CN102098092A - 卫星对地链路快速建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明所属技术领域为卫星通信，涉及一种卫星对地链路快速建立方法。本发明针对目前主要采用直接发送数据方式易丢失数据的问题，提出了卫星通信网络中的星地链路的快速建立方法。围绕着该方法，在充分分析了卫星通信的空间环境的基础上，设计了相关的链路建立协议、基本的帧结构、单次/多次请求链路建立模式。最后，通过对星地链路传输时间和捕获时间的分析，对帧结构中伪随机序列最优长度给出了定性分析。通过仿真分析可知，该星地链路的快速建立方法具有广泛的适用性。

Description

卫星对地链路快速建立方法

所属技术领域

本发明所属技术领域为卫星通信。本方法通过卫星对地信道分析的基础上，提出了卫星通信网络中的星地链路的快速建立方法，解决了目前主要采用直接发送数据方式易丢失数据的问题，适用于我国通信卫星和军用卫星系统中卫星-地面站的链路快速建立。

背景技术

卫星通信网络系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受到卫星与终端间链路特性的影响。目前国内主要在有关卫星资源规划中涉及到卫星地面站之间的链路研究，涉及到的卫星-地面站资源优化、任务调度等，以卫星与地面站确立链路建立成功且两者可见的前提下进行的，但没有对这两者之间的链路建立能否成功进行分析；部分文献虽然在卫星与地面站的时间窗口上进行了仿真，并得出了相应的结果，但模型过于简单，没有考虑卫星与地面站之间实际传输能力的影响因素进行相关的分析。同时，目前有关星地链路建立策略等研究较多，主要采用直接发送数据方式且易丢失数据，而链路建立方法设计研究很少。因此，卫星通信网络工作中，在许多情况下有通信请求时，需首先建立通信链路：某节点通信设备首次启动之后；长时间无数据传输通信设备处于休眠状态；链路质量达不到通信要求，数据停止传输。所谓链路建立技术，就是根据一定的规则，在两个节点之间建立连接。

目前计算机网络中的TCP连接建立方法已经较为成熟，主要是采用“三次握手”机制。通过“三次握手”机制，计算机之间的链路建立过程可解决三个问题：(1)使每一方能够确知对方的存在；(2)允许双方协商相关参数；(3)能够对运输实体相关资源进行分配。在卫星通信中，对于一个地球同步卫星而言，从地面到卫星再到地面会有0.25s的传播延时。因此，卫星网络中进行链路建立时若同样采用“三次握手”机制，势必会造很大的延时。另外，由于卫星的移动特性，卫星与地面站的通信只有在规定的时间窗口内才能进行。因此，这就要求卫星与地面站之间进行连接时，需采用一种与计算机网络不同的链路建立方式，该方式要具有较小的延时，较高的链路建立概率，在链路建立时具有快速性，稳定性。

发明内容

本发明针对目前主要采用直接发送数据方式易丢失数据的问题，提出了卫星通信网络中的星地链路的快速建立方法。围绕着该方法，在充分分析了卫星通信的空间环境的基础上，设计了相关的链路建立协议、基本的帧结构、单次/多次请求链路建立模式。最后，通过对星地链路传输时间和捕获时间的分析，对帧结构中伪随机序列最优长度给出了定性分析。通过仿真分析可知，该星地链路的快速建立方法具有广泛的适用性。

一种卫星对地链路快速建立方法，其特征在于各通信节点都分为4种状态，扫描状态、等待回复信号状态、等待确认信号状态和正常通信状态

扫描状态，当卫星网络中的节点设备刚启动、节点从中断中恢复或网络重构时，节点首先进入扫描状态，查询是否有来自于本节点管理系统的“发起链路建立请求”命令，检测是否有接收到来自于其它节点的“请求链路建立”信息，如查询检测不到任何命令或信息，节点保持在扫描状态；如果收到来自于本节点管理系统的“发起请求链路建立”命令，节点将发送“请求链路建立”信息，进入等待回复信号状态；如果检测到来自于其他节点的“请求链路建立”信息，节点将发送“收到请求链路建立”信息，进入等待确认信号状态；

等待回复状态，当节点处于等待确认信号状态时，如果没有收到回复信息并且等待不超时，或虽然收到回复信息但信息为“继续”，则节点保持现状继续等待；如果没有收到回复信息并且等待超时，或虽然收到回复信息但信息为“失败”，则返回扫描状态；当收到回复信号并且信息为“正确”时，建立链路，进入正常通信状态；

等待确认状态，当节点处于等待确认状态时，如果没有收到确认信息，则节点保持现状继续等待；如果没有收到确认信息并且等待超时则返回扫描状态；当收到确认信号时，建立链路，进入正常通信状态；

当节点处于正常通信状态时，如果没有收到其它通信中断命令，则节点一直保持正常通信状态；如果收到来自于管理系统的通信结束且断开链路命令，或收到链路异常中断命令，节点将退出正常通信状态，返回到扫描状态。

当节点在以上两个状态之间进行变化时，表示有节点开始请求建立链路，链路建立模式包括两种类型：单次请求建立链路模式和多次请求链路建立模式。

所述的单次请求链路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下：

单次请求的链路建立时间T_LE由以下九项相加而成：星上请求帧发送时间T_CALL、星地链路传输时间T_ST1、地面天线捕获时间T_AA1、地面伪随机序列捕获时间T_ACD、地面回复帧发送时间T_RSP、地星链路传输时间T_ST2、星上天线捕获时间T_AA2、星上伪随机序列捕获时间T_ACS和星上确认帧发送时间T_ACK：

T_LE＝T_CALL+T_ST1+T_AA1+T_ACD+T_RSP+T_ST2+T_AA2+T_ACS+T_ACK    (1)

由于星到地和地到星的传输距离相等，星地链路传输时间T_ST1和地星链路传输时间T_ST2近似相等，地面天线捕获时间T_AA1和星上天线捕获时间T_AA2近似相等；

单次请求的链路建立概率P_LE由以下四项相乘：地面天线捕获概率P_AD、地面伪随机序列捕获概率P_dD、星上天线捕获概率P_AS和星上伪随机序列捕获概率P_dS。即：

P_LE＝P_AD×P_dD×P_AS×P_dS    (2)

地面天线捕获概率P_AD和星上天线捕获概率P_AS近似相等。

所述的多次请求链路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下：

设：单次请求的链路建立概率为P_LE1、P_LE2、P_LE2...，

T_LE为基本链路建立时间，即单次请求的链路建立时间；

请求一次，链路建立的概率P＝P_LE1，平均建链时间为T＝P_LE1·T_LE；

请求二次，链路建立成功的概率P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE；

请求三次，链路建立成功的概率即P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3·3·T_LE；

...

请求M次，链路建立成功的概率即P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3·3·T_LE。

链路建立所传递的信息数据帧包括三种帧结构：请求帧、回复帧和确认帧，帧类型码设计为相互正交，代表不同的帧类型，其中请求帧、回复帧和确认帧的伪随机码序列长度的设计规则是伪随机码序列的平均捕获时间

不高于空地链路信号的传输时间T_ST，此时伪随机码序列的捕获时间可以和传输时间相比较，当捕获时间只占用部分链路建立时间，不再继续缩短伪随机序列长度。

在通信网络节点间链路建立中，将协议分成三层，管理层、数据链路层和物理层；管理层完成传输模式选择等功能；数据链路层主要是连接建立和链路质量监测以便保持链路；物理层包括链路建立信号的射频信号捕获和调制解调。

所述管理层起管理者的作用，它对用户进行身份认证，根据用户安全级和优先级的不同对选择是否建链、建立哪一条链路、选择哪种传输模式等做出正确的判断；同时管理层根据数据链路层传来的信息决定是否需要再次请求建链、是否发送回复或确认信号、是否终止通信；

在用户主动请求建立链路时，根据链路选择策略选定链路，根据用户的安全级和优先级级别，且系统内部的资源足够，则发出链路建立请求，在被请求建立链路时，根据接收到的链路建立请、信道估计、请求方状态信息、安全级、优先级，如果系统资源足够，则发出回复请求。

所述数据链路层根据管理层的命令，或发送链路建立请求信息、或回复信息、或其它信息，将伪随机码序列、帧类型码、状态信息按照协议约定封装成帧，传给物理层；同时，数据链路层按照协议约定破解从物理层接收到的数据信息，识别有无请求信息、回复信息等，解码请求用户或回复用户的地址和状态信息，将解码结果传递给管理层进行决策。

所述物理层协议在发送端，物理层将数据链路层封装好的帧进行信道编码，然后经数字调制、载波调制并发射出去；在接收端，接收装置和天线扫描、检测并捕获请求信号或回复信号，进行解调、解纠错，得到请求信号或回复信号。

在本发明中，用到的很多参数都是通过走访和调研了许多卫星通信单位所得到的，因此通过这些参数分析所设计的相关内容具有科学性和一定的实用价值。本发明的有益效果是可广泛应用于我国通信卫星系统中卫星-地面站的链路快速建立，同时亦可以应用于军用卫星系统星地链路快速建立，具有极高的经济效益和社会效益。利用本发明的星地链路快速建立方法，有良好的链路自适应性、灵活性和可靠性，大大提高链路的抗毁性、抗干扰性。

附图说明

图1卫星通信网络节点链路建立状态转移图

图2请求帧结构

图3回复帧结构

图4确认帧结构

图5检测概率和信噪比关系图

图6检测概率和伪随机码序列长度关系图

图7虚警概率不同时捕获时间和序列长度关系图

图8捕获概率不同时捕获时间和序列长度关系图

具体实施方式

在下面这部分，将结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细描述。本发明提供的是一种星地之间通信链路快速建立的方法和所需要的数据基本格式，该方法将链路的建立过程分为四种状态，并在每一种状态分别执行不同的操作，如图1所示。图1为本发明快速建立星地链路时的状态转移图，该图描述了卫星网络中的各节点在某一时刻所处的状态。根据链路建立过程特点和需求，各通信节点状态都可分为四种：扫描状态、等待回复信号状态、等待确认信号状态和正常通信状态，本发明中提出的星地链路快速建立方法的状态转移过程具体如下所述：

1、扫描状态，当卫星网络中的节点设备刚启动、节点从中断中恢复或网络重构时，节点首先进入扫描状态，查询是否有来自于本节点管理系统的“发起链路建立请求”命令，检测是否有接收到来自于其它节点的“请求链路建立”信息。如查询检测不到任何命令或信息，节点保持在扫描状态；如果收到来自于本节点管理系统的“发起请求链路建立”命令，节点将发送“请求链路建立”信息，进入等待回复信号状态；如果检测到来自于其他节点的“请求链路建立”信息，节点将发送“收到请求链路建立”信息，进入等待确认信号状态。

2、等待回复状态，当节点处于等待确认信号状态时，如果没有收到回复信息并且等待不超时，或虽然收到回复信息但信息为“继续”，则节点保持现状继续等待；如果没有收到回复信息并且等待超时，或虽然收到回复信息但信息为“失败”，则返回扫描状态；当收到回复信号并且信息为“正确”时，建立链路，进入正常通信状态。

当节点在以上两个状态之间进行变化时，表示有节点开始请求建立链路。这涉及到了本发明中的一个创新点：链路建立模式。本发明中，链路建立模式包括两种类型：单次请求建立链路模式和多次请求链路建立模式。

i)单次请求链路建立模式，设下行载波信号频率为12GHz，上行频率为14GHz，双向数据传输速率为600Mbps，同步卫星到地面站长度为36000km。单次请求的链路建立时间TLE由以下九项相加而成：星上请求帧发送时间T_CALL、星地链路传输时间T_ST1、地面天线捕获时间T_AA1、地面伪随机序列捕获时间T_ACD、地面回复帧发送时间T_RSP、地星链路传输时间T_ST2、星上天线捕获时间T_AA2、星上伪随机序列捕获时间T_ACS和星上确认帧发送时间T_ACK。即：

T_LE＝T_CALL+T_ST1+T_AA1+T_ACD+T_RSP+T_ST2+T_AA2+T_ACS+T_ACK    (1)

由于星到地和地到星的传输距离相等，所以可以认为星地链路传输时间T_ST1和地星链路传输时间T_ST2近似相等，且均用T_ST表示。因T_ST取决于星地传输距离的长度，故星地链路传输时间T_ST＝36000/300000＝0.14s。在其它文献中，认为地面天线捕获时间T_AA1和星上天线捕获时间T_AA2近似相等，且均用T_AA表示，将T_AA作为常数处理，记为τ_A。

单次请求的链路建立概率P_LE由以下四项相乘：地面天线捕获概率P_AD、地面伪随机序列捕获概率P_dD、星上天线捕获概率P_AS和星上伪随机序列捕获概率P_dS。即：

P_LE＝P_AD×P_dD×P_AS×P_dS    (2)

同样认为地面天线捕获概率P_AD和星上天线捕获概率P_AS近似相等，由于天线捕获技术不在本论文的研究范围之内，因此将P_AD·P_AS作为常数处理，记为μ_A。

ii)多次请求链路建立模式

在非电磁干扰、没有烟雾等的影响下，信道仅存在带内平坦衰落，其随时间变化非常缓慢，只与天气情况有关，此时信道特性是非突变的。当突发事件发生时，信道特性突变较大，此时信道特性是突变的。

信道中的噪声等效于一个缓慢变化的随机过程和一个相对快速变化的随机过程相乘，这个缓慢变化的随机过程即日夜的变化、天气的变化、季节的变化等自然因素影响的综合结果，这个相对快速变化的随机过程即突发事件下信道产生的变化。

尽管信道特性是时变的，但可认为是短时平稳的。将时间分成以一次请求时间为一个时隙，在一个时隙之内，认为信道参数(链路建立概率)是常数。这样，链路建立概率将是一串随机的离散值，相邻时间间隙的链路建立概率值会缓慢变化，但不会突变：P_LE1、P_LE2、P_LE2、P_LE4、P_LE5...。

设：单次请求的链路建立概率为P_LE1、P_LE2、P_LE2...，

T_LE为基本链路建立时间，即单次请求的链路建立时间；

请求一次，链路建立的概率P＝P_LE1，平均建链时间为T＝P_LE1·T_LE；

请求二次，链路建立成功的概率P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE；

请求三次，链路建立成功的概率即P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3·3·T_LE；

...

请求M次，链路建立成功的概率即P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3·3·T_LE；

3、等待确认状态，当节点处于等待确认状态时，如果没有收到确认信息，则节点保持现状继续等待；如果没有收到确认信息并且等待超时则返回扫描状态；当收到确认信号时，建立链路，进入正常通信状态。

4、当节点处于正常通信状态时，如果没有收到其它通信中断命令，则节点一直保持正常通信状态；如果收到来自于管理系统的通信结束且断开链路命令，或收到链路异常中断命令，节点将退出正常通信状态，返回到扫描状态。

在以上状态中，涉及到了本发明中的另一个创新点：用于链路建立所传递的信息数据——帧。计算机网络的数据链路层也有帧的概念，但本发明中设计的帧是适用于卫星通信的，是在充分考虑了卫星通信的大时延特性下设计的。通过对比不同的捕获概率，分析得到伪随机码序列的最优长度。本发明中，设计了三种帧结构：请求帧、回复帧和确认帧，分别如图2，3和4所示。与其它的帧结构一样，本发明中的帧类型码设计为相互正交，代表不同的帧类型。不同的地方是伪随机码序列的设计，由于伪随机码序列的随机模式、长度和捕获方式等都会对链路的建立概率和建立时间，因此伪随机码序列的长度设计对系统影响非常大。

伪随机码序列长度的设计规则是伪随机码序列的平均捕获时间

不高于空地链路信号的传输时间T_ST，此时伪随机码序列的捕获时间可以和传输时间相比较，捕获时间只占用部分链路建立时间，不起主要作用，继续缩短伪随机序列长度意义不大。达到了在缩短链路建立时间的同时，尽量延长伪随机序列长度以增加捕获概率的目的。假定虚警概率P_fa≤0.1，在以下的分析中，按照最坏情况取P_fa＝0.1。考虑到捕获概率不同，但不会低于0.5，因此取P_d＝0.5、P_d＝0.6、P_d＝0.7、P_d＝0.8、P_d＝0.9、P_d＝1.0六种情况。根据公式3，分别求出

时的伪随机序列长度值N，如表1所示。

${\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{AC}}=[\frac{2-P_d}{P_d}\·N+\frac{P_{\mathrm{fa}}}{P_d\·{(1-P_{\mathrm{fa}})}^2}]\·T_D---\left(3\right)$

表1 T_AC＝140ms条件下伪随机序列长度

设计系统时须追求性能的最优，因此在保障

条件下，按照捕获概率≥0.9和虚警概率≤0.1来设计系统，伪随机序列长度N至少取14491 bits。此时捕获概率为1，捕获时间为140ms。

最后要提出的一个创新点就是星地链路建立协议的设计，在卫星通信网络节点间链路建立技术中，拟将协议分成三层，管理层、数据链路层和物理层。管理层完成传输模式选择等功能；数据链路层主要是连接建立和链路质量监测以便保持链路；物理层包括链路建立信号的射频信号捕获和调制解调。

(1)管理层协议

管理层起管理者的作用，它对用户进行身份认证，根据用户安全级和优先级的不同对选择是否建链、建立哪一条链路、选择哪种传输模式等做出正确的判断。同时管理层根据数据链路层传来的信息决定是否需要再次请求建链、是否发送回复或确认信号、是否终止通信等。

在用户主动请求建立链路时，根据链路选择策略选定链路，根据用户的安全级和优先级级别，且系统内部的资源足够，则发出链路建立请求。在被请求建立链路时，根据接收到的链路建立请、信道估计、请求方状态信息、安全级、优先级，如果系统资源足够，则发出回复请求。

(2)数据链路层协议和帧结构

数据链路层根据管理层的命令，或发送链路建立请求信息、或回复信息、或其它信息，将伪随机码序列、帧类型码、状态等信息按照协议约定封装成帧，传给物理层。同时，数据链路层按照协议约定破解从物理层接收到的数据信息，识别有无请求信息、回复信息等，解码请求用户或回复用户的地址和状态信息，将解码结果传递给管理层进行决策。

(3)物理层协议

在发送端，物理层将数据链路层封装好的帧进行信道编码，然后经数字调制、载波调制并发射出去。在接收端，接收装置和天线扫描、检测并捕获请求信号或回复信号，进行解调、解纠错，得到请求信号或回复信号。

衡量链路建立过程的性能，主要从其有效性、可靠性两个方面来进行。

(1)有效性，从链路建立的过程来分析，有效性最终体现在链路建立时间上。建链时间短，则有效性高。建链时间长，则有效性低。影响有效性的因素有多种，发射设备及天线设备的工作方式和控制方式，建链模式的采用，建链数据帧的长度和格式等。

(2)可靠性，从链路建立的过程来分析，可靠性最终体现在链路建立概率上。建链概率高，则可靠性高。建链概率低，则可靠性差。影响可靠性的因素同样是上述几项。本发明不涉及发射设备及天线设备的工作方式和控制方式所产生影响，可以视其为常数。以下将从链路建立概率和链路建立时间两个方面，说明根据本发明的星地链路建立方法的具体实施例。

1、虚警概率P_fa和检测概率P_d

$P_{\mathrm{fa}}={\∫}_{{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{th}}}^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{N}_B}}{e}^{-\frac{{(z_n^{*}-N_B)}^2}{2\mathrm{\π}{N}_B}}\mathrm{dz}=Q\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{th}}-N_B}{\sqrt{N_B}}\right)=Q\left[\mathrm{\β}\right]---\left(4\right)$

$P_d={\∫}_{{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{th}}}^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{N}_B(1+2\mathrm{\γ})}}{e}^{-\frac{[z_n^{*}-N_B(1+\mathrm{\γ})]}{2N_B(1+2\mathrm{\γ})}}\mathrm{dz}=Q\left(\frac{\mathrm{\β}-\sqrt{N_B\mathrm{\γ}}}{\sqrt{1+2\mathrm{\γ}}}\right)---\left(5\right)$

式中Q[β]为高斯概率积分，

ξ_th为检测门限电压，N_B＝T_D/τ＝BT_D为T_D时间间隔内的样值个数，γ为信噪比。

在本发明中，假设系统要求虚警概率的可容忍范围α₁≤10^-3，此时调整系数δ₁≥3.0902，得检测概率P_d为：

$P_d=0.5\×\mathrm{erfc}\left(\frac{2.1851-\sqrt{N_B\·\mathrm{\γ}}}{2+4\·\mathrm{\γ}}\right)---\left(6\right)$

根据公式6，首先确定N_B分别为1000、10000、100000和1000000，信噪比在10⁰～10^-8之间变化，此时的检测概率P_d如图5所示。

从图6中可以看出，在信噪比相同时，较长的N_B可以得到较高的检测概率P_d。

假定信噪比分别为-10dB、-20dB、-30dB、-40dB和-50dB进行仿真，N_B在10²～10⁷之间变化，此时的检测概率P_d如图2所示。从图中同样可以看出，N_B相同时，信噪比越高，检测概率P_d越高。

2、捕获时间

假设系统要求虚警概率的可容忍范围分别为α₁≤10^-1～α₁≤10^-10时，平均同步捕获时间

的情况如图7所示：

由图7可以看出，当捕获概率一定时，虚警概率对捕获时间的影响不大，仅在伪随机序列很短(小于200比特)且虚警概率很高时(大于0.5)有很小的一点影响，大约10微秒左右。虚警概率越大，捕获时间越长。当捕获概率一定时，虚警概率对捕获时间的影响不大，仅在伪随机序列很短(小于200比特)且虚警概率很高时(大于0.5)有很小的一点影响，大约10微秒左右。如图7中所示，虚警概率为0.1和0.001时，捕获时间的性能相同。虚警概率越大，捕获时间越长。

当虚警概率一定时，捕获概率对捕获时间的影响略大，而且随着序列长度的增加，而增大，如图8所示。

通过以上的分析可知，本发明设计的帧结构中，通过修改帧结构的伪随机序列码可有效地提高检测概率，进而使本发明中提出的链路建立成功的概率提高。但是，伪随机序列码的增大同样会带来捕获时间增长的不利影响。本发明中提出的星地链路建立方法是以一定的有效性为代价，获取了较高的可靠性，这对于高误码的卫星通信环境来说较为关键。

Claims (9)

1.一种卫星对地链路快速建立方法，其特征在于各通信节点都分为4种状态，扫描状态、等待回复信号状态、等待确认信号状态和正常通信状态

扫描状态，当卫星网络中的节点设备刚启动、节点从中断中恢复或网络重构时，节点首先进入扫描状态，查询是否有来自于本节点管理系统的“发起链路建立请求”命令，检测是否有接收到来自于其它节点的“请求链路建立”信息，如查询检测不到任何命令或信息，节点保持在扫描状态；如果收到来自于本节点管理系统的“发起请求链路建立”命令，节点将发送“请求链路建立”信息，进入等待回复信号状态；如果检测到来自于其他节点的“请求链路建立”信息，节点将发送“收到请求链路建立”信息，进入等待确认信号状态；

等待回复状态，当节点处于等待确认信号状态时，如果没有收到回复信息并且等待不超时，或虽然收到回复信息但信息为“继续”，则节点保持现状继续等待；如果没有收到回复信息并且等待超时，或虽然收到回复信息但信息为“失败”，则返回扫描状态；当收到回复信号并且信息为“正确”时，建立链路，进入正常通信状态；

等待确认状态，当节点处于等待确认状态时，如果没有收到确认信息，则节点保持现状继续等待；如果没有收到确认信息并且等待超时则返回扫描状态；当收到确认信号时，建立链路，进入正常通信状态；

当节点处于正常通信状态时，如果没有收到其它通信中断命令，则节点一直保持正常通信状态；如果收到来自于管理系统的通信结束且断开链路命令，或收到链路异常中断命令，节点将退出正常通信状态，返回到扫描状态。

2.根据权利要求1所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于当节点在以上两个状态之间进行变化时，表示有节点开始请求建立链路，链路建立模式包括两种类型：单次请求建立链路模式和多次请求链路建立模式。

3.根据权利要求2所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述的单次请求链路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下：

单次请求的链路建立时间T_LE由以下九项相加而成：星上请求帧发送时间T_CALL、星地链路传输时间T_ST1、地面天线捕获时间T_AA1、地面伪随机序列捕获时间T_ACD、地面回复帧发送时间T_RSP、地星链路传输时间T_ST2、星上天线捕获时间T_AA2、星上伪随机序列捕获时间T_ACS和星上确认帧发送时间T_ACK：

T_LE＝T_CALL+T_ST1+T_AA1+T_ACD+T_RSP+T_ST2+T_AA2+T_ACS+T_ACK    (1)

由于星到地和地到星的传输距离相等，星地链路传输时间T_ST1和地星链路传输时间T_ST2近似相等，地面天线捕获时间T_AA1和星上天线捕获时间T_AA2近似相等；

单次请求的链路建立概率P_LE由以下四项相乘：地面天线捕获概率P_AD、地面伪随机序列捕获概率P_dD、星上天线捕获概率P_AS和星上伪随机序列捕获概率P_dS。即：

P_LE＝P_AD×P_dD×P_AS×P_dS    (2)

地面天线捕获概率P_AD和星上天线捕获概率P_AS近似相等。

4.根据权利要求2所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述的多次请求链路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下：

设：单次请求的链路建立概率为P_LE1、P_LE2、P_LE2...，

T_LE为基本链路建立时间，即单次请求的链路建立时间；

请求一次，链路建立的概率P＝P_LE1，平均建链时间为T＝P_LE1·T_LE；

请求二次，链路建立成功的概率P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE；

请求三次，链路建立成功的概率即P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3·3·T_LE；

...

请求M次，链路建立成功的概率即P＝P_LE1+(1-P_LE1)·P_LE2+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3，

平均链路建立时间为T＝P_LE1·T_LE+(1-P_LE1)·P_LE2·2·T_LE+(1-P_LE1)·(1-P_LE2)·P_LE3·3·T_LE。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于

链路建立所传递的信息数据帧包括三种帧结构：请求帧、回复帧和确认帧，帧类型码设计为相互正交，代表不同的帧类型，其中请求帧、回复帧和确认帧的伪随机码序列长度的设计规则是伪随机码序列的平均捕获时间

不高于空地链路信号的传输时间T_ST，此时伪随机码序列的捕获时间可以和传输时间相比较，当捕获时间只占用部分链路建立时间，不再继续缩短伪随机序列长度。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于在通信网络节点间链路建立中，将协议分成三层，管理层、数据链路层和物理层；管理层完成传输模式选择等功能；数据链路层主要是连接建立和链路质量监测以便保持链路；物理层包括链路建立信号的射频信号捕获和调制解调。

7.根据权利要求6所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述管理层起管理者的作用，它对用户进行身份认证，根据用户安全级和优先级的不同对选择是否建链、建立哪一条链路、选择哪种传输模式等做出正确的判断；同时管理层根据数据链路层传来的信息决定是否需要再次请求建链、是否发送回复或确认信号、是否终止通信；

在用户主动请求建立链路时，根据链路选择策略选定链路，根据用户的安全级和优先级级别，且系统内部的资源足够，则发出链路建立请求，在被请求建立链路时，根据接收到的链路建立请、信道估计、请求方状态信息、安全级、优先级，如果系统资源足够，则发出回复请求。

8.根据权利要求6所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述数据链路层根据管理层的命令，或发送链路建立请求信息、或回复信息、或其它信息，将伪随机码序列、帧类型码、状态信息按照协议约定封装成帧，传给物理层；同时，数据链路层按照协议约定破解从物理层接收到的数据信息，识别有无请求信息、回复信息等，解码请求用户或回复用户的地址和状态信息，将解码结果传递给管理层进行决策。

9.根据权利要求6所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述物理层协议

在发送端，物理层将数据链路层封装好的帧进行信道编码，然后经数字调制、载波调制并发射出去；在接收端，接收装置和天线扫描、检测并捕获请求信号或回复信号，进行解调、解纠错，得到请求信号或回复信号。

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