CN104378152A - 一种基于leo卫星多波束接收星上处理的多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，所述方法包括以下步骤：（1）地面发射端将一待发送至卫星接收端的上行信号按时间顺序划分为上行引导段和上行业务段；（2）所述上行引导段通过SAMA方式引导所述上行业务段开始传送，并辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号，并在所述卫星接收端捕获所述上行信号之后，引导所述上行业务段的业务数据的调解；（3）所述上行业务段通过CDMA方式对所述业务数据进行传输。本发明不仅能够保证系统接入性能良好，而且能够减少多波束接收星上处理所需的信号捕获模块的数量，从而有效降低星上多波束接收处理的复杂度。

Description

一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法。

背景技术

无线通信是指通信双方至少有一方以无线方式进行信息的交换和传输，是当今世界科学技术发展最为活跃的领域之一，对社会进步和经济发展都有着举足轻重的作用。其中，卫星通信是无线通信一个重要的领域，尤其在发生重大毁灭性的自然灾害的地区，地面网络遭到破坏，卫星通信可能是唯一幸存的通信手段。

相比基于GEO（Geostationary Earth Orbit）、MEO（Medium Earth orbit）卫星的通信系统，LEO（Low Earth Orbit，近地轨道）卫星通信系统具有传播时延短的先天优势，能更好的满足语音等实时性业务的要求，保证通信质量。多颗LEO卫星组网可构成全球全天候实时覆盖的星座系统，是实现真正意义上的全球移动通信的重要途径之一。

为了更好的满足人们日益增长的多种新业务应用（如高分辨率的图片、视频等）的需求，系统的高速率、大容量是现阶段LEO卫星通信系统的重要发展方向。LEO卫星结合星载多波束天线，使得卫星接收实现高增益，从而达到系统信息速率和容量提升的目的。因此，LEO卫星结合星载多波束天线的使用及其相关信号体制、收发处理技术是现阶段LEO卫星通信技术的研究热点之一。

多址接入技术，可定义为多个用户接入一个公共传输媒介，实现各用户通信的技术。实现多址接入的技术基础是信号分割，也就是在信号的发射端进行恰当的信号设计，使系统中各用户发射的信号有所差别。在卫星通信系统设计中，多址接入设计的主要任务是，将系统有限的资源（时间、频率、正交码子、空间等）以某种方式进行合理的划分，便于覆盖区内众多的用户进行资源共享。

根据信道资源分配方式的不同，卫星通信系统中常用的多址接入技术可分为固定分配多址、按需分配多址以及随机分配多址三大类别。固定分配多址和按需分配多址常用的有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等；基本的随机多址接入方法有纯ALOHA和时隙ALOHA两种。实际应用中，需要根据相关约束和需求进行相应的设计，往往是基本接入方式的组合或变形。

多址接入方法的优劣，一方面影响着系统整体性能，同时也直接影响着发射端和接收端的多址接入信号处理的复杂程度。星载多波束接收天线的使用，将引入多通道的星上处理特性，继续采用传统的CDMA接入方式将由于多通道的引入成倍数关系的增加处理的复杂度，这对于有限资源的LEO卫星往往是不可接受的。使用星载多波束接收天线的LEO卫星CDMA通信系统，如在保证系统接入性能的前提下，设计出简单有效的适合于星上处理的多址接入方法，是LEO卫星通信系统设计的一项重要内容。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其不仅能够保证系统接入性能良好，而且能够减少多波束接收星上处理所需的信号捕获模块的数量，从而有效降低星上多波束接收处理的复杂度。

为了解决上述问题，一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，所述方法包括以下步骤：（1）地面发射端将一待发送至卫星接收端的上行信号按时间顺序划分为上行引导段和上行业务段；（2）所述上行引导段通过SAMA方式引导所述上行业务段开始传送，并辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号，并在所述卫星接收端捕获所述上行信号之后，引导所述上行业务段的业务数据的调解；（3）所述上行业务段通过CDMA方式对所述业务数据进行传输。

作为可选的技术方案，在步骤（3）之后进一步包括：所述卫星接收端的多波束接收天线将所接收到的上行信号输出为多个波束信号；所述卫星接收端的信号捕获模块对每一所述波束信号进行信号捕获。

作为可选的技术方案，所述地面发射端包括地面终端或地面站。

作为可选的技术方案，所述上行引导段在时间顺序上位于所述上行业务段之前，并且采用SAMA多址接入方式，当采用所述SAMA多址接入方式时，每一所述地面发射端所传送的上行引导段均使用相同的扩频序列PN（0）进行扩频。

作为可选的技术方案，所述上行业务段在时间顺序上位于所述上行引导段之后，并且采用CDMA多址接入方式，当采用所述CDMA多址接入方式时，每一所述地面发射端所传送的上行业务段均使用扩频序列PN（i）（i=1、2…N）中任意一个进行扩频；其中，每一所述扩频序列PN（i）（i=0、1、2…N）具有尖锐的自相关特性，且每一所述扩频序列PN（i）（i=0、1、2…N）之间具有正交或准正交的互相关特性。

作为可选的技术方案，在步骤（2）中进一步包括:（21）所述地面发射端将所述上行引导段按时间顺序划分为捕获引导段和业务引导段；（22）所述捕获引导段辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号；（23）所述业务引导段引导所述业务数据的调解。

作为可选的技术方案，所述捕获引导段为全 ‘0’或全‘1’比特，所占用的时间长度与所述卫星接收端完成捕获所述上行引导段所需的时间相关。

作为可选的技术方案，在步骤（21）中进一步包括：（211）所述地面发射端将所述业务引导段划分为业务数据扩频码指示段和扩展字段，其中所述业务数据扩频码指示段用以指示业务数据扩频所使用的扩频码，所述扩展字段用以提供所述上行业务段的先验信息。

本发明的优点在于，本发明适合LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法将用户上行信号按时间顺序划分为两段（上行引导段和上行业务段），所述上行引导段采用SAMA多址接入方法，所述上行业务段采用CDMA多址接入方法，从而使SAMA多址接入方法和CDMA多址接入方法两者有机结合；星载多波束接收的条件下采用SAMA-CDMA（Spread ALOHA Multiple Access-Code Division Multiple Access）多址接入方法。卫星接收端捕获上行信号的上行引导段，并且卫星接收端输出的每一波束只需1个针对扩频序列PN（0）的信号捕获模块，相较于传统CDMA多址接入方法，本发明大大减少了星上处理所需的信号捕获模块的数量，从而可以有效解决传统CDMA多址接入方法星上多波束接收处理复杂度过高的问题，同时具有系统用户容量大的优点。再者，通过SAMA-CDMA多址接入方法来实现LEO卫星多波束接收星上处理的卫星通信系统能够有效降低卫星设备的研制成本、减轻卫星设备的重量以及降低卫星的发射成本。

附图说明

图1是本发明一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法的步骤流程示意图。

图2是本发明所述上行信号划分的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法的具体实施方式做详细说明。

参见图1所示，一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，该方法适用于使用星载多波束接收天线和星上接收处理技术的LEO卫星通信系统的多用户（即地面发射端）上行发射通信信号（可简称为上行信号）的设计和卫星接收端的处理方法的设计，其中星载多波束接收天线是指一卫星接收端在信号接收时使用多波束天线，星上接收处理技术是指卫星接收端对接收到的上行信号进行下变频、滤波、放大、信号捕获、载波/码/位同步跟踪、解扩、解调、译码等处理。

所述方法包括：步骤S110、地面发射端将一待发送至卫星接收端的上行信号按时间顺序划分为上行引导段和上行业务段；S120、所述上行引导段通过SAMA方式引导整个上行业务段开始传送，并辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号，并在所述卫星接收端捕获所述上行信号之后，引导所述上行业务段的业务数据的调解；S130、所述上行业务段通过CDMA方式对所述业务数据进行传输。

其中，步骤S110中所述地面发射端包括地面终端或地面站的发射端。所述卫星接收端为使用星载多波束接收天线和星上接收处理技术的LEO卫星。所述地面发射端与所述卫星接收端进行通信。所述地面发射端需完成对发射上行信号的设计，所述卫星接收端需完成对上行信号的接收处理的设计。鉴于在卫星多波束接收的条件下信号捕获的复杂度很高，于是，本发明通过对地面发射端和卫星接收端的设计，从而能够降低卫星接收端的接收处理特别是信号捕获的复杂度（将在下文中会进一步说明）。

步骤120中的所述上行引导段对所述上行业务段开始传送（或进行通信）进行引导，并辅助卫星接收端捕获所述上行信号的上行引导段和上行业务段，在所述卫星接收端捕获所述上行信号之后，引导所述上行业务段的业务数据的调解，也就是说，对后继的所述上行业务段的跟踪、解调等在接收过程中所需的先验信息进行传递，该先验信息是表示在所述上行引导段中。

具体来说，所述上行引导段在时间顺序上位于所述上行业务段之前，并且采用SAMA多址接入方式，其中所述SAMA多址接入方式可称为扩频ALOHA多址接入方式，而扩频ALOHA多址接入方式，即为扩频技术与ALOHA技术相结合的一种接入协议。所述SAMA多址接入方式不同于CDMA多址接入方式，前者无需为不同的用户（例如地面发射端）分配不同的扩频码。当采用SAMA多址接入方式时，每一所述地面发射端所传送的上行引导段均使用相同的扩频序列PN（0）进行扩频。

在本实施例中，参见图2所示，所述上行信号占用的总时间长度为                                                。所述上行引导段占用的时间长度为。在步骤120中可以进一步包括：（a）所述地面发射端将所述上行引导段按时间顺序划分为捕获引导段和业务引导段；（b）所述捕获引导段辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号；（c）所述业务引导段引导所述业务数据的调解。

其中，所述捕获引导段为全‘0’或全‘1’比特，占用的时间长度为，可参见图2，的具体值与卫星接收端利用捕获算法完成捕获上行引导段所需的时间相关。可选的，在步骤（a）中可以进一步包括：所述地面发射端将所述业务引导段划分为业务数据扩频码指示段和扩展字段；其中所述业务数据扩频码指示段用以指示业务数据扩频所使用的扩频码（或长码的码相位）；所述扩展字段用以提供上行业务段进行扩频调制相关的先验信息（例如业务数据信息速率、业务数据长度等）。所述业务引导段的字段及时间长度与所需提供的先验信息相关，可以根据实际应用的情况进行进一步的设计。例如所述业务数据所使用的扩频码（或长码的码相位）有256个，则所述业务数据扩频码指示段应至少是8bit；例如业务数据信息速率有4档，若要在接收机中实现快速自适应速率接收，地面发射端可以在所述业务引导段的扩展字段中增加信息速率字段，以作为先验信息告知卫星接收端，以辅助卫星接收端自适应接收，此时该信息速率字段至少是2bit；类似的，如需传递其他先验信息以便卫星接收端自适应接收使用，相应的需在所述业务引导段的扩展字段中增加相应长度的字段内容，在此不再一一赘述。

继续参见图1中的步骤S130，所述上行业务段通过CDMA方式对所上行业务段的业务数据（或称业务通信数据信息）进行传输。所述上行业务段的扩频调制所用的扩频码（或长码的码相位）与所述上行引导段的业务数据扩频码指示段的信息一致，其他扩频调制相关信息也与所述上行引导段的扩展字段提供的相关信息一致。

具体来说，所述上行业务段在时间顺序上位于所述上行引导段之后，并且采用CDMA多址接入方式，当采用CDMA多址接入方式时，每一所述地面发射端所传送的上行业务段均使用扩频序列PN（i）（i=1、2…N）中任意一个进行扩频；其中，每一所述扩频序列PN（i）（i=0、1、2…n）具有尖锐的自相关特性，且每一所述扩频序列PN（i）（i=0、1、2…N）之间具有正交或准正交的互相关特性。

另外，在步骤S130之后可以进一步包括以下步骤：所述卫星接收端的多波束接收天线将所接收到的上行信号输出为多个波束信号；所述卫星接收端的信号捕获模块对每一所述波束信号进行信号捕获。

    其中，所述多波束接收天线输出的多个波束信号为并列，且一直保持接收状态，同时信号捕获模块也一直保持处于捕获搜索PN（0）信号的状态。当地面发射端暂未发送上行引导段至卫星接收端时，信号捕获模块捕获不成功；当地面发射端发送上行引导段至卫星接收端时，信号捕获模块可以判断出所接收到的上行信号中包含有相同扩频序列PN（0）信号，捕获成功并给出PN（0）码相位、载波多普勒等捕获信息。这样，卫星接收端输出的每一个波束信号只需使用一个信号捕获模块，这样会更加简便快捷。当然，在本发明的其他部分实施例中，也可以使用一个信号捕获模块对多个波束信号进行捕获处理。

在LEO卫星通信系统中的信号捕获模块会消耗大量的处理资源，因此，解决星上处理复杂度的问题主要集中于如何降低星上快速捕获的复杂度。在现有技术采用CDMA多址接入方法中，各个用户以伪随机序列PN码相互区分，应用至使用多波束接收天线的LEO卫星通信系统中，则要求每一波束都应具备捕获和接收所有PN的能力。进一步而言，在CDMA多址接入方法中，将使用N（N为正整数）个正交或准正交的扩频序列，系统分配其中一个扩频序列作为某一用户发射上行信号的扩频码，卫星接收端一般需要配置与所使用扩频序列个数相一致的信号捕获模块，因此卫星接收端输出的每一所述波束信号对应N（N为系统中使用的扩频伪随机序列PN码的个数）个信号捕获模块。而根据本发明提供的基于LEO卫星多波束接收星上处理的SAMA-CDMA多址接入方法，所有地面发射端的上行引导段均使用同一个扩频序列PN（0）信号。卫星接收端捕获上行信号的上行引导段，并且卫星接收端输出的每一波束信号只需1个针对扩频序列PN（0）的信号捕获模块，即可完成对该波束信号内所有上行用户（包括该波束覆盖区域内的所有地面终端和地面站）信号的捕获，于是，能够实现仅需传统CDMA多址接入方法中所使用的信号捕获模块数量的1/N，从而星上多波束接入处理的复杂度大大降低，从而降低卫星设备研制成本、减轻卫星设备重量、降低卫星发射成本。

本发明适合LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法将用户上行信号按时间顺序划分为两段（上行引导段和上行业务段），所述上行引导段采用SAMA多址接入方法，所述上行业务段采用CDMA多址接入方法，从而使SAMA多址接入方法和CDMA多址接入方法两者有机结合；星载多波束接收的条件下采用SAMA-CDMA（Spread ALOHA Multiple Access-Code Division Multiple Access）多址接入方法。卫星接收端捕获上行信号的上行引导段，并且卫星接收端输出的每一波束只需1个针对扩频序列PN（0）的信号捕获模块，相较于传统CDMA多址接入方法，本发明大大减少了星上处理所需的信号捕获模块的数量，从而可以有效解决传统CDMA多址接入方法星上多波束接收处理复杂度过高的问题，同时具有系统用户容量大的优点。再者，通过SAMA-CDMA多址接入方法来实现LEO卫星多波束接收星上处理的卫星通信系统能够有效降低卫星设备的研制成本、减轻卫星设备的重量以及降低卫星的发射成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。    

Claims (8)

1.一种基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）地面发射端将一待发送至卫星接收端的上行信号按时间顺序划分为上行引导段和上行业务段；

（2）所述上行引导段通过SAMA方式引导所述上行业务段开始传送，并辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号，并在所述卫星接收端捕获所述上行信号之后，引导所述上行业务段的业务数据的调解；

（3）所述上行业务段通过CDMA方式对所述业务数据进行传输。

2.根据权利要求1所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，在步骤（3）之后进一步包括：

所述卫星接收端的多波束接收天线将所接收到的上行信号输出为多个波束信号；

所述卫星接收端的信号捕获模块对每一所述波束信号进行信号捕获。

3.根据权利要求1所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，所述地面发射端包括地面终端或地面站的发射端。

4.根据权利要求1所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，所述上行引导段在时间顺序上位于所述上行业务段之前，并且采用SAMA多址接入方式，当采用所述SAMA多址接入方式时，每一所述地面发射端所传送的上行引导段均使用相同的扩频序列PN（0）进行扩频。

5.根据权利要求1所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，所述上行业务段在时间顺序上位于所述上行引导段之后，并且采用CDMA多址接入方式，当采用所述CDMA多址接入方式时，每一所述地面发射端所传送的上行业务段均使用扩频序列PN（i）（i=1、2…N）中任意一个进行扩频；其中，每一所述扩频序列PN（i）（i=0、1、2…N）具有尖锐的自相关特性，且每一所述扩频序列PN（i）（i=0、1、2…N）之间具有正交或准正交的互相关特性。

6.根据权利要求1所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，在步骤（2）中进一步包括:

（21）所述地面发射端将所述上行引导段按时间顺序划分为捕获引导段和业务引导段；

（22）所述捕获引导段辅助所述卫星接收端捕获所述上行信号；

（23）所述业务引导段引导所述业务数据的调解。

7.根据权利要求6所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，所述捕获引导段为全‘0’或全‘1’比特，所占用的时间长度与所述卫星接收端完成捕获所述上行引导段所需的时间相关。

8.根据权利要求6所述基于LEO卫星多波束接收星上处理的多址接入方法，其特征在于，在步骤（21）中进一步包括：

（211）所述地面发射端将所述业务引导段划分为业务数据扩频码指示段和扩展字段，其中所述业务数据扩频码指示段用以指示业务数据扩频所使用的扩频码，所述扩展字段用以提供所述上行业务段的先验信息。