时情况和保证小站同步正常等情况，设置不同的阈值范围(阈值范围根据小站数量在一定范围内，则周期设置为某个值，在具体实施方式中有说明)，可以有效利用信道资源的前提下，给小站快速分配同步时隙，以便小站快速同步。

(3)本发明可以不同分配周期的保持时隙：本发明的保持时隙1用于“活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙2用于“不活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；其中保持时隙1的分配周期较短，即可以及时分配给“活跃”小站，使小站的资源请求迅速得到满足，保持时隙2的分配周期较长，即可以减少卫星信道资源的浪费，又可以支持大量小站保持同步。

(4)本发明可以以竞争方式使用的保持时隙：保持时隙3提供给小站以“竞争的方式”使用，用于保持同步和请求业务时隙，可以快速接收到小站的资源请求信息，对“不活跃”小站尤其有利。

(5)本发明可以对小站“活跃”情况转换：可以根据小站一定周期内的资源请求情况，设置小站为“活跃”小站或“不活跃”小站，以便保障整个系统的稳定和资源的有效利用。

(6)本发明可以根据不同的系统需求，可以灵活设计出不同的帧结构，支持不同速率。

附图说明

图1为本发明的帧结构模型；

图2为本发明的帧结构示意图；

图3、4、5为本发明的帧实例示意图；

图6为本发明的调整同步时隙分配周期的流程图；

图7为本发明的分配保持时隙的流程图；

图8为本发明的设置小站活跃状态流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示是本发明的帧结构模型，其中帧结构由“超帧→帧→时隙”构成，即本发明的帧结构包括若干超帧，超帧由多个帧组成，帧又由多个时隙构成，横坐标为时间信息，纵坐标为频率信息。

假定帧结构由一种超帧构成，这个超帧由一个帧构成，帧的组成如图2，这里需要说明的是，可以根据图2的设计思想，结合实际系统需要组合成不同的帧结构(如图4、5)，假定超帧周期为25ms，小站数量为500。

图4和5只是帧结构实例示意图。图4假定帧结构由一个超帧构成，超帧由两个帧构成，其中一个帧由一个登录时隙、一个同步时隙、一个保持时隙1和50个业务时隙构成；一个帧由一个保持时隙2、一个保持时隙3、一个保持时隙1和50个业务时隙构成。图5假定帧结构由一个超帧构成，超帧由三个帧构成，其中一个帧由一个登录时隙、一个同步时隙和50个业务时隙构成；一个帧由一个保持时隙1、一个保持时隙3和50个业务时隙构成；一个帧由一个保持时隙2、一个保持时隙3和50个业务时隙构成。

帧结构中的若干个超帧的类型可以相同也可以不同：相同超帧组成帧结构，例如可以由2个相同的超帧(如图3所示)构成帧结构；不同超帧构成帧结构，例如可以由2个不同超帧(图3和图4所示)构成帧结构。

每个超帧中的帧的类型可以相同也可以不同：如图5所示，超帧可以由三个不同类型的帧构成；当然也可以由2个相同的类型的帧(图3)构成。

每个帧由不同的时隙类型构成：图3，帧由六种时隙类型构成，即登录时隙、同步时隙、保持时隙1、保持时隙2、保持时隙3和业务时隙。

如图3所示是本发明的帧实例示意图，其中帧包括一个登录时隙、一个同步时隙、一个保持时隙1、一个保持时隙2、一个保持时隙3和50个业务时隙。登录时隙用于小站登录，小站以时隙-Aloha的方式在此时隙向主站发送登录信息；同步时隙用于小站同步，主站周期地分配同步时隙给小站，并且限制最多分配次数，假定当登录小站数目小于100时，同步时隙周期设置为25(25个超帧周期)；当登录小站数目大于100小于200时，同步时隙周期设置为50；当登录小站数目大于300时，同步时隙周期设置为100；保持时隙1用于“活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙2用于“不活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙3提供给小站以“竞争的方式”使用，用于保持同步和请求业务时隙，其中保持时隙1的分配周期较短，假定周期设置为24，即可以及时分配给“活跃”小站，保持时隙2的分配周期较长，假定周期设置为500，即可以分配给多个“不活跃”小站使用，小站以竞争方式使用保持时隙3，可以快速接收到“不活跃”小站的资源请求信息。

如图6所示是本发明的调整同步时隙分配周期的流程图，由图6可以看出调整同步时隙分配周期包括如下步骤：

(1)统计小站登录情况，即分析系统已经成功登录的小站数量；

(2)判断是否需要调整同步时隙的分配周期，即根据系统中登录的小站规模判断，如果登录小站数量少，分配周期缩小，如果登录小站数量多，分配周期延长，但，分配周期需要折中考虑卫星链路延时情况和保证小站同步正常等情况，设置不同的阈值范围；如果不需要调整分配周期，则本次检测完毕；如果需要调整，则进入步骤(3)；

(3)将现有分配周期内的同步时隙分配完毕；

(4)调整同步时隙的分配周期，即将周期根据系统登录的小站规模，缩短或延长分配周期，本次检测完毕。

如图7所示是本发明的分配保持时隙的流程图，步骤如下：

(1)判断小站是否处于“活跃”状态，如果处于“活跃状态”，则进入步骤(2)，否则进入步骤(3)；

(2)将保持时隙1分配给该小站，本次保持时隙分配完毕；

(3)将保持时隙2分配给该小站，本次保持时隙分配完毕。

如图8所示是本发明的设置小站活跃状态流程图，步骤如下：

(1)统计一定周期(假定2500个超帧周期)内，小站业务请求情况，即分析一定时间内，小站请求业务时隙的次数等信息；

(2)判断业务请求是否频繁(假定在2500个超帧周期内，业务请求次数达到50次，则为频繁请求，否则为不频繁)，如果频繁，则进入步骤(3)，否则进入步骤(4)；

(3)将小站设置为“活跃”状态，本次设置完毕；

(4)将小站设置为“不活跃”状态，本次设置完毕。

当然“活跃”小站和“不活跃”小站可以根据一定周期内的资源请求情况进行转换和重新设置。

本发明中所述的小站数量少、小站数量多、分配周期较短、分配周期较长、频繁、系统规模较大、系统规模较小、时间间隔长是相对而言。由于本发明重点说明一种帧结构的设计方法，即主要提供一种帧结构设计，来提高卫星通信系统服务质量，而具体的系统规模等情况，需要本领域专业技术人员根据实际需求来确定，而且本领域专业技术人员也是完全能够根据实际需求来确定的。

总之，本发明能够支持成千上万个小站接入系统，主站针对小站通信中“活跃”状态，采取不同的时隙分配策略，并且小站状态需要改变时，可以主动在支持竞争保持时隙中发送同步和资源请求信息，即满足快速得到小站资源请求信息，又避免了卫星信道资源的浪费，并最大限度的保障了整个卫星通信系统的服务质量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种卫星通信系统帧结构，其特征在于：所述帧结构包括若干个超帧，每个超帧由若干个帧组成，每个帧又由多个时隙构成；所述的多个时隙包括登录时隙、同步时隙、保持时隙1、保持时隙2、保持时隙3和N个业务时隙；登录时隙用于小站登录，小站以时隙-Aloha的方式在登录时隙向主站发送登录信息；同步时隙用于小站同步，主站周期地分配同步时隙给小站，并且能够根据系统中小站登录情况，调整同步时隙的分配周期；保持时隙1和保持时隙2需要分配使用；保持时隙1的分配周期较保持时隙2短，用于“活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙2的分配周期较保持时隙1长，用于“不活跃”小站保持同步和请求业务时隙使用；保持时隙3提供给小站以“竞争的方式”使用，用于小站保持同步和请求业务时隙；所述“活跃”小站和“不活跃”小站的判断为：统计若干个周期内，某小站的业务请求情况，如果业务请求频繁，则该小站为“活跃”小站，如果业务请求不频繁，则该小站为“不活跃”小站；所述“活跃”小站和“不活跃”小站可以根据若干个周期内的资源请求情况进行转换；所述“竞争方式”指保持时隙3为各个小站按需使用，而不是分配给某个小站使用。

2.根据权利要求1所述的卫星通信系统帧结构，其特征在于：所述的调整同步时隙分配周期的步骤如下：

(1)统计小站登录情况，即分析系统已经成功登录的小站数量；

(2)判断是否需要调整同步时隙的分配周期，即根据系统中登录的小站规模判断，如果登录小站数量少，则分配周期缩小；如果登录小站数量多，则分配周期延长；如果不需要调整分配周期，则本次检测结束；如果需要调整周期，则进入步骤(3)；

(3)将现有分配周期内的同步时隙分配完毕；

(4)调整同步时隙的分配周期，即将周期根据系统登录的小站规模，缩短或延长分配周期，本次调整完毕。

3.根据权利要求1所述的卫星通信系统帧结构，其特征在于：所述帧结构中的若干个超帧的类型可以相同也可以不同；每个超帧中的帧的类型可以相同也可以不同，每个帧由不同的时隙类型构成。

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