CN102594417A

CN102594417A - 卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法

Info

Publication number: CN102594417A
Application number: CN2012100263493A
Authority: CN
Inventors: 肖琨
Original assignee: Guangxi Normal University
Current assignee: Guangxi Normal University
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法，包括星上集中控制中心、模式切换管理子系统、星上维护中心和天线子系统，星上集中控制中心分别与模式切换管理子系统、星上维护中心、天线子系统相连接，控制这些模块的运作；模式切换管理子系统监测卫星通信状态，判断模式切换时机；星上维护中心与天线子系统相连接，监测天线子系统的工作状态；由星上集中控制中心根据模式切换管理子系统或星上维护中心的监控信息，与地面指挥中心协调统一后，控制天线子系统的运作，实现极化模式的切换。本发明实现了卫星与地面之间高效、节能、高质量通信的目的，在卫星天线系统出现故障时，仍能保证卫星与地面之间的正常通信。

Description

卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通信系统，具体涉及采用极化分集技术的卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法。

背景技术：

未来卫星移动通信系统要求大幅度提高业务数据传输速率，这需要应用高效的传输和处理技术。于是，MIMO（Multi Input Multi Output：多入多出）技术成为最热门的候选方案之一。MIMO技术具备了许多优势和自由度如空间和多用户分集增益、空间复用增益、序列和编码增益以及减小干扰等，并且这些优势的取得不需要付出额外的发射功率，不占用更多的带宽，大幅度提升系统容量，有效对抗多径衰落的影响。IEEE 802.11n、802.16e、802.16m、802.20、802.22、3GPP Releases 7, 8 (LTE) 以及R99, 3GPP2 UMB、DVB-T2纷纷将MIMO技术纳入标准体系。但是，我们看到，纳入MIMO技术的上述标准体系都属于地面通信系统而在卫星移动通信系统中，MIMO技术的研究与应用远滞后于地面系统，尚未出现成熟的解决方案。

任何潜在采用的MIMO技术，其性能是由MIMO信道矩阵决定的，信道和传播特性则是MIMO信道矩阵的主要构成部分。既然信道效应和特性将最终决定卫星上所用MIMO技术的可能性，尽管卫星无线信道在某种程度上与地面无线多径有相似性，但是卫星通信系统和地面通信系统的信道特性存在显著的区别。由于散射物仅仅存在于链路的一端，甚至当移动卫星终端处于郊区或者开阔地区时这种情况也可能不成立，所以这种小尺度效应的强度是不同的。

MIMO技术性能的发挥依赖于MIMO信道矩阵，由于星地链路通常存在直视路径（LOS），卫星周围没有散射物，使得MIMO技术未能取得预期的增益，MIMO技术在卫星通信中的应用遇到了严峻的挑战。目前克服困难的一种可能途径是采用卫星极化分集技术。

卫星极化分集技术既可以提高卫星通信的有效性，大幅度改善数据传输速率，扩大系统容量；同时也可以提高卫星通信的可靠性，例如在同一信息使用两种极化方式进行并行传输的情况下。但是，卫星业务的多样性和非对称性、星地链路信道的时变特性以及对地形的依赖使得卫星与地面之间的通信需要适应这些变化，以达到卫星与地面之间实现更高效、节能的高质量通信。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法，具体涉及采用极化分集技术的卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法，使卫星与地面之间的通信适应卫星业务多样性和非对称性的要求，适应星地链路信道的时变特性以及不同地形构成的传播环境类型的要求，最终实现卫星与地面之间高效、节能、高质量通信的目的。

本发明的目的是通过下述的技术方案来实现的：

一种卫星可切换极化通信系统，包括星上集中控制中心、模式切换管理子系统、星上维护中心和天线子系统，天线子系统包含两副单极化天线或者一副双极化天线，星上集中控制中心分别与模式切换管理子系统、星上维护中心、天线子系统相连接，控制这些模块的运作；模式切换管理子系统监测卫星通信状态，判断模式切换时机；星上维护中心与天线子系统相连接，监测天线子系统的工作状态；由星上集中控制中心根据模式切换管理子系统或星上维护中心的监控信息，与地面指挥中心协调统一后，控制天线子系统的运作，实现极化模式的切换。

所述的模式切换管理子系统包括映射处理模块、模式切换计数器、模式状态监测器；映射处理模块负责建立极化模式切换的规则和算法，作出模式切换决策；模式切换计数器和模式状态监测器负责衡量模式切换决策的稳定性。

所述的极化模式包括单极化模式与双极化模式。

上述卫星可切换极化通信系统，第一种工作方法包括如下步骤：

（1）模式切换管理子系统包括映射处理模块、模式切换计数器、模式状态监测器；映射处理模块建立极化模式切换的规则和算法，根据卫星通信质量，确定极化模式的切换时机，作出模式切换决策；

（2）模式切换管理子系统作出模式切换决策后，启动预设好参数的模式切换计数器，在模式切换计数器计数时间内，模式状态监测器对影响极化模式切换的各指标进行实时监测，每隔相同的时间按照步骤（1）进行一次模式判决，判断是否仍维持原有的模式切换决策，如果此期间内模式切换决策发生多次跳变，则终止模式整个切换过程，维持原极化模式不变；

（3）如果在模式切换计数器计数时间内，模式状态监测器检测到极化模式决策状态一直保持稳定时，模式切换管理子系统向星上集中控制中心发出模式切换请求；

（4）星上集中控制中心接到模式切换请求后向地面指挥控制中心发出模式切换请求，并报告调整参数预案；

（5）地面指挥控制中心接收到请求和报告后，按照步骤（1）中的规则和算法进行决策，如果地面决策与星上决策一致，则同意切换请求，地面指挥控制中心向卫星发出同意模式切换的应答并报告调整参数，同时发出指令对地面各子系统包括地面站或移动台进行相应的调整操作；

（6）星上集中控制中心接到同意模式切换的应答和报告后，向模式切换管理子系统发出同意模式切换的应答，模式切换管理子系统对此次模式切换情况进行记录；星上集中控制中心同时向星上各子系统发出执行模式切换指令和参数调整方案，各子系统根据调整方案执行操作，切换极化天线的运作模式，实现极化模式切换；

（7）卫星和地面之间建立新的通信链路；

（8）如果卫星决策和地面决策不一致，则终止整个模式切换过程，保持原有系统工作模式。

上述卫星可切换极化通信系统，第二种工作方法包括如下步骤：

（1）星上维护中心检测出两副单极化天线中的一副或者双极化天线中某个极化方向的天线模块出现故障，启动故障应急机制；

（2）星上维护中心向星上集中控制中心发出天线故障指令；

（3）星上集中控制中心关闭发生故障的天线子系统及相关处理单元，根据业务和资源等情况重新配置能正常工作的天线子系统，向地面指挥控制中心发出天线故障指令，并报告调整方案；

（4）星上集中控制中心向星上各子系统发出天线故障指令和调整方案；

（5）星上各子系统收到天线故障指令和调整方案后执行操作；

（6）地面指挥控制中心接收到天线故障指令和调整方案后，发出指令对地面各子系统包括地面站或移动台进行相应的调整操作；

（7）地面指挥控制中心向卫星发送调整完成确认指令及其它指令，在卫星和地面之间建立新的通信链路。

极化模式切换也可以由地面指挥控制中心发起，决策依据不变，信令流程为逆过程。

一种卫星极化切换通信方法，包括星上集中控制中心、模式切换管理子系统和天线子系统，天线子系统包含两副单极化天线或者一副双极化天线，通信方法包括以下步骤：

（2）模式切换管理子系统做出模式切换决策后，启动预设好参数的模式切换计数器，在模式切换计数器计数时间内，模式状态监测器对影响极化模式切换的各指标进行实时监测，每隔相同的时间按照步骤（1）进行一次模式判决，判断是否仍维持原有的模式切换决策，如果此期间内模式切换决策发生多次跳变，则终止模式整个切换过程，维持原极化模式不变；

（7）卫星和地面之间建立新的通信链路；

卫星天线子系统出现故障情况下的极化切换通信方法：

（1）星上维护中心检测出两副极化天线中的一副或者双极化天线中某个极化方向的天线模块出现故障，启动故障应急机制；

（2）星上维护中心向星上集中控制中心发出天线故障指令；

（4）星上集中控制中心向天线子系统以及星上各子系统发出天线故障指令和调整方案；

（5）星上各子系统收到天线故障指令和调整方案后执行操作，切换天线子系统的极化模式；

本发明卫星可切换极化通信系统及其极化切换通信方法，在卫星遭遇紧急情况如两副极化天线中的一副或者双极化天线中的某个极化方向的天线系统出现故障时，仍能保证卫星与地面之间的正常通信。

本发明不仅适用卫星通信系统，也适合其他通信体制的无线通信系统，如HAPs等系统。

本发明所述方法与现有技术相比，主要有以下优点：

（1）卫星与地面之间的通信适应卫星业务多样性和非对称性的要求，适应星地链路信道的时变特性以及不同地形构成的传播环境类型的要求，最终实现卫星与地面之间高效、节能、高质量通信的目的。虽然通过功率控制也可以部分实现以上要求，但是功率控制不能从微观上反映电磁波反射、散射、折射等的机理，是一种粗放式的调节方法。而不同极化方式的电磁波能较好的适应星地链路信道传播特性，即使在功率不变的情况下，当一种极化方式的电磁波不能适应当时的信道特性的情况下，很可能另一种极化方式的电磁波能很好地适应信道特性。因此本发明提出的极化切换通信方法是更合理的方法。当然本发明提出的方法可以和已有的功率控制方法等其它方法结合起来使用，效果会更好。

（2）当卫星遭遇紧急情况如两副极化天线中的一副或者双极化天线中的某个极化方向的天线系统出现故障时，本发明提出的通信方法仍能保证卫星与地面之间的正常通信。克服了现有卫星技术中一旦天线系统出现故障卫星将不能正常通信的缺陷，即使是有备用天线的卫星系统，在天线系统正常工作的时候备用天线是闲置的，极大浪费资源的同时也增加了卫星重量，是非常不科学的。

附图说明

图1为本发明实施例星上系统组成示意图；

图2为本发明实施例卫星系统正常工作情况下极化切换通信方法的流程图；

图3为本发明实施例卫星天线故障情况下的极化切换通信方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种卫星可切换极化通信系统，包括星上集中控制中心1、模式切换管理子系统2、星上维护中心3和天线子系统4，天线子系统4包含两副单极化天线或者一副双极化天线，星上集中控制中心1分别与模式切换管理子系统2、星上维护中心3、天线子系统4相连接，控制这些模块的运作；模式切换管理子系统2监测卫星通信状态，判断模式切换时机；星上维护中心3与天线子系统4相连接，监测天线子系统4的工作状态；由星上集中控制中心1根据模式切换管理子系统或星上维护中心3的监控信息，与地面指挥中心协调统一后，控制天线子系统4的运作，实现极化模式的切换。

模式切换管理子系统2包括映射处理模块、模式切换计数器、模式状态监测器；映射处理模块负责建立极化模式切换的规则和算法，作出模式切换决策；模式切换计数器和模式状态监测器负责衡量模式切换决策的稳定性。

极化模式包括单极化模式与双极化模式。单极化模式为两副单极化天线（通常为水平极化和垂直极化）只有一副工作或者双极化天线中只有水平极化方式或垂直极化方式工作的模式，所述的双极化模式则指两副极化天线或者双极化天线的两种极化方式同时工作的模式。

星上集中控制中心1是星上信息处理和信令交互的核心和调度中心；模式切换管理子系统2负责进行卫星传输模式的管理和控制，比如单、双极化模式之间的切换等；星上维护中心3负责星上设备的报警和故障处理等。

模式切换管理子系统2包括参数与极化模式之间的映射处理模块、模式切换计数器、模式状态监测器。映射处理模块是模式切换管理子系统的核心，建立极化模式切换的规则和算法，模式切换计数器和模式状态监测器保证了极化模式切换的性能，比如说避免出现误切换或者频繁的切换。

映射处理模块简单的实现可以是当信道质量指示大于Q且误码率小于C时映射为单极化模式，否则映射为双极化模式。模式切换计数器简单的实现可以是为计数器设置一个门限，计数器从0到门限值进行计数，每次计数结束后进行清零。模式状态监测器的实现可以是在模式切换计数器计数到达门限值前，模式状态监测器进行模式切换决策的监测，可以每隔一定时间按照决策依据进行一次判断，在此过程中，如果模式切换决策保持不变或者稳定（仅发生极少短时跳变），我们就认为此次模式切换决策是有效的。映射处理模块、模式切换计数器和模式状态监测器的具体设计是灵活的，可以有多种方法，本发明不作限制。

本实施例分别就卫星系统正常工作和卫星系统天线系统出现故障两种情况提出卫星通信的极化切换通信方法的详细过程，以卫星系统具备两副不同极化方式的天线或者一副双极化天线为例，地面站或移动台也具有类似的天线配置。

（一）、卫星系统正常工作情况下的极化切换通信方法：

（1）模式切换管理子系统2包括映射处理模块、模式切换计数器、模式状态监测器；映射处理模块建立极化模式切换的规则和算法，根据卫星通信质量，确定极化模式的切换时机，作出模式切换决策；

（2）模式切换管理子系统2作出模式切换决策后，启动预设好参数的模式切换计数器，在模式切换计数器计数时间内，模式状态监测器对影响极化模式切换的各指标进行实时监测，每隔相同的时间按照步骤（1）进行一次模式判决，判断是否仍维持原有的模式切换决策，如果此期间内模式切换决策发生多次跳变，则终止模式整个切换过程，维持原极化模式不变；

（4）星上集中控制中心1接到模式切换请求后向地面指挥控制中心发出模式切换请求，并报告调整参数预案；

（6）星上集中控制中心1接到同意模式切换的应答和报告后，向模式切换管理子系统2发出同意模式切换的应答，模式切换管理子系统2对此次模式切换情况进行记录；星上集中控制中心1同时向星上各子系统发出执行模式切换指令和参数调整方案，各子系统根据调整方案执行操作，切换极化天线的运作模式，实现极化模式切换；

（7）卫星和地面之间建立新的通信链路；

极化模式切换也可以由地面指挥控制中心发起，决策依据不变，信令流程为逆过程。通过软件即可实现。

具体流程如图2所示，在步骤201中，依据算法建立极化模式与切换决策参量之间的映射。在步骤202，模式切换管理模块实时监测，并判断是否切换。如果判断结果为“否”，则处理转到步骤202，如果判断结果为“是”，则处理转到步骤203，启动模式切换计数器和模式状态监测器。在步骤204，切换计数过程中模式切换决策状态是否稳定，如果判断结果为“否”，则处理转到步骤202，如果判断结果为“是”，则处理转到步骤205，模式管理子系统向星上集中控制中心发模式切换请求。在步骤206，星上集中控制中心向地面指挥控制中心发模式切换请求并报告预案，在步骤207，地面指挥控制中心决策是否同意切换，如果判断结果为“否”，则处理转到步骤202，如果判断结果为“是”，则分成两路处理，第一路处理转到步骤212，地面指挥控制中心向地面系统调整指令；第二路处理转到步骤208，地面指挥控制中心向卫星发出同意模式切换的应答并报告调整方案。在步骤209，星上集中控制中心收到来自地面的应答和通报，分为两路处理，第一路处理转到步骤210，星上集中控制中心向模式切换管理模块发同意切换的应答，在步骤211，模式切换管理模块记录此次切换，更新状态；第二路处理转到步骤213，星上集中控制中心同时向星上各子系统发出执行模式切换指令和调整，在步骤214，星上各子系统执行指令和调整方案。

具体地，（1）卫星系统如图1所示包括一个星上集中控制中心1、模式切换管理子系统2、星上维护中心3和天线子系统4，天线子系统4工作模式包括单极化模式和双极化模式，其中单极化模式指卫星两副极化天线（通常为水平极化和垂直极化）只有一副工作或者双极化天线中只有水平极化方式或垂直极化方式工作的模式，双极化模式则指两副极化天线或者双极化天线的两种极化方式同时工作的模式；

（2）建立极化模式与上行链路（从地面到卫星的链路）和下行链路（从卫星到地面的链路）的数据速率、业务类型、信道质量、误码率等之间的映射关系，即根据传输业务类型的实时性等、数据速率的高低，信道环境是否良好、误码率的高低等指标综合决定天线子系统4采取单极化模式或者双极化模式，具体映射关系或算法可根据需求进行设计；

（3）假设星上系统当前正工作在某一模式，同时，模式切换管理子系统2实时监测影响极化模式决策的各种指标，当按照步骤（2）中的映射规则要求系统从当前的工作模式切换到另一模式时，模式切换管理子系统2将启动模式切换程序但并不立即执行切换，而是首先启动一个模式切换计数器；

（4）在模式切换计数器计数的过程中，模式状态监测器对影响极化模式切换的各指标进行实时监测，每隔相同的时间按照步骤（2）中的映射规则进行一次模式判决，看是否仍维持原有的模式决策，这样可以通过设计简单的算法判定模式切换计数器结束计数前的一段时间内按照步骤（2）作出的模式切换决策是否稳定有效，如果此期间内模式切换决策发生多次跳变，也就是不稳定，则终止模式整个切换过程，维持原极化模式不变；

（5）当模式切换计数器达到一个预定的门限值，而模式状态监测器显示这段时间内极化模式决策状态一直保持稳定时，模式切换管理子系统2向星上集中控制中心1（负责控制和调度星上各子系统）发出模式切换请求；

（6）星上集中控制中心1接到模式切换请求后向地面指挥控制中心发出模式切换请求，并报告调整参数预案；

（7）地面指挥控制中心接收到请求和报告后，按照步骤（2）中的方法进行决策，如果地面决策与星上决策一致，则同意切换请求，地面指挥控制中心向卫星发出同意模式切换的应答并报告调整参数，同时发出指令对地面各子系统包括地面站或移动台进行相应的调整操作，例如调制方式、信道编码方式、差错控制方式、功率控制、资源分配、业务调度等；

（8）星上集中控制中心1接到同意模式切换的应答和报告后，向模式切换管理子系统2发出同意模式切换的应答，模式切换管理子系统2对此次模式切换情况进行记录；星上集中控制中心1同时向星上各子系统发出执行模式切换指令和参数调整方案，各子系统根据调整方案执行操作，例如调制方式、信道编码方式、差错控制方式、功率控制、资源分配、业务调度等；

（9）在卫星和地面之间建立新的通信链路，如果卫星决策和地面决策不一致，则终止整个模式切换过程，保持原有系统工作模式。

（二）、卫星天线子系统出现故障情况下的极化切换通信方法：

（1）星上维护中心3（负责检测和处理星上故障）检测出两副单极化天线中的一副或者双极化天线中某个极化方向的天线模块出现故障，启动故障应急机制；

（2）星上维护中心3向星上集中控制中心1发出天线故障指令；

（3）星上集中控制中心1关闭发生故障的天线子系统及相关处理单元，根据业务和资源等情况重新配置能正常工作的天线子系统，向地面指挥控制中心发出天线故障指令，并报告调整方案；

（4）星上集中控制中心1向星上各子系统发出天线故障指令和调整方案；

（5）星上各子系统收到天线故障指令和调整方案后执行操作，例如调整调制方式、信道编码方式、差错控制方式、功率控制、资源分配、业务调度等；

（6）地面指挥控制中心接收到天线故障指令和调整方案后，发出指令对地面各子系统包括地面站或移动台进行相应的调整操作，例如调制方式、信道编码方式、差错控制方式、功率控制、资源分配、业务调度等；

具体流程如图3所示，在步骤301中，星上维护中心检测出天线故障，启动故障应急机制。在步骤302，星上维护中心向星上集中控制中心发天线故障指令，分为两路处理，第一路处理转到步骤303，星上集中控制中心关闭故障天线，重新配置可用天线资源，在步骤304，星上集中控制中心向星上各子系统发天线故障指令和调整方案，在步骤305，星上各子系统执行指令和方案；第二路处理转到步骤306，星上集中控制中心向地面指挥控制中心发天线故障指令，并报告调整方案，在步骤307，地面指挥控制中心向地面系统发天线故障通报和调整指令，在步骤308，地面系统执行指令，在步骤309，地面指挥控制中心向星上集中控制中心发调整完成确认指令和其他指令。

本发明（1）采用信道质量指示和误码率两个模式切换决策参量，由模式切换管理子系统2建立映射规则：当信道质量指示大于Q且误码率小于C时映射为单极化模式，否则映射为双极化模式；

（2）假设星上系统当前正工作在双极化模式，在某一时刻，模式切换管理子系统2（或模块）实时监测到信道质量指示大于Q且误码率小于C，于是，模式切换管理子系统2首先启动一个模式切换计数器；

（3）在模式切换计数器计数的过程中，模式状态监测器对模式切换决策参量状态进行实时监测，每隔时间T按照映射规则进行一次模式判决；

（4）当模式切换计数器达到门限值TH，而模式状态监测器显示这段时间内模式切换决策参量状态不变，模式切换管理子系统2向星上集中控制中心1发出模式切换请求；

（5）星上集中控制中心1接到模式切换请求后向地面指挥控制中心发出模式切换请求，并报告切换到单极化模式；

（6）地面指挥控制中心接收到请求和报告后，按照步骤（1）中的方法进行决策，如果地面决策与星上决策一致，则同意切换请求，地面指挥控制中心向卫星发出同意模式切换的应答并报告切换到单极化模式，同时发出指令对地面系统进行相应的调整操作；

（7）星上集中控制中心1接到同意模式切换的应答和报告后，向模式切换管理子系统2发出同意模式切换的应答，模式切换管理子系统2记录切换后的模式为单极化模式，并设为当前状态，对子系统进行更新，星上集中控制中心1同时向星上各子系统发出执行模式切换指令和调整方案，各子系统根据调整方案执行操作；

（8）卫星和地面之间建立起新的通信链路。

Claims

1.一种卫星可切换极化通信系统，其特征在于：包括星上集中控制中心、模式切换管理子系统、星上维护中心和天线子系统，星上集中控制中心分别与模式切换管理子系统、星上维护中心、天线子系统相连接，控制这些模块的运作；模式切换管理子系统监测卫星通信状态，判断模式切换时机；星上维护中心与天线子系统相连接，监测天线子系统的工作状态；由星上集中控制中心根据模式切换管理子系统或星上维护中心的监控信息，与地面指挥中心协调统一后，控制天线子系统的运作，实现极化模式的切换。

2.如权利要求1所述的卫星可切换极化通信系统，其特征在于：所述的模式切换管理子系统包括映射处理模块、模式切换计数器、模式状态监测器；映射处理模块负责建立极化模式切换的规则和算法，作出模式切换决策；模式切换计数器和模式状态监测器负责衡量模式切换决策的稳定性。

3.如权利要求1所述的卫星可切换极化通信系统，其特征在于：所述的天线子系统包含两副单极化天线或者一副双极化天线。

4.如权利要求1所述的卫星可切换极化通信系统，其特征在于：所述的极化模式包括单极化模式与双极化模式。

5.如权利要求1所述的卫星可切换极化通信系统，其特征在于工作方法包括如下步骤：

（7）卫星和地面之间建立新的通信链路；

6.如权利要求1所述的卫星可切换极化通信系统，其特征在于工作方法包括如下步骤：

（2）星上维护中心向星上集中控制中心发出天线故障指令；

7.如权利要求5或6所述的卫星可切换极化通信系统，其特征在于：极化模式切换由地面指挥控制中心发起，决策依据不变，信令流程为逆过程。

8.一种卫星极化切换通信方法，其特征在于：包括星上集中控制中心、模式切换管理子系统和天线子系统，天线子系统包含两副单极化天线或者一副双极化天线，通信方法包括以下步骤：

（7）卫星和地面之间建立新的通信链路；

9.一种卫星极化切换通信方法，其特征在于：包括星上集中控制中心、模式切换管理子系统、星上维护中心和天线子系统，天线子系统包含两副单极化天线或者一副双极化天线，通信方法包括以下步骤：

（2）星上维护中心向星上集中控制中心发出天线故障指令；

10.如权利要求8或9所述的卫星极化切换通信方法，其特征在于：极化模式切换由地面指挥控制中心发起，决策依据不变，信令流程为逆过程。