CN103718583B - 经由频谱片断提供安全数据传输的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于安全地传输数据流的系统、方法和设备，将数据流划分为多个子流；将每个子流与相应的频谱片断相关联；加密所述子流中的至少一些；以及调制每个子流以提供适用于经由相应的频谱片断传输的相应的已调制信号。

Description

经由频谱片断提供安全数据传输的系统和方法
申请相关的交叉引用
本申请是2011年3月4日提交的名为“片断无线频谱的虚拟聚合”的美国专利申请No.13/040,458（代理人案号809125）的部分延续，该申请通过引用而全部并入于此。本申请也是2012年4月17日提交的名为“经由频谱片断提供可恢复数据传输的系统和方法”的美国专利申请No.13/499,170（代理人案号809615）的部分延续，而该申请又是2011年3月4日提交的名为“片断无线频谱的虚拟聚合”的美国专利申请No.13/040,458（代理人案号809125）的部分延续，这些申请通过引用而全部并入于此。
本申请要求享有2011年5月16日提交的名为“使用无线信号聚合的增强安全性”的美国临时专利申请No.61/486,489（代理人案号809662L）、2011年5月16日提交的名为“使用无线信号聚合的有效故障恢复支持”的美国临时专利申请案号61/486,597（代理人案号809663L）以及2011年8月15日提交的名为“不相交重复传播频谱”的美国临时专利申请案号61/523,678（代理人案号810305L）的优先权，这些申请通过引用而全部并入于此。
技术领域
本发明通常涉及通信网络，并且更具体地但是并非排他性地涉及点对点以及点对多点通信网络和回程链路。
背景技术
传统的无线系统假定可利用带宽与将要传输的数据量成比例的连续频谱块。因此传输系统是针对具有典型或者平均使用情形的最坏带宽需求而设计的，而在一些情形下，需要非常少的带宽（也即频谱）。
在卫星通信系统和其他点对点通信系统的场合内，分配给用户的可用频谱可能变成在时间上片断化，这导致在分配的频谱块之间存在未使用的块。当未使用的频谱块太小时，需要在用户之间重新分配频谱或者将用户从现有的频谱分配“移动”至新的频谱分配，以使得未使用频谱块可以合并为单个频谱区域。不幸地，这种重新分配是非常破坏性的。
发明内容
本发明的系统、方法和设备致力于现有技术的各种缺陷，以便改进安全性、对于干扰的弹性以及数据传输系统中的带宽利用。特别地，通过将数据流划分为多个子数据流，将每个子流与相应的频谱片断相关联，加密至少一些子流，以及调制每个子流以提供适用于经由相应的频谱片断传输的相应的已调制信号，各种实施例提供了用于安全传输数据流的系统、方法和/或设备。
在各种实施例中，每个已加密的子流与相应的加密密钥相关联。在多个实施例中，至少一些已加密的子流与共用加密密钥相关联。在多个实施例中，用于加密子流的加密密钥在每个会话中被改变。在多个实施例中，该加密包括根据产生的索引值从加密密钥表中选择加密密钥。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细说明可以容易地理解本发明的教导，其中：
图1描述了根据一个实施例的通信系统的方框图；
图2描述了有助于理解本发明实施例的频谱分配的示意图表；
图3描述了适用于多个实施例的通用计算装置的高级方框图；
图4至图6描述了根据多个实施例的方法的流程图；
图7至图9描述了根据多个实施例的通信系统的方框图；
图10描述了适用于多个实施例的分片器/解复用器的高级方框图；
图11描述了根据一个实施例的方法的流程图；
图12描述了得益于多个实施例的系统的高级方框图；
图13描述了根据一个实施例的方法的流程图；
图14A和图14B描述了有助于理解多个实施例的频谱分配的示意图表；以及
图15描述了根据一个实施例的方法的流程图。
为了便于理解，尽可能使用相同的附图标记以标识附图所共用的相同元件。
具体实施方式
将主要在卫星通信系统的范围内描述本发明。然而，本领域技术人员以及在此受到教导的人员将认识到本发明也适用于得益于灵活频谱分配的任何系统，诸如微波通信系统、无线通信系统等等。
一个实施例提供了一种有效的和通用的技术以用于将无线频谱的多个片断块聚合成为一个连续的虚拟块以使得累积的带宽几乎等于构成块的带宽的总和。片断块可选地被诸如保护块、其他部分所拥有的块、地区或者国家的无线频谱管理部门所禁止的块等的频谱块相互分离。
图1描述了得益于多个实施例的通信系统的方框图。图1的通信系统100包括点对点链路，该点对点链路包括虚拟频谱聚合器发射器110、功率放大器120、卫星上行链路130、卫星140、卫星下行链路150、虚拟频谱聚合器接收器160以及可选地控制模块170。将要在点对点链路之上传输的数据可以作为数据包D的流而被提供，诸如188字节的传输流（TS）数据包、64-1500字节的以太网数据包等等。指定的数据包结构、在数据包结构内传输的数据等等易于适用于在此描述的多个实施例。
输入数据流D由虚拟频谱聚合发射器110接收，在此处由分片器/解复用器111处理以提供N个子流（D0…DN-1），其中N对应于标识为S0、S1等等直至SN-1的频谱片断的数目。
如图1中所示，N＝3使得分片器/解复用器111将输入数据流D分片、多路分解和/或划分为标识为D0、D1和D2的三个子流（示意性）。
子流D0、D1和D2的每一个耦合至相应的调制器112（也即调制器1120、1121和1122）。调制器1120、1121和1122的每一个调制他相应的子流D0、D1和D2以提供将由相应的频谱片断S0、S1和S2所承载的对应的已调制信号。
调制器112可以包括具有相同特性或者具有不同特性（诸如波形类型特性、星座图、正向纠错（FEC）设置等等）的调制器。可以根据业务的特定类型（例如流媒体、非流媒体等等）、与其对应频谱片断Si相关联的特定信道和/或其他准则，来优化每个调制器。
通常而言，由分片器/解复用器111分配至任何子流Di的数据量正比于对应频谱片断Si的数据承载容量。在多个实施例中，子流Di的每一个包括相同的数据量，而在其他实施例中各种子流Di可以包括不同量的数据。
如图1所示，第一调制器1120提供了与第一频谱片断S0相关联的6MHz信号；第二调制器1121提供了与第二频谱片断S1相关联的1MHz信号；以及第三调制器1122提供了与第三频谱片断S2相关联的1MHz信号。
频率多路复用器（也即信号组合器）113进行操作以组合已调制信号从而产生组合的已调制信号Sc，该已调制信号Sc通过上变频器114而被调制到载波信号上，以提供已调制的载波信号C。应该注意的是，多个频率多路复用器/信号组合器113可以用于多路复用将要经由共用转发器、微波链路、无线信道等等传输的相应组的已调制信号。
在图1的实施例中，与已调制载波信号C相关联的频谱被逻辑地或者虚拟地划分为用于传输已调制数据子流的多个频谱片断。频谱片断分配表或者其他数据结构用于关注哪个频谱片断已定义、哪个频谱片断在使用（并且由哪个数据子流所使用）、以及哪个频谱片断可用的记录。通常而言，每个转发器/传输信道可以被划分为多个频谱片断或区域。这些频谱片断或区域中的每一个可以被指定给指定的数据子流。可以根据特有或者共用的调制技术调制每个数据子流。
如图1所示，使用单个卫星转发器，并且因此在上变频和经由单卫星信号传输之前由频率多路复用器113组合所有的已调制信号。在多个实施例中，可以在一个或多个卫星内使用多个转发器。在这些实施例中，仅那些有待经由卫星内共用转发器而被传输的已调制信号被组合并且随后一起被频率转换。在多个实施例中，独立地传输调制波形。
上变频器114所产生的已调制载波信号C由功率放大器120放大并且经由卫星上行链路130而传输至卫星140。卫星140将包括了已调制子流D0、D1和D2的已调制载波信号传输至卫星下行链路150，卫星下行链路150将信号传播至虚拟频谱聚合器接收器160。
虚拟频谱聚合器接收器160包括将来自接收到的载波信号C’的已组合频谱片断信号Sc’进行下变频的下变频器（165），以及操作以将频谱片断S0’、S1’和S2’与已组合频谱片断信号Sc分离开的频率解复用器（164）。
每个频谱片断S0’、S1’和S2’耦合至分离的解调器（也即解调器1620、1621和1622），每个解调器1620、1621和1622解调他的相应频谱片断S0’、S1’和S2’以提供对应的已解调子流D0’、D1’和D2’。
组合器161处理已解调的子流D0’、D1’和D2’以产生代表了由虚拟频谱聚合器发射器110始处理过的输入数据流D的输出数据流D’。应该注意的是每个解调器162以与其对应的调制器112兼容的方式工作。
可选地，虚拟频谱聚合器接收器160包括缓冲器1660、1661和1662，该缓冲器提供对于各种已解调子流的弹性缓冲功能以使得可以在组合子流之前避免由与各种子流相关联的不同传播延迟所导致的对准误差。166标识的缓冲器描述用作布置在解调器（162）与组合器（161）之间的功能元件。在各个实施例中，缓冲器166或者它们的功能等同装置包括在组合器161中。例如，组合器161可以包括单个缓冲器，该单个缓冲器从所有解调器（162）接收数据并且随后重新排列数据以作为输出流D’。数据包ID和/或子流内的其他信息可以用于此目的。
可选的控制模块170与元件管理系统（EMS）、网络管理系统（NMS）和/或适用于管理执行此处参照图1所描述的功能的网络元件的其他管理或者控制系统进行交互。控制模块170可以用于配置各个调制器、解调器和/或在此参照图1描述的所述元件内的其他电路。此外，控制模块170可以相对于其被控制的元件远程定位，定位为靠近传输电路，定位为靠近接收器电路等等。控制模块170可以实施作为被编程为执行诸如在此所描述的特定控制功能的通用计算机。在一个实施例中，控制模块170适用分别经由第一控制信号TXCONF和第二控制信号RXCONF对虚拟频谱聚合器发射器110和虚拟频谱聚合器接收器160的配置和/或操作。在该实施例中，在多个发射器和接收器的情形下可以提供多个控制信号。
图2描述了有助于理解本发明实施例的频谱分配的示意图表。具体地，图2图式性描述了36MHz频谱分配，其中第一用户被分配了频谱的第一部分210，示意性为单个10MHz块；第二用户被分配了频谱的第二部分220，示意性为单个8MHz块；第三用户被分配了频谱的第三部分230，示意性为单个10MHz块；以及第四用户分被配了频谱的第四部分240，示意性为包括第一1MHz块2401、第二1MHz块2402和6MHz块2403的三个非连续频谱块。
在此讨论的各个实施例的上下文中，与第四用户相关联的数据流被划分为在单个6MHz频谱片断中的两个不同的1MHz频谱片断，每个基本上以参照图1所述相同的方式来处理。
图3描述了适用于在此所述各个实施例中的通用计算装置300的高级方框图。例如，图3中所示的计算装置300可以用于执行适用于实施将在此所述的各个发射器处理功能、接收器处理功能和/或管理处理功能的程序。
如图3所示，计算装置300包括输入/输出（I/O）电路310、处理器320和存储器330。处理器320耦合至I/O电路310和存储器330的每一个。
存储器330被描述为包括缓冲器332、发射器（TX）程序334、接收器（RX）程序336和/或管理程序338。存储器330中存储的特定程序取决于使用计算装置330所实施的功能。
在一个实施例中，使用诸如图3的计算装置300的计算装置来实施上面参照图1所述的分片器/解复用器111。具体地，处理器320执行上面参照分片器/解复用器111所述的各种功能。在该实施例中，I/O电路310从数据源（未示出）接收输入数据并且向解调器112提供N个子流（D0…DN-1）。
在一个实施例中，使用诸如图3的计算装置300的计算装置来实施上面参照图1所述的组合器161。具体地，处理器320执行上面参照组合器161所述的各个功能。在该实施例中，I/O电路310从解调器162（可选地经由缓冲器166）接收已解调的子流D0’、D1’和D2’，并且提供代表了由虚拟频谱聚合器发射器110初始处理过的输入数据流D的输出数据流D’。
在一个实施例中，使用诸如图3的计算装置300的计算装置来实施上面参照图1所述的可选的控制模块170。
尽管主要计算机装置被示出并且描述为具有部件的特定类型和设置，但是应该理解的是，任何其他合适类型和/或设置的部件也可以用于计算装置300。可以以适用于实施在此描述的各个功能的任何方式来实施计算装置300。
应该理解的是图3所示计算机300提供了适用于实施在此所述功能元件和/或在此所述功能元件的一部分的通用体系结构和功能性。在此所示出和所描述的函数可以以软件和/或硬件实施，例如使用通用计算机、一个或多个专用集成电路（ASIC）、和/或任何其他硬件等同装置。
可以预期的是，在此所述作为软件方法的一些步骤可以例如作为与处理器协同工作以执行各个方法步骤的电路而在硬件内实施。在此所述的功能/元件的一部分可以作为计算机程序产品实施，其中当由计算机所处理时，计算机指令适应执行计算机的操作以使得调用或者以其他方式提供了在此所述的方法和/或技术。用于调用本发明方法的指令可以存储在固定或者可移动介质中，经由广播或其他信号承载介质中的数据流而传输，经由有形的介质传输和/或存储在根据指令操作的计算机装置内的存储器中。
图4描述了根据一个实施例的方法的流程图。具体地，图4的方法400适用于诸如参照图1如上所述处理用于的数据流D。
在步骤410处，诸如由虚拟频谱聚合器发射器110接收来自一个或多个用户的包括数据的数据流。
在步骤420处，将已接收的数据流划分为N个子流，其中每个子流与相应的频谱片断相关联。参照步骤425，可以单独或者任意组合而使用以下准则的任一个来执行将数据流划分为子流：按照用户，按照片断，针对数据类型，固定尺寸，可变尺寸，各个划分方法的组合和/或其他准则。
在步骤430处，使用相应调制器来调制每个子流。参照方框435，可以针对数据类型优化、针对信道状况优化解调器，它们共享共同特性，它们具有各种/不同特性等等。
在可选的步骤440处，当将使用相同转发器或者传输信道来传输一个或多个已调制子流时，组合这些已调制的子流。
在步骤450处，上变频并且传输已调制的子流。参照方框455，上变频/传输处理可以在卫星通信系统、微波通信系统、无线通信系统/信道或其他介质的场合下。
图5描述了根据一个实施例的方法的流程图。具体地，图5的方法500适用于处理一个或多个接收到的子流，诸如参照图1如上所述的那样。
在步骤510处，接收并且下变频一个或多个已调制的子流。参照方框515，可以经由卫星通信系统、无线通信系统、无线通信系统/信道或其他介质接收一个或多个已调制子流。
在步骤520处，分离之前在发射器处组合的任何子流以提供单独的子流，并且在步骤530处，使用相应合适的解调器来解调每个单独的子流。
在步骤540处，选择性地延迟一个或多个已调制子流以使得可以在时间上对准得到的已调制数据流。
在步骤550处，组合已调制和选择性延迟的子流以提供得到的数据流，诸如代表了由虚拟频谱聚合器发射器初始处理过的输入数据流D的数据流D’。
图6描述了根据一个实施例的方法的流程图。具体地，图6的方法600适用于各个实施例配置各个发射器和接收器参数。
在步骤610处，接收到用于传输用户数据的请求。参照方框615，请求可以提供特定带宽、特定数据速率、特定数据类型、特定调制类型和/或描述与用户数据传输请求相关联的带宽和/或服务需求的其他信息。
在步骤620处，对于适用于满足用户数据传输请求的频谱分配做出确定。
在步骤630处，对于与准则相关的任何特定频谱是否适用于满足用户数据传输请求做出确定。参照方框635，这种与准则相关的频谱可以包括最小带宽块尺寸、对于连续带宽块的需求和/或其他准则。
在步骤640处，标识可用的频谱片断。参照步骤645，可以相对于分配表、管理系统和/或这种信息的其他来源做出对可用频谱片断的识别。在一个实施例中，分配表限定了与由卫星通信系统所服务的每个用户相关联的频谱分配；也即，每个用户的带宽分配、支持带宽的转发器、支持转发器的卫星等等。此外，对于每个卫星的每个转发器以尺寸和频谱区域的形式限定了可用的频谱片断。
在步骤650处，分配可用的频谱片断以满足用户数据传输请求。参照方框655，可用的频谱片断可以分配为可用，对于用户优化，对于载波优化，优化以减小频谱片断数量，优化以提供弹性或者冗余，和/或基于其他准则优化。
在步骤660处，配置发射器/接收器系统以提供调制器/解调器的正确数目和类型，以支持用户数据传输请求并且适用于发出请求的用户和/或其他用户的频谱片断分配的任何改变。也即，基于优化和/或其他准则，合适的是修改多个用户的频谱片断分配以优化以有利于特定用户、服务提供者等等。
在步骤670处，适当地更新帐单数据、服务协议等等。在步骤680处，更新系统配置、法律条款和/或其他管理数据。
在各个实施例中，将在不同卫星转发器和/或不同卫星上可用的频谱片断聚合以形成虚拟连续块。在其他实施例中，多个转发器的整个带宽用于在卫星链路之上支持高数据速率管道（例如OC-3/12c）。
图7至图9描述了根据各个实施例的通信系统的方框图。图7至图9中所述通信系统内各个部件的每一个基本上以如上参照图1所述的通信系统内对应部件相同的方式而操作。例如，在图7至图9的每个实施例中，由虚拟频谱聚合器发射器110接收输入数据流D，由分片器/解复用器x11处理该输入数据流以提供N个子流（D0…DN-1），其中由相应调制器x12调制N个子流的每一个。以下将详述各个图之间的其他不同和类似处。
图7描述了单个转发器实施例，其中单个转发器被用于转发标识为流A、B、C和D的多个数据流的每一个。图7A描述了系统的上行链路部分，而图7B描述了系统的下行链路部分。
参照图7A，由相应的调制器712调制数据流A、B和C以产生相应的已调制流，相应的已调制流随后由第一信号组合器1131组合以提供已组合已调制信号ABC。
由分片器/解复用器711处理数据流D以提供N个子流（D0…DN-1），这N个子流随后由相应的调制器712（也即调制器7120、7121和7122）调制以提供将要由相应频谱片断S0、S1和S2所载波的对应的已调制信号。由第二信号组合器7132组合对应的已调制信号，以提供已组合的已调制信号DDD，由第三信号组合器7133将DDD与已调制信号ABC组合。由上变频器714将得到的已组合已调制信号进行频率转换，以产生载波信号C，载波信号C由功率放大器720放大并且经由卫星上行链路730朝向卫星740传输。
参照图7B，卫星740将包括已调制流A至D的已调制载波信号传输至卫星下行链路750，卫星下行链路750将信号传播至下变频器765。由频率解复用器1643处理已下变频的信号，频率解复用器1643进行操作以将信号分离为ABC和DDD信号组分。
ABC信号组分由第二频率解复用器7641分离以恢复已调制信号并且由相应解调器752解调。
DDD信号组分由第三频率解复用器7642分离以恢复已调制信号，该已调制信号由相应解调器752解调。
由组合器761处理已解调子流D0’、D1’和D2’以产生代表了输入数据流D的输出数据流D’。应该注意的是每个解调器162以与其对应的调制器112兼容的方式来操作。
图8描述了双转发器实施例，其中第一转发器用于传输标识为流A、B和C的多个数据流的每一个以及与数据流D相关联的三个子流的两个，而第二转发器用于传输标识为E和F的多个数据流的每一个以及与数据流D相关联的第三子流。图8A描述了系统的上行链路部分，而图8B描述了系统的下行链路部分。
参照图8A，分别由相应调制器812调制数据流A、B、C、E和F，以产生相应的已调制数据流。
由相应的调制器812调制数据流E和F以产生相应的已调制信号。
由分片器/解复用器711处理数据流D以提供N个子流（D0…DN-1），这N个子流随后由相应调制器712（也即调制器7120、7121和7122）调制以提供将要由相应频谱片断S0、S1和S2所承载的对应的已调制信号。
由第一信号组合器8131组合与数据流A、B和C相关联的已调制信号以提供已组合的已调制信号ABC。
由第二信号组合器8132组合与子流D0和D1相关联的已调制信号，以提供已组合的已调制信号D12。
由第一信号组合器8131和第二信号组合器8132信号组合器产生的已组合的已调制信号随后由第三信号组合器8133组合并且由第一上变频器8141进行频率转换以产生第一载波信号C1。
与子流D3以及流E和F相关联的已调制信号由第四信号组合器8133组合并且由第二上变频器8142进行频率转换以产生第二载波信号C2。
C1和C2载波信号由第四信号组合器8134组合，由功率放大器820放大，并且经由卫星上行链路830的相应转发器（A和B）朝向卫星840传输。
参照图8B，卫星840经由相应转发器（A和B）将包括了已调制流A至F的两个已调制载波信号传输至卫星下行链路850，卫星下行链路850传播信号至下变频器865。由频率解复用器8644将已下变频的信号分离为其两个载波信号。使用864标识的各个解复用器、862标识的解调器以及组合器861处理两个载波信号，以产生代表了输入数据流A至F的各个输出数据流A’至F’。
图9描述了双卫星实施例，其中一个卫星（9401）用于传输标识为A、B和C的多个数据流，以及与数据流D相关联的三个子流的两个。第二卫星（9402）用于传输标识为E和F的多个数据流，以及与数据流D相关联的第三子流。图9A描述了系统的上行链路部分，而图9B描述了系统的下行链路部分。
参照图9A，以与如上参照图8A所述的基本上相同的方式处理数据流A、B、C、E和F，除了两个载波信号并未组合用于经由单个卫星的相应转发器传输之外。相反，图9示出了由分离的功率放大器（9201和9202）放大并且分别使用上行链路9301和9302传输至卫星9401和9402的两个载波信号。
参照图9B，两个卫星940经由相应下行链路950传输包括已调制流A至F的它们相应已调制载波信号，相应已调制载波信号随后将被发送至相应的下变频器965。使用解复用器（964）、解调器（962）和组合器（961）处理两个已下变频的载波信号，以产生代表了输入数据流A至F的输出数据流A’至F’。
图10描述了适用于在此所述的各个实施例的分片器/解复用器的高级方框图。具体地，图10的分片器/解复用器1000包括数据包封装器1010、包括缓冲存储器1022的主调度器1020、以及包括缓冲存储器1032的多个从调度器1030。
数据包封装器1010操作以将从数据流D接收的数据包封装为具有预定或者标准化格式的数据包结构。当可以使用多个封装数据包格式时，重要的是在系统的下行链路侧的组合器被配置为根据在系统的上行链路侧的分片器/解复用器所使用的封装格式，组合数据包。
在一个实施例中，封装数据包包括188字节数据包，具有185字节有效载荷部分和3字节头部部分。数据包封装器1010从原始数据流D提取了185字节部分的序列，并且封装每个提取的部分以形成封装数据包（EP）。每个封装数据包的头部部分存储了与有效载荷数据相关联的用户序列号，以使得可以由组合器重构数据流的185字节部分的序列，诸如如上参照各个附图所述。
在一个实施例中，用户序列号包括14比特数字，该14比特数字连续递增并且用于标记数据包封装器1010所提供的已封装数据包。在一个实施例中，由数据包封装器1010提供的数据包的头部部分包括存储十六进制的47的第一字节（也即47h），接下来是2个零比特，然后是与用户序列号相关联的14个比特。
当传输的聚合数据速率更高时，可以使用更大的序列号字段（例如24或32位）。序列号字段的尺寸与如上在各个附图中所述在接收组合器元件处发生的缓冲的量相关。继而，缓冲器的尺寸与最大子流带宽与最小子流带宽的比例相关。因此，各个实施例可以基于总聚合带宽和/或最高与小带宽子流的比例，来调整序列号字段尺寸（以及导致的总开销）。
在各个实施例中，使用比188字节更多或者更少的字节来构造封装数据包。在各个实施例中，使用比3个字节更多或者更少的字节来构造封装数据包头部。例如，通过向用户序列号分配额外的头部比特，可以使用更大的用户序列号。在该情形下，减小了在接收器处处理具有相同序列的两个封装数据包的可能性。
在此所述实施例中，188字节的固定数据包尺寸用于封装数据包。然而，在各个实施例中，不同固定尺寸数据包和/或不同可变尺寸数据包可以用于不同子流，只要这些数据包与用于那些子流的相应调制器的输入接口兼容。
主调度器1020将已封装数据包路由至各个从调度器1030。从调度器1030接着发送它们的数据包至分片器/解复用器的相应输出端口，由此示意性地向调制器或其他部件提供了相应的子流。
通常而言，每个从调度器1030接收符合赋值至该调度器的频谱片断带宽的数据包。因此，服务于1MHz频谱片断信道的从调度器接收以如下数据速率接收数据包，该数据速率大约是服务于10MHz频谱片断或区域的从调度器接收数据包的数据速率的1/10。
主调度器1020与从调度器1030通信，以识别哪个从调度器1030能够（或者应当）接收下一个已封装数据包。可选地，主调度器1020接收来自从调度器1030的状态和其他管理信息，并且该状态信息的一些可以传播至各个管理实体（未示出）。
在一个实施例中，从调度器1030向主调度器1020提供指示接收数据包能力的控制信号。在一个实施例中，主调度器1020以循环复用方式向从调度器1030分配数据包。在一个实施例中，基于用户和/或服务提供者需求而优选指定的传输信道或者频谱区域，对由主调度器1020进行的已封装数据包的分配加权，有利于向服务了优选的传输信道的那些从调度器1030提供更多的已封装数据包。
在一个实施例中，每个从调度器与预定带宽相关联，或者与同对应的频谱片断相关联的信道容量的其他标识符相关联。在该实施例中，主调度器1020根据每个从调度器1030的加权分派而路由数据包。
通常而言，主调度器根据随机路由算法、循环复用路由算法、用户优选算法和服务提供者优选算法的一个或多个来路由数据包。可以通过将权重因子与每个调制器、频谱片断、通信信道（例如转发器、微波链路、无线信道等）等等相关联而调节这些路由。例如，优选的频谱片断可以包括具有最小或最大尺寸的片断、与相对低错误或者相对高错误信道相关联的片断、与优选的通信类型（例如卫星、微波链路、无线网络等等）相关联的片断、与优选的用户相关联的片断等。加权信道、通信系统、频谱区域等的其他装置也可以用于各个实施例的设备环境内。
图11描述了根据实施例的方法的流程图。在步骤1110处，从数据流D接收数据包。在步骤1120处，封装已接受的数据包。参照步骤1125，数据包可以包括185字节有效载荷和3字节的头部数据包。在本发明实施例的场合内，可以使用具有不同序列号字段尺寸和/或额外控制信息的其他头部格式。
在步骤1130处，示意性地由主调度器1020、数据包封装器1010内分离的缓冲器（未示出）等来缓冲已封装数据包，
在步骤1140处，由主调度器1020将封装器数据包转发（或者使得其被转发）至从调度器1030。
在此所述的各个实施例中，每个已封装数据包作为相应子流的一部分耦合至相应的调制器。然而，在适用于提供提高数据弹性和/或备份的实施例中，已封装数据包可以耦合至多个调制器以作为多个相应子流的一部分。在这些实施例中，与已封装数据包相关联的序列号保持相同。
在这些实施例中，接收器将处理具有合适序列号的第一已封装数据包（或者无错误已封装数据包），并且忽略具有相同序列号的其他数据包。也即，当在接收器重排封装数据包时，丢弃那些序列号与最近排序封装数据包的序列号匹配的封装数据包。因为序列号是循环的或者重复的（例如在14位序列号情形中每16,384个封装数据包重复），其序列号与在数千个数据包之前已处理的封装数据包相同的封装数据包像是之前已处理的封装数据包的副本，并且因此应当作为冗余而抛弃或者丢弃。
在此所述的各个实施例提供了频谱的不相交块的动态频谱聚合，以使得可以随着用户带宽需求改变而向现有频谱分配添加或者从中减去频谱。此外，可以将小的或者孤立的频谱块（也即那些太小而通常无法使用的频谱）虚拟地组合以形成带宽的更大块。
上述实施例具有多个优点，包括改进的系统弹性，因为任何一个频谱片断的损失可能并未引起服务的完全损失。此外，当频谱片断跨过多个转发器被映射时，任何一个转发器的损失不会导致服务的完全损失；相反，提供了服务的得体退化。利用连续频谱的老旧/已有调度能够仅使用一个转发器，这成为潜在的单点故障。
干扰减缓和改进的弹性
为了以下讨论的目的，假设传输机制利用了四个载波，S0…S3（尽管可以使用不同数目的载波）。此外，假设载波在频域中是分立的（并非相邻）以使得任何信号干扰潜在地仅影响分片的子集（并非全部）。最终，假设对于接收器可用的控制信号将有关信号状态的反馈提供至发射器。这些假设也可以适用于在此参照各个附图所述的各个其他实施例。
当分片Si（0<＝i<＝3）受到干扰的影响时，接收点注意到分片的C/N（载波与噪声比）的降低。其使用控制信道告知传输侧关于该降低。发射器随后降低FEC比率（通过将比率从例如3/4改变至2/3来使得FEC更强）以使得接收器能抵抗增加的噪声。该方案称作自适应性编码调制（ACM）。
在此所述的各个实施例可以用于通过提供仅改变特定分片或一部分数据流的FEC比例的能力，而增强ACM的效率（而不是传统的改变整个载波或者数据流的FEC比例的方法）。如此方式，与传统技术相比在各个实施例中维持了更高的吞吐量。
在此所述的各个实施例提供了如果对于任何可用FEC比例而言干扰太强大而无法减轻其效应，则接收器无法锁定载波（例如载波S2）并且告知发射器关于该损失。发射器在载波S1、S3和S4之上再次路由数据。有效地，“旁路”频谱分片S2并且维持了服务虽然在较低吞吐量。与传统的单载波方案相反，更强的干扰将完全削弱引起服务完全损失的载波。
在此所述的各个实施例提供了与先前已知的不同的载波设置。具体地，与信号由大量相互相邻的子载波构成的传统OFDM系统不同，各个实施例提供了分立的并且频谱不相邻的载波。如此方式，在各个分片中大大削弱了强干扰对于前端饱和或者通频带的影响。
在此所述的各个实施例使得分片转移或者重路由至频谱的不同部分以抵抗干扰，导致以吞吐量轻微减小的代价而完全恢复服务。
在此所述的各个实施例使得在存在强干扰时实现了无中断输送。例如，一些实施例将诸如S0和S1的载波的子集配置作为保护群组以使得S0或S1受损、但是并非同时受损，而导致没有数据损失。在此情形下，S2和S3可以作为独立载波连续操作而不是任何保护群组的部分。备选的，它们可以分组为第二保护群组以相互保护。作为第三备选例，多于两个载波，例如S0…S2可以形成保护群组而S3保持独立。推论到极端情况，所有四个载波可以是保护群组的一部分以用于抵抗广泛分布的干扰等等。灵活度是极大的并且可以精细调整配置结构以最有效的处理特定类型干扰。
在此所讨论的各个实施例使得能够动态地添加和删除载波以进一步改进诸如因设备失效和/或干扰而引起的弹性。例如，系统可以采用独立作用（也即并非构成保护群组）的两个载波S0和S1，而如果S0或S1被削弱则第三载波S2可以稍后添加在可用频谱的区域中。在一个实施例中，第三或者备用载波（例如S2）可以配置作为替代载波、临时保护群组的一部分、动态形成的保护群组的一部分。
作为替代载波，备用载波（例如S2）可以配置用作对于S0或者S1任一个的“替代”载波，因此有效地取代了被削弱载波的用途。
作为临时保护群组的一部分，备用载波（例如S2）可以配置以形成与已削弱载波联合或者相关联的临时保护群组。例如，如果S1被削弱，则在S1和S2之间可以形成保护群组。S0保持独立。当削弱的起因通过恢复S1而被解决时，则可以去除S2。
作为动态形成的保护群组的一部分，备用载波（例如S2）可以配置作为现有载波之中的动态形成的保护群组的一部分，这对于抵抗瞬变干扰是有效的，该瞬变干扰影响多个载波的时间间隔的长度足以引起数据包丢失和其他削弱，但是时间间隔的长度并不足以如上所述命令业务的完全再路由。例如，假设S0…S3构成了四载波传输系统，并且S2和S3经历了按载波ACM或者再发送均无法有效地解决的瞬变干扰。在该实施例中，S2和S3被临时配对以构成DSS保护群组，而S0和S1保持独立。最终结果是以鲁棒的方式处理干扰而吞吐量的暂时减小。一旦解决了影响S2和S3削弱的根本起因，它们可以被重新配置为独立地作用。
不相交的重复扩展频谱（DRSS）
在此所述的各个技术和实施例可以适用于提供不相交的重复扩展频谱（DRSS）实施例，其提供了在无线通信信道中存在强射频（RF）干扰时有效载荷数据的“不中断”输送。例如，用于无线通信的传统技术涉及使用单载波RF信号，所述单载波RF信号具有设计用于在给定通信信道的载波-噪声（C/N）比下递送准无误（QEF）数据的错误保护编码率。在存在增大的干扰时，减小错误保护编码率（变得更强）以帮助减轻接收器处信号降低的影响。该方法的问题在于，十分强的干扰是在接收到信号的带内并且导致C/N比低于QEF阈值，这可以导致数据的完全损失，不论编码率多强。这可能是由于（除了其他原因之外）接收器前端RF下变频器电路的完全饱和，该电路包括诸如LNA、混频器和使用模拟-数字转换器（ADC）的取样电路的部件。因此，即使基于单载波系统的最佳错误编码技术也无法抵御作为带内干扰、并且大于QEF C/N阈值所提供的载波功率的干扰。
DRSS利用了多个频谱不相交载波。在DRSS技术中，在N个（N>＝2）载波之上传输原始有效载荷（P），在通常情形下，每个均已采用适用于它们相应信道状况的不同物理层方案而被编码和调制。在简单实施例中，所有载波使用相同物理层参数构造，但是在相互不相交（分离）的频谱块中传输。通常，载波并非必需是相同频谱带宽。然而，每个载波的信息承载容量（由符号率、码率、星座图、频响跌落和其他相关调制参数来确定）需要足以承载所需的有效载荷。
在发射器端，首先使用如上所述虚拟频谱聚合（VSA）技术对有效载荷（P）进行预处理并且将其划分为固定尺寸数据包（pi，i＝0、1、2…）的序列。随后VSA预处理器的输出端的每个数据包pi被复制N次，并且在所有N个载波之上传输每个副本。
在接收端，接收器从每个载波解调数据。当所有载波具有良好C/N时，接收器将恢复每个数据包pi的N个无错误副本。丢弃N-1个副本，并且对于每个i数据包pi留下一个副本。所有选定的副本被提供至接收端的VSA处理器，其中原始有效载荷P被重构并且如上所述再次被递送至其意在的接收方。
在存在强干扰时，N个载波的子集可能经受数据的完全损失。然而，只要在任何给定时间至少一个载波具有在其QEF阈值之上的C/N，则接收器将访问每个数据包pi的至少一个良好副本（在传输的N个副本之中）。这使得接收器处的VSA处理器无错误地重构了有效载荷。
在以上方案中，多个频谱不相交的载波不太可能同时受到相同干扰信号的影响，除非干扰恰巧是极宽频带的。强干扰可以导致数据完全损失直至N-1个载波，但是只要对于每个数据包Pi仍然存在能够无错误输送数据包的至少一个载波，则仍然能够完全恢复所需的有效载荷。对于频域中快速移动的干扰而言，这可以暗示着由于输送数据包pi的载波此后可能经受干扰并且可能不是适用于输送数据包pi+1的最佳载波的这一可能性，将从不同载波得到连续的数据包。
使用如参照图1至图11所述的VSA技术以及其相关描述允许多个不相交频谱分片的聚合。当DRSS用于与频谱聚合结合使用时，得到了强有力的新能力。例如，DRSS的选择性使用使得能够将载波映射至可以易于受到干扰的频谱的一部分（诸如未经许可频带）。换言之，DRSS的使用使得服务提供者通过将被聚合的载波的整个集合或其子集映射至潜在噪声频带同时仍然以高度弹性输送构成有效载荷，而开始使用噪声或未注册频带。
图12描述了得益于各个实施例的系统的高级方框图。具体地，图12描述了系统1200的高级方框图，系统1200使用上述VSA技术以示意性地聚合四个频谱分片S1-S4，这四个频谱分片包括在频谱分片S2和S3之上通信的冗余有效载荷。示例性系统1200是混合VSA/DRSS系统，使用载波S0、S1、S2和S3传输有效载荷P。示例性系统1200被描述作为利用卫星通信链路1260，尽管可以采用其他和额外类型的通信链路。
系统1200通常包括VSA预处理器、调制器/发射器、通信链路、解调器/接收器以及VSA后处理器。
VSA预处理器1210执行在此所述的各个分片功能1212、奇偶校验码功能1214、控制头部插入功能1216和调度器功能1218。VSA预处理器1210适用于将输入信号或流有效载荷P处理或者分片为示意性地标识为P0’至P3’的四个流部分或分段。如前所述，将以符合载波信号的相应频谱分片的方式调制四个流部分或者分段的每个，诸如经由通信链路传输。
调制器/发射器示意性包括四个调制器1220-1至1220－4，分别适用于调制标识为P0’至P3’的有效载荷流部分或分段以产生已调制信号S0至S3，其中已调制信号由单个组合器/多路复用器1230组合。上变频器1240和放大器1250处理得到的已组合信号，以示意性地提供适用于经由通信链路1260传输的信号。
通信链路1260被描述为包括发射器1260-T的卫星通信链路，1260-T经由卫星1260-S将传输信号发送至接收器1260-R。
解调器/接收器示意性包括从已接收卫星信号提取已调制信号S0至S3的信号分离器/解复用器1270，以及适用于解调已调制信号S0至S3并且从中检索得到有效载荷流部分或者分段P0’至P3’的四个解调器1280-1至1280-4。
VSA后处理器1290执行在此所述的各种缓冲器管理功能1291、缓冲器功能1292、无数据包删除功能1293、奇偶校验码处理器功能1294、再同步和对准功能1295、控制头部去除功能1296和组合器功能1297。VSA后处理器1290适用于示意性处理标识为P0’至P3’的四个流部分或分段以重组输入信号或流有效载荷P。
在各个实施例中，作为独立载波的频谱分片S0和S1并未使用DRSS。假设这些载波被映射至“干净”频谱，其中强干扰通常不是问题并且标准编码率（诸如LDPC3/4、5/6等等，以及诸如Reed Solomon或BCH的分组码）对于每个载波就足够的。
在各个实施例中，频谱分片S2和S3使用DRSS。换言之，在载波S3之上复制并且发送载波于S2中的有效载荷。S2和S3均使用标准编码技术（诸如LDPC3/4、5/6等等，以及诸如Reed Solomon或BCH的分组码）。该示例假设载波S2和S3将映射至具有能够引起S2或S3中数据完全损失的强干扰（例如恶意的或者无意的）的频谱。通过在S2和S3之间确保频谱间隙，使得干扰同时影响S2和S3的可能性最小化。因此，只要S2和S3均未被阈值之上的干扰影响，则可以恢复聚合后的信号。
在各个实施例中，该系统被配置以使得S0、S1和S2的聚合容量足以传输有效载荷P。类似的假设对于S0、S1和S3的聚合容量也适用。
有效载荷P被分片为小的固定尺寸数据包，并且控制头部插入在符合如上所述VSA技术的每个数据包的开始处。附加上额外的奇偶校验码以允许接收器检查头部完整性。三个分立的调度器用于分配数据包至标识为P0’、P1’和P20’的三个分立的流，S0和S1各一个调度器，S2和S3的组合群组一个调度器。P21’是P20’的副本。该调度器确保分配至每个载波的数据量并未超过其信息承载容量。
在各个实施例中，P0’、P1’、P20’和P21’被馈送至分立的调制器（分别是Mod0、Mod1、Mod2和Mod3）以产生载波S0、S1、S2和S3。在各个其他实施例中，使用复合调制器。
使用标准RF组合器组合四个载波，将其上变频至所需的频带，使用功率放大器（PA）对其放大，并且随后使用天线将其发射出去。弯管卫星发送信号至潜在的多个接收卫星。
在接收方，由四个分立的解调器解调四个载波。来自解调器的数据包在分立的缓冲器中排队（每个解调器一个）。这是必需的，因为四个载波的传播延迟可能大大不同并且可以随着时间而改变。去除空包（例如如果使用DVB-S或DVB-S2作为物理层标准由调制器时引入的空包），并且检查奇偶校验码以检测并且校正四个数据包流校正处理所必需的控制头部信息。丢弃具有不正确奇偶校验码的数据包。再同步和对准块确保正确地排序来自所有可用流的数据包，并且丢弃在载波S2或S3之上接收到的重复数据包（例如这在两个信号均具有良好C/N时将发生）。剥离控制头部并且合并数据包的有效载荷区段以产生最终的有效载荷P。
S2和S3中的干扰可以局域化至特定接收点，或者如果在传输侧存在，则将影响在所有接收方点的那些信号。在已局域化干扰的情形下，特定点可以经受部分或者完全数据损失，例如S2。在那些情形下，选择在S3之上接收到的数据包。在其他接收点处，S3可能削弱，在这种情况下选择在S2之上接收到的数据包。如果干扰是可以交替影响S2和S3的扫描者类型，则接收器诉诸于基于每个数据包而在两个载波之间进行切换。
系统1200被描述作为使用弯管卫星通信链路1260。然而，在各种其他实施例中，可以使用其他类型无线网路，诸如点对多点陆地广播系统或者用于网络回程的点对点微波系统。更通常，系统可以有效地应用于在无线信道之上任何数据有效载荷（无论同步或者分包化）的传输。
在又一实施例中，经由备选的网络1265传输一个或多个已调制信号，诸如光学网络、IP网路或者其他有线网络。
实施例的各个优点包括显著更高的频谱使用效率以及使用那些太小而无法使用的孤立频谱片断的能力。各个实施例适用于卫星应用、诸如那些用于弯管卫星通信（SatCom）应用的点对点无线链路、诸如使用微波塔提供的无线回程基础结构等。
各个实施例提供了一种机制，其中可以通过将额外的带宽块“附加”至已经使用的那些带宽块来分配带宽，由此促进了用于服务提供者和消费者的“按需求付费（pay-as-you-grow）”商业模式。
在各个实施例中，卫星系统中单个转发器用于传播包括多个已调制子流的载波信号，每个已调制子流占用了相应频谱片断区域。在其他实施例中，多个载波信号经由相应的转发器传播。
在各个实施例中，微波通信系统内的单个微波链路用于传播包括多个已调制子流的载波信号，每个已调制子流占据了相应频谱片断区域。在其他实施例中，多个载波信号经由相应微波链路传播。
在各个实施例中，无线通信系统内单个无线信道用于传播包括多个已调制子流的载波信号，每个已调制子流占据相应频谱片断区域。在其他实施例中，多个载波信号经由相应无线信道传播。
使用保护群组的有效故障支持
通过将流分段为多个流分段并且经由相应频谱部分传输这些流分段，可以改进对于诸如来自恶意扫描者、泄漏设备等等的干扰的弹性。
各个实施例进一步通过复制流分段并且经由不同频谱区域、可选地使用不同调制技术调制/传输已复制流分段来改进弹性。在一些实施例中，如上所述，可以由有线通信链路传输原始或者复制的流分段。
各个实施例进一步通过提供分段级保护群组来改进弹性，其中在备份频谱区域内响应于第一频谱区域内超过阈值水平的信道削弱而调制/传输在第一频谱区域内已调制/传输的流分段。在各个实施例中，备份频谱区域包括与较低优先权数据流分段相关联的频谱区域。在各个实施例中，根据数据类型、用户、服务水平协议（SLA）特性和/或其他准则指定优先权。
在各个实施例中，不是分配活跃频谱块以及保持未用的备份频谱的另一大小相等块，而是利用若干更小的频谱块。频谱块可以分配至相同或者不同的卫星（或其他无线通信机制）、相同或者不同的转发器等等。为了示例性目的，假设每个更小频谱块的带宽容量是相同的，尽管这并非各个实施例所必需的。在备份频谱块或区域的范围内，备份频谱块或区域应该至少与最大的频谱块或区域一样大。在频谱块或区域具有相同尺寸的情况下，备份频谱块或区域也具有相同尺寸。
在各个实施例中，在发射器处接收诸如信道状态反馈的信息。参照图12，可以经由天线网络1265或任何其他机制接收可选的状态反馈（SF）。例如，在典型卫星系统中，存在反向信道，接收器可用使用反向信道以向发射器传输代表了传输质量、错误率、缓冲器反向压力、接收器状态等等的信息。在此处所述的各个实施例中，可以采用任何已知机制以用于从接收器向发射器提供反馈或状态信息。
图13描述了根据一个实施例的流程图。具体地，图13描述了根据各个实施例的用于采用可选优先权提供增强的信道弹性的机制的流程图。在此，所述参照图13的方法可以提供在如上所述一个或多个VSA发射器处。
在步骤1310，从一个或多个用户接收一个或多个数据流。参照方框1315，一个或多个数据流可以经由卫星链路、微波链路、无线信道、有线信道和/或其他方式接收。
在步骤1320处，每个数据流被分片为多个流分段和/或子流，每个流分段和/或子流与相应频谱片断相关联，如上文参照各个实施例所述。参照方框1325，可以根据用户、固定尺寸或者可变尺寸的可用频谱片断、数据类型、信号类型和/或其他参数来限定流分段和/或子流。
在步骤1330处，选择各个调制参数、带宽分配、优先权层级和/或其他参数以用于流分段和/或子流以及它们相应的频谱片断。因此在它们相应频谱片断内调制并且传输各个流分段和/或子流。
在步骤1340处，监控与频谱片断相关联的各个信道以识别次最优信道性能，诸如信道干扰、信道减损等等。参照方框1345，这种监控可以发生在预定间隔处、在每个相关用户事件之后、在预定数目的用户事件之后或者根据一些其他调度。例如，在各个实施例中，提供中断驱动监控，其中当信道减损超过一个或多个阈值时，接收器仅传输信息至相应发射器，所述阈值诸如是可通过调适向前纠错（FEC）参数可校正的一个或多个水平、超过FEC纠正能力的水平、表示信道故障的水平等等。
在步骤1350处，根据信道性能和/或信道数据优先级级别处理次最优信道。参照方框1355，可以调适向前纠错（FEC）和/或与信道相关联的其他参数。这些调适可以基于各个阈值，诸如一个或多个干扰阈值、一个或多个减损阈值等等。在优先权级别处理的场合下（诸如其中信道显著地失效），可以经由备用信道（多个）或者与较低优先权数据相关联的信道（多个）而调制并且传输与信道相关联的流分段和/或子流。也即，调度器可以调适各个调度以优于较低优先权分段和/或子流照顾优先权分段和/或子流。
在步骤1360处，在多个频谱片断之上可选地聚合分段和/或子流，以使得它们经由多个通信信道传输。此外，可以经由不同通信网络或链路支持多个通信信道。参照步骤1365，各个链路包括诸如卫星链路或微波链路的点对点链路、诸如由各个无线信道所提供的点对多点链路、有线信道和/或其他机制的一个或多个。
响应于信道质量降低或者故障，上述步骤意在基于数据优先权调适FEC和/或其他参数的单独信道处理以及再分配信道其中之一或两者。响应于服务层级协议（SLA）、特性数据、默认载波参数选择和/或其他准则，以基本上自动化方式实施这些步骤。通常而言，以基本上自动方式操作系统，以确保尽可能有效使用优先的数据信道。不同数据流可以与不同优先权层级相关联。不同用户可以与不同优先权级别相关联。
各个实施例操作以由VSA发射器在可用频谱组块之上提供数据自动再路由，以便绕过一个或多个故障的频谱块。各个实施例进行操作以由VSA发射器提供数据自动再路由，以提供负载平衡功能或以其他方式尽可能有效地利用可用频谱块。
如前所述，可以采用各个优先化技术以确保保证输送高优先级业务，而使用在从服务高优先权业务剩余的备用带宽或见机地插入数据来输送低优先级业务。
各个实施例诸如通过使用用于分配至各个业务级别的权重公平排队（WFQ）调度器来支持多个优先权层级。
各个实施例通过使用频谱聚合提供干扰减缓。也即，当干扰（本质上是否是CW或者复杂的）使特定信道性能退化时，仅调适特定信道的FEC率以补偿该性能退化。如果干扰太强而无法单独采用更好的FEC编码率克服（或者干扰强大使得调适的FEC编码率可以使得吞吐量降低至无法接受的低水平），则必需再分配信道至不同频谱片断。特别地，各个实施例提供了干扰减缓每分片FEC率调整（取决于每个分片特定的干扰程度调整每个分片的FEC率）以及频谱分片再分配（如果特定分片内干扰太强大并且无法采用更高FEC率减缓，将该分片并非整个分片集分配给转发器的另一区域或者另一转发器而完全不影响其他分片）。
各个实施例适合于经由与数据流相关联的一些或所有数据分段的加密，而提供改进的安全性。也即，在各个实施例中，信道调制电路适用于包括加密功能，而信道解调电路适用于包括解密功能。这种加密/解密功能可以基于大型加密密钥、经常改变的加密密钥或其一些组合的使用。诸如AES的技术也可以被用在各个实施例的场合中。在此所述的VSA技术的使用即便没有加密也提供了额外的安全层级。采用加密，安全性变得极其鲁棒。
在一个实施例中，采用共用加密密钥或者技术加密每个数据分段和/或信道。在其他实施例中，采用相应加密密钥或技术加密每个数据分段和/或信道。
各个实施例意在可操作以执行在此所述的各个步骤和功能的系统、方法、设备、计算装置等等，所述步骤和功能诸如将数据流划分为多个子流；调制每个子流以提供适用于经由相应频谱分段或块传输的相应的已调制信号；对于每个频谱片断监测指示信道性能的数据；以及对于每个退化的信道，调适一个或多个相应调制参数以补偿相应的已识别信道退化。
在各个实施例中，调适一个或多个调制参数以将已识别信道退化补偿直至退化的阈值水平。可以调整FEC率和/或其他参数以实现该目的。可以在各个频谱片断或块之间维持频谱间隙。
在已识别信道的退化超过阈值水平（例如太多错误无法纠正、太多错误无法纠正并且具有足够带宽等等）或者信道简单故障的情形下，随后各个实施例操作以选择备用频谱片断供与已识别退化信道相关联的已调制信号使用。对于新选择的频谱片断或块可以需要以不同方式再调制或者调制子流。在限数目的频谱片断或块的情形下，可以在数据流和/或子流之间提供优先化。
各个实施例意在使得至少一些频谱片断或块内的复合或者多个子流，诸如通过组合两个或多个已调制子流以形成相应已组合子流，已组合子流的每一个被调制到适于经由具有的带宽与已组合子流的总有效数据率兼容的频谱片断传输的已调制信号上。
各个实施例意在使得经由通信系统内的相应信道传输载波信号。例如，卫星通信系统内相应转发器、微波通信系统内相应微波链路、和/或无线通信系统内相应无线信道可以支持一个或多个载波信号的每一个。
各个实施例意在通过将数据流的序列部分封装在相应封装数据包的有效载荷部分而将数据流划分为多个子流，其中数据流的序列部分与包括在相应封装数据包的头部部分内的相应序列号相关联；以及将相应子流内包括每个封装数据包。备选地，每个封装数据包可以包括在一个或多个子流内。可以由具有至少14位的字段表示序列号。封装数据包可以在第一字节中包括十六进制的47。
各个实施例意在一种接收器，其经由相应频谱片断接收每个已调制子流；解调每个已调制子流；以及组合多个已解调子流以恢复数据流。组合已解调子流以恢复数据流可以经由以下来提供：根据它们相应序列号排序经由一个或多个子流接收的封装数据；以及从已排序的封装数据包提取数据流的序列部分以由此恢复数据流。还提供了丢弃序列号与最近接收到的封装数据包的序列号相匹配的封装数据包。
加密和安全通信
如上所述虚拟频谱聚合（VSA）技术的使用允许在多个载波之上传输有效载荷，其中每个载波可以潜在地分散在频域中。每个载波可以采用不同密钥加密，并且与每个载波相关联的带宽也可以随机指定以使得构成载波的聚合带宽等于传输有效载荷所必需的所需带宽。
各个实施例意在使用分立加密密钥来加密、随机指定的带宽、以及散在频域中的多个载波使得该问题对于偷听者而言极大地更加复杂。可以仅采用接收器所需最小开销对于每个频谱分片连续地改变密钥以与发射器保持同步。这些实施例以数个数量级的幅度提高了总体安全强度。提高了通信信道的安全性（N的M次幂）倍，其中N是发射器和接收器所维持的查找表中密钥的数目，而M是用于虚拟聚合的频谱分片的数目。例如，四个载波和每个载波128位密钥的使用提高了计算复杂性1284倍或粗略268百万倍。
各个实施例提供了一种有效和通用的技术，用于将无线频谱的多个片断块聚合成一个连续的虚拟块以使得累积带宽几乎等于构成块的带宽的总和。各个实施例提供了动态并且连续再定位片断块或频谱分片以增强安全性。
各个实施例提供了从一个会话至下一个使用不同加密密钥来加密多个子流的每一个。在一个实施例中，与各个频谱片断一起周期性地再定位加密密钥。在其他实施例中，再定位加密密钥或者各个频谱片断。
通常而言，如上参照各个附图所述的每个转发器/传输信道可以划分为多个频谱片断或区域。这些频谱片断或区域的每一个可以被指定特定的数据子流。可以根据独有或者公用调制技术来调制每个数据子流。在各个实施例中，可以在一个或多个卫星内使用多个转发器。在这些实施例中，仅仅组合那些将要经由共用转发器传输的那些已调制信号并且随后一起进行频率转换。在各个实施例中，提供双转发器设置（例如系统的上行链路部分以及系统的下行链路部分），其中第一转发器用于传输与数据流D相关联的多个数据流的第一部分，而第二转发器用于传输与数据流D相关联的多个数据流的第二部分。尽管在此被描述为双转发器实施例，应该理解的是示例性通信系统可以包括上行链路/下行链路转发器的任何合适数目和/或组合。
在另一实施例中，双转发器设置的一个转发器用作分立的带外安全信道以通信传送变化参数，例如聚合带宽，以便配置VSA接收器。在各个实施例中，独立地传输已调制波形。
在各个实施例中，修改如上参照附图所述的分片器/解复用器以进一步包括加密功能。在各个实施例中，修改如上参照附图所述的调制器以进一步包括加密功能。在任何这些实施例中，可以使用诸如图3的计算装置300的计算装置来实施各个功能，其中与存储器和输入/输出电路协同合作的处理器执行适用于实施在此所述各个功能的软件。
在各个实施例中，修改如上参照附图所述的分片器/解复用器、VSA预处理器和/或调制器功能以进一步包括加密功能。在任何这些实施例中，可以使用诸如图3计算装置的计算装置来实施各个功能，其中与存储器和输入/输出电路协同合作的处理器执行适合于实施在此所述各个功能的软件。
在各个实施例中，修改如上参照附图所述的解调器、组合器和/或VSA后处理器功能，以进一步包括加密功能。在任何这些实施例中，可以使用诸如图3的计算装置的计算装置来实施各个功能，其中与存储器和输入/输出电路协同合作的处理器执行适用于实施在此所述的各个功能的软件。
图14A、图14B描述了有助于理解各个实施例的频谱分配的示意图。具体地，图14A图式性描述了12MHz载波，被分片为四个载波，示意性为四个非连续频谱块，包括第一3MHz块1405、第二3MHz块1410、第三2MHz块1415和4MHz块1420。每个频谱分片可以采用不同密钥加密。通过根据以下特征来得到额外安全性；也即（1）在通信会话的开始，将每个分片赋值给随机选择的频谱带宽，以使得总和等于所需的聚合带宽。潜在的偷听者随后将面临获得每个分片的频谱带宽的知识以便于重构原始信息的增添负担；以及（2）N个分片的使用使得偷听任务具有更大计算性强度。例如，如果N以及用于N个分片的密钥的集合从因会话和会话而改变，显著增强了安全性级别。
图14B图示地描述了使用四个有效频谱分片和一个未使用频谱块的随着时间的示例进展，示意性地在时间T0处有五个非连续频谱块，包括第一3MHz块1425（密钥＝K1），第二3MHz块1426（密钥＝K2），第三3MHz块1427（密钥＝K3），第四未使用3MHz块1428（密钥＝unused未使用）以及3MHz块1429（密钥＝K4）。在时间T1，块1426处的载波被重定位至块1428，从而使得块1426未使用。在时间T2，块1427处的载波被重定位至块1426，从而使得块1427未使用。注意到在时间T2处，块1425处载波所使用的密钥从K1变为K1’。密钥改变也发生在时隙T3和T4中，其中一个载波的分片转换伴随着相同或者另一载波中的密钥改变。在时间T3处，块1429处的载波被重定位至块1427，从而使得块1429未使用。用于块1427处的密钥3被替换为密钥K4’。在时间T4，块1425处载波被重定位至块1429，从而使得块1425未使用。用于载波1429的密钥4替换为密钥K1’，而用于载波1426的密钥3替换为K3’。
在此所述各个实施例的场合中，如上所述VSA方案利用了多个载波，与要求大量未使用频谱块的传统频率跳跃方案不同，瞬时VSA方案仅要求小量（例如在以上示例中为一个）额外频谱块。
图15描述了根据一个实施例的流程图。具体地，图15描述了根据各个实施例的用于提供增强的信道弹性和具有可选优先化的安全性的机制的流程图。在此参照图15所述的方法可以提供在诸如如上所述参照各个附图的一个或多个VSA发射器处，和/或用于诸如卫星链路、微波链路、无线信道、有线信道和/或其他方式的其他通信信道或链路的发射器处。具体地，在各个实施例中，对那些支持如上参照附图所述的调制器和解调器功能的功能元件修改，以进一步包括加密和解密功能。此外，加密功能可以提供在VSA预处理功能元件的范围内，而解密功能可以提供在VSA后处理功能元件的范围内。
在步骤1510处，从一个或多个用户接收一个或多个数据流。参照方框1515，可以经由卫星链路、微波链路、无线信道、有线信道和/或其他方式接收一个或多个数据流。
在步骤1520处，每个数据流被分片为多个子分段和/或子流（示意性为N个）。每个流分段和/或子流与如上所述参照各个实施例的相应频谱片断和/或链路相关联。参照步骤1525，可以根据用户、固定尺寸或可变尺寸的可用频谱片断、数据类型或信号类型、片断或链路容量、片断或链路参数和/或其他参数或准则来限定流分段和/或子流。
在步骤1530处，对于流分段和/或子流或它们相应的频谱片断或链路，选择各个调制参数、带宽分配、优先权层级和/或其他参数。因此，在它们相应频谱片断或链路内调制并且传输各个流分段和/或子流。
此外，在步骤1530处也加密了至少一些分片。参照步骤1535，相同的加密密钥可以用于所有已加密分片，相应加密密钥可以用于每个加密分片，一些私密分片可以使用相同加密密钥，而其他加密分片使用一个或更多其他加密密钥等等。此外，在各个实施例中，从密钥表中选择将要用于特定分片的加密密钥。在其他实施例中，在用于特定分片的加密时间处产生将要用于该特定分片的加密密钥。在存在用于产生加密密钥的各个其他机制时，可预期相应和/或共用加密密钥的各个其他组合。
在步骤1540处，经由它们相应频谱片断或链路朝向一个或多个接收器传输已加密/调制分片、以及任何未加密/调制分片。此外，如果需要也传输解密密钥信息。参照方框1545，可以经由带内传输信道、带外传输信道等等传输解密密钥信息。解密密钥信息可以包括特定解密密钥、与加密/解密密钥相关联的已更新表等等。
在步骤1550处，对于子流传输信道关联、信道带宽分配、加密密钥表条目、加密密钥传输手段和/或其他参数做出可选的调适。参照方框1555，可以响应于预定时间的期满、特定密钥使用的阈值数目的发生、响应于特定事件或一些其他因素而做出这些调整。
具体地，如上参照步骤1550所述的各个调适使得能够通过增大从一个或多个已加密数据分片提取相干数据所必需资源的数量而使用信道跳跃和其他机制而增强安全性。
上述步骤意在各个方法，其适于通过将流分片为多个分段、加密一些或所有这些分段、调制各个分段并且经由相应传输信道传输分段，提供数据流的安全和弹性传输。如上参照附图所述15的各个加密技术也可以用于在此参照任何其他附图所述的技术的场合内。
在一个实施例中，发射器和接收器均维持了包括大量加密密钥的查找表，其中伪随机数发生器用于索引表并且从其中提取将要用于加密或者解密数据分片分段的特定加密密钥。采用表的未加密索引来附加已加密分片以使得接收器能够成功解密分片。因此，在一个实施例中，使用适用于各个实施例的计算装置内的管理程序或其他程序来提供必需的功能以建立加密密钥查找表、如果需要的话更新加密密钥查找表、经由伪随机数发生器或其他方式产生表索引数据、以及利用从其中索引到的加密密钥来加密和/或解密感兴趣的数据分片。
在此所述的各个实施例提供了输入流的动态频谱片断以使得使用分立的密钥加密每个片断并且随机分配带宽。
上述实施例提供了大量优点，包括增强的安全性，这是因为（1）潜在的偷听者随后面临获取每个分片的频谱带宽知识以便重构原始信号的增添负担；以及（2）N个分片的使用使得偷听任务变得计算强度更大。此外，故意地并且周期性地重定位频谱分片至新中心频率，从而使得潜在偷听者更难以追踪和解码成分载波。
实施例的各个益处包括大大提高的频谱使用效率以及增强的安全性。各个实施例适用于卫星应用、诸如那些用于弯管卫星通信（SatCom）的点对点无线链路、诸如使用微波塔提供的无线回程基础结构等等。
在各个实施例中，使用卫星系统中的单个转发器用于传播包括多个已调制子流的多个载波信号，每个已调制子流占据其相应频谱片断区域。在其他实施例中，多个载波信号经由双转发器或双卫星设置中相应转发器而传播。
在各个实施例中，微波通信系统内的单个微波链路用于传播包括多个已调制子流的多个载波，每个已调制子流占据其相应频谱片断区域。在其他实施例中，多个载波信号经由相应微波链路传播。
在各个实施例中，无线通信系统内单个无线信道用于传播包括多个已调制子流的多个载波信号，每个已调制子流占据了其相应频谱片断区域。在其他实施例中，多个载波信号经由相应无线信道传播。
可以使用计算机程序产品来实施与各个实施例相关联的方法或技术，其中该计算机程序产品包括在其上存储有计算机可读指令的非临时计算机可读存储介质，所述计算机可读指令可由计算机化装置运行以使得计算机化装置执行所述方法或技术。
尽管前述说明针对本发明中的各个实施例，但是可以在不脱离本发明的基本范围的情况下得出本发明的其他和进一步实施例，并且本领域技术人员可以容易地得出仍旧体现了这些教导的许多其他变化的实施例。因而，本发明的合适范围要根据以下权利要求书来确定。

Claims (10)

1.一种用于经由频谱片段提供安全数据传输的方法，包括：
将数据流划分为多个输出子流，每个所述输出子流与第一载波信号的相应频谱片断相关联，并且具有与所述相应频谱片断的带宽兼容的数据速率，其中所述相应频谱片断是多个频谱片断中适用于与所述输出子流相关联使用的一个频谱片断，其中所述多个频谱片断中的所述相应频谱片断是相对于所述多个频谱片断的非连续频谱块并且至少通过并未包括在所述多个频谱片断中的所分配频谱块而与所述多个频谱片断中的任何其他频谱片断分隔开；
加密所述输出子流中的至少一些；以及
调制每个输出子流以提供适用于经由所述第一载波信号的相应频谱片断传输的相应已调制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个加密的输出子流与相应加密密钥相关联。
3.根据权利要求1所述的方法，其中已加密的所述输出子流中的至少一些与公共加密密钥相关联。
4.根据权利要求1所述的方法，其中用于加密输出子流的所述加密密钥在每次会话中改变。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述加密包括根据经由伪随机数发生器所产生的生成索引值，从加密密钥表中选择加密密钥。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，周期性地更新所述加密密钥表。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，响应于预定的时间周期的期满、加密密钥使用的阈值数目的出现、以及预定事件的发生其中的至少一个，调整输出子流频谱片断关联。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频谱片断中的一些与经过上变频的所述第一载波信号的相应部分相关联，以及所述频谱片断中的一些与经过上变频的第二载波信号的相应部分相关联，其中使用不同的点对点链接来传输所述第一载波信号和所述第二载波信号。
9.一种用于经由频谱片段提供安全数据传输的系统，包括：
处理器；以及
存储器，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令由处理器执行时，使得所述系统执行操作，所述操作包括：
将数据流划分为多个输出子流，每个所述输出子流与第一载波信号的相应频谱片断相关联，并且具有与所述相应频谱片断的带宽兼容的数据速率，其中所述相应频谱片断是多个频谱片断中适用于与所述输出子流相关联使用的一个频谱片断，其中所述多个频谱片断中的所述相应频谱片断是相对于所述多个频谱片断的非连续频谱块且至少通过并未包括在所述多个频谱片断中的所分配频谱块而与所述多个频谱片断中的任何其他频谱片断分隔开；
加密所述输出子流中的至少一些；以及
调制每个输出子流以提供适用于经由所述第一载波信号的相应频谱片断传输的相应已调制信号。
10.一种用于经由频谱片段提供安全数据传输的设备，包括：
分路器，用于将数据流划分为多个输出子流，每个所述输出子流与第一载波信号的相应频谱片断相关联，并且具有与所述相应频谱片断的带宽兼容的数据速率，其中所述相应频谱片断是多个频谱片断中适用于与所述输出子流相关联使用的一个频谱片断，其中所述多个频谱片断中的所述相应频谱片断是相对于所述多个频谱片断的非连续频谱块且至少通过并未包括在所述多个频谱片断中的所分配频谱块而与所述多个频谱片断中的任何其他频谱片断分隔开；
多个调制器，每个调制器被配置为调制相应输出子流以提供适用于经由所述第一载波信号的所述相应频谱片断传输的已调制信号，其中所述调制器中的至少一些被配置为加密相应输出子流；
至少一个上变频器，用于将所述已调制信号上变频至第一载波信号的相应频谱片断上；
其中，包括在已上变频的已调制信号内的所述输出子流适于在接收器处被解调和组合，以便由此恢复所述数据流。
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