CN104683993A - 卫星与陆地多域协同通信系统 - Google Patents

Abstract

卫星与陆地多域协同通信系统属于低轨道通信卫星与陆地基站协同通信技术领域，其特征在于由卫星和基站协同通信；卫星把从偏远郊区、城区所有卫星用户发来的信号联合后经过地面接收部分发给地面的联合处理部分，其中时空基准单元根据联合信号的发出时间戳、轨道高度导致的及基站与联合处理部分的传输延迟，计算总传输延迟；延迟预测模块中的轨道预测模型根据在轨高度信息、运动速度输出轨道运动延迟；干扰消除模块根据传输延迟和轨道运动延迟输出下一时刻t₂发往偏远郊区卫星用户的信号，是在t₂时刻地面接收到的经过两个所述延时后得到的信号中减去t₂时刻城市地区卫星用户收到的卫星通信信号之后得到的；本发明解决了偏远郊区的卫星通信信号全覆盖的难题。

Description

卫星与陆地多域协同通信系统

技术领域

本发明提供了一种卫星与陆地多域协同通信系统，涉及无线通信与卫星通信技术领域，特别涉及利用低轨通信卫星与陆地通信系统协同工作，实现为基站覆盖率不足的偏远地区，提供良好，可靠的无线通信和无线网络服务。

背景技术

随着无线通信技术和互联网技术的不断发展，无线通信系统已经从3G逐渐向4G过渡，提升了数据传输速率。随着多媒体业务，如同视频、图像等在网络传输中的流量不断加大，通过WLAN接入网络的用户不断增多，导致了频谱资源和用户需求之间极大地矛盾。

目前的陆地通信系统中，多媒体广播和多播服务占据很大的比例，并且有增长的趋势。然而目前地球上有大量的地区，不能被运营商的陆地基站所覆盖，占地球表面绝大多数的海洋上几乎没有基站覆盖，无法为紧急的通信(如海上搜救)和数据传输提供保障。对于陆地地区，基站主要密集分布在城市和人口集中的地区，而对于偏远地区，由于人口稀少，考虑到铺设基站的成本，目前的2G/3G/4G网络的覆盖率远远无法满足通信要求。想要实现广域覆盖，还要考虑到会受到不同的物理限制，如电源，地形，障碍物，基础设施等问题。因此亟需一种新的通信系统解决这一需求。

现有的卫星通信系统中，Global-Star Terrestrial Low Power Service(TLPS)提供了一种比较成熟的，基于卫星通信的解决方案。TLPS是一种基于IEEE 802.1系列协议的一种网络服务，将802.11的带宽扩展到2.4GHz，在城市区域，利用2.473-2.495GHz信道来提供WIFI热点，与其他无线网络服务信道并不重叠。这样的做法虽然能够提高数据传输的效率，却占用了独立的信道带宽。我们注意到，可用于卫星通信的L和S波段资源有限，而高频波段Ku和Ka波段被固定分配，因此无法通过TLPS这种服务系统，同时在城区和郊区提供良好的无线网络传输服务，而且现有的通信系统不能根据需求动态优化频谱资源，使得空闲的频谱得不到充分利用。

可以看到，利用卫星通信系统与地面通信系统相结合的方式，实现同时为城区和郊区提供良好的无线网络服务。然而如何有效设计一个系统，给卫星用户和陆地用户提供QoS保障的服务，还存在着许多问题：由于卫星的覆盖面积广，信号水平低，难以在下行链路进行动态的频谱感知；在陆地网络和卫星网络共存状态下，进行资源管理和分配亦是一个难题；与高仰角的地面系统相比,郊区用户利用上行链路传输由于低仰角，会与城区网络用户之间形成干扰。

基于以上考虑，本发明提供了一种新型卫星和地面协同通信系统，利用低轨通信卫星和地面基站之间的协同感知，通过在下行链路进行功率控制，并将卫星探测和地面先验融合，消除 上行链路传输时用户间地干扰，灵活进行资源分配，对空、时、频特性进行优化，实现空地联合地多域协同通信。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星-陆地协同通信系统，针对解决陆地偏远地区、海洋区域基站覆盖率不足，频谱资源利用效率不高的问题。该系统利用低轨通信卫星和陆地通信系统相结合的方式，通过建立时空基准，利用轨道预测技术获取卫星运动造成的延迟，在时间同步的基础上，空间-地面进行联合处理，达到干扰消除技的目的。在城区利用地面移动通信系统基站提供网络传输服务，同时郊区用户和城区用户在卫星网络中的从而提供可靠的远距离通信和任意时间，任意地点的通信方式，以及无线网络服务。

本发明特征在于是利用低轨通信卫星，以下简称卫星，与陆地基站，以下简称基站，协同工作来实现同时为城区和偏远郊区提供良好的无线网络传输服务的多域协同通信系统，包括卫星部分，设在地面的联合处理部分以及传输速率受限的空天传输部分，其中：

卫星部分至少包括一个卫星和至少一个地面接收单元，

联合处理部分用于消除城区和偏远郊区信号之间的干扰，从陆地基站收到的信号中准确的分理处偏远郊区的卫星用户信号，所述联合处理部分包括：至少一个时空基准模块，至少一个延时预测单元和至少一个干扰消除单元，其中：

时空基准单元，根据从所述卫星经地面接收部分所述卫星对偏远郊区卫星用户发出的和由城区卫星用户信号发出的联合信号发出时间戳t₀，由卫星轨道高度带来的空地传输延迟以及所述基站与联合处理部分的传输时差，得到从所述卫星到达地面的信号y₁的固定传输时延τ₀，并向所述干扰消除单元输出；

延时预测单元，预定一个卫星轨道预测模型，根据输入的卫星轨道高度、轨道位置以及在轨运动速度，由于卫星轨道运动而给所述偏远郊区带来的轨道延迟，并向所述干扰消除单元输出；

干扰消除单元，设定：

t₁时刻，地面基站接受的卫星发出的联合通信信号为y(t₁)，则

$y\left(t_1\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i\left(t_1\right)u_i\left(t_1\right)+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{G}_j\left(t_1\right)v_j\left(t_1\right),$

其中，i表示所述城区，j表示所述偏远郊区，

H_i表示所述基站与卫星之间的传输信道，

G_j表示所述偏远郊区与卫星之间的传递信道，

u_i为所述卫星发送至所述城区的卫星用户的通信信号，

v_i为所述卫星发送至所述偏远郊区卫星用户的通信信号，

∑_iH_i(t₁)u_i(t₁)表示城区所有卫星用户在t₁时刻收到的卫星通信信号，将t₁时刻视为通信过程中，某一次运动的起始时刻，下同，

∑_iG_j(t₁)v_j(t₁)表示偏远郊区所有卫星用户在t₁时刻收到的卫星通信信号，

t₂时刻，t₂为卫星经在轨运动后的测量时刻，下同，

所有城区卫星用户在t₂时刻接收到的卫星通信信号y_prior(t₂)为，

$y_{\mathrm{prior}}\left(t_2\right)\≈\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i\left(t_2\right)u_i\left(t_2\right)$

地面接收到的卫星通信信号经过延时校正为，

y(t₂)＝y(τΔ(t)+τ₀)

则所述偏远郊区卫星用户得到的卫星通信信号为：

w(t₂)＝y(t₂)-y_prior(t₂) 

每个用户的信号w_j可根据信道信息和调制方式相应获得；

空天传输部分，是一个设在所述卫星通信系统中的空天传输部分，其传输速率有限，所述卫星中的复合数据编码模块把二进制码流送往地面接收部分，经过解码后送往所述联合处理单元。

本发明所描述的卫星-陆地协同通信系统适用范围广，灵活性高，可根据实际需求设计不同的模块。该通信通过系统利用低轨通信卫星的灵活性，并结合时空基准控制，在轨预测技术，消除低轨卫星在轨道运行时造成的时延误差。通过建立联合处理中心，与陆地通信系统相结合，发掘城区信号的特征。通过低轨卫星对城区信号和偏远地区信号同时接收并转发到联合处理中心，在同步信息校正的情况下，利用已知的城区用户信息，进行干扰消除，得到卫星用户的信号，从而实现卫星和陆地协同进行通信的方式，为基站覆盖不足的区域提供可靠的通话业务和数据传输服务，同时为偏远地区用户接入无线网络提供了一种高质量地解决方案。

附图说明

图1卫星与陆地协同通信系统总体框架示意图；

图2联合处理部分工作框架图；

图3联合处理部分工作流程图

具体实施方式

本发明的特点是：利用低轨通信卫星和陆地通信系统相协同处理的方式，为基站覆盖不到，或者覆盖不足的偏远地区提供可靠的通信和无线网络服务的一种通信系统。利用时空基准控制单元，对由于卫星高度，信道传输引起的固定延时误差校正，实现时间戳的对齐；利用延 迟预测模块，通过对通信过程中低轨卫星运动的预测，获得轨道延迟模型，解决由于低轨卫星的快速运动导致的通信时延估计问题；利用陆地和卫星协同处理的方式，通过利用时空基准单元，延迟预测单元获得的时间同步信息，在联合处理中心进行干扰消除，从而准确分离出偏远地区用户信号。该系统可以高效实现为偏远地区提供可靠、高质量的话音服务和无线网络服务。

卫星-陆地协同通信系统，其特征在于，它包括：至少一个低轨在轨通信卫星；至少一个地面接收单元；至少一个时空基准单元；至少一个延迟预测单元，至少一个干扰消除单元；具有速率限制的空天传输链路。

所述的卫星陆地协同通信系统按照以下步骤执行的组织调度机制：偏远地区的卫星用户，通过空天传输链路，将信号发射到卫星；城区用户在陆地通信系统中，将信号传递给通信系统中的基站，基站将信号通过空天传输链路发射到卫星；同时，基站通过光纤通信线路，将城区用户信号传递到联合处理中心；卫星将获取的联合信号，通过空天传输链路传输到，地面的联合处理中心；联合处理中心的中的时空基准单元，根据获取信号的时间戳信息，先验的卫星轨道高度信息等作为输入，获取固定的时空基准延时；联合处理中心中的延时预测单元，利用轨道信息和低轨卫星的运动信息获得延时模型，并估计输出因低轨卫星运动导致的延时；干扰消除模块利用时空基准单元和低轨卫星单元的输出，与基站光纤传输来的信号进行时间同步校正，然后利用地面用户信息和信道信息进行，将偏远地区卫星用户的信号分类出来，最终得到偏远地区的信号。

下面结合附图1，图2，图3，具体说明本发明系统各个单元的组织调度机制。

所述的卫星与地面协同通信系统按是按照以下步骤实现的：

在陆地通信系统中，包括至少一个基站，至少一个移动用户终端，以及与联合处理中心相连接的光纤传输通道。

所述的移动用户终端发射的信号，被所述基站接收；

所述基站将用户信号，通过所述空天传输链路H，将信号发射到所述低轨通信卫星；

所述基站同时将用户信号，通过所述光纤传输通道，将信号传输到联合处理中心。

在卫星通信系统中，包括至少一个低轨通信卫星，一个卫星移动用户终端；

所述卫星移动用户终端发射的信号，通过所述空天传输链路G发送到所述低轨通信卫星；

所述低轨通信卫星将接收的，城区移动用户信号和卫星移动用户信号，通过所述空天传输链路，将信号发送到地面的所述联合处理中心。

所述地面联合处理中心包含至少一个时空基准单元，至少一个延时预测单元，至少一个干扰消除单元；

所述时空基准单元，通过低轨卫星的高度信息，所传输到联合处理中心信号的时间戳信息，以及所述陆地通信系统中基站与联合处理中心的传输时间同步信息，计算得到固定的时空基准延时信息，输出τ₀；

所述的延时预测单元，根据所述低轨通信卫星的实时运行信息，包括轨道高度信息，轨道位置信息，以及卫星在轨运动速度信息等，充分挖掘所述低轨卫星的轨道运行特征，建立随时间变化的轨道延迟预测模型；

延时预测单元根据接收信号的时间戳，以及时间戳指示时刻的卫星轨道和运动参数，输出延时模型τΔ。

所述干扰消除单元，接收由所述陆地通信系统经所述光纤传输通道发送的城区移动用户信号，接收由低轨通信卫星发射的，包括城区移送用户和卫星移动用户的，通过所述空天传输链路发射的卫星信号；

所述干扰消除单元，需要利用时空基准单元，对经所述光纤链路，接收的城区用户信号，和对经所述空天传输链路传输，接收的城区用户信号和卫星用户信号，进行时空基准时间误差消除；

所述干扰消除单元，需要利用延迟预测单元，对经所述光纤链路，接收的城区用户信号，和对经所述空天传输链路传输，接收的城区用户信号和卫星用户信号，根据建立的延时预测模型，进行轨道卫星运动延迟时间误差的消除；

所述的干扰消除单元在进行时间同步校正之后，利用经所述光纤链路，接收的城区用户信号作为先验信息，利用估计的信道状态信息作为输入，按照所述原理，将郊区卫星用户信号分离出来，输出得到卫星移动用户的信号。

本发明所述的卫星和陆地协同通信系统的组织调度机制，是一个系统实现框架，可针对不同的用户场景，选择合理的调度方式，其中的任何模块，可以用任何可行的技术手段进行实现。

Claims (1)

1.卫星与陆地多域协同通信系统，其特征在于，是利用低轨通信卫星，以下简称卫星，与陆地基站，以下简称基站，协同工作来实现同时为城区和偏远郊区提供良好的无线网络传输服务的多域协同通信系统，包括卫星部分，设在地面的联合处理部分以及传输速率受限的空天传输部分，其中：

卫星部分至少包括一个卫星和至少一个地面接收单元，

联合处理部分用于消除城区和偏远郊区信号之间的干扰，从陆地基站收到的信号中准确的分理处偏远郊区的卫星用户信号，所述联合处理部分包括：至少一个时空基准模块，至少一个延时预测单元和至少一个干扰消除单元，其中：

时空基准单元，根据从所述卫星经地面接收部分所述卫星对偏远郊区卫星用户发出的和由城区卫星用户信号发出的联合信号发出时间戳t₀，由卫星轨道高度带来的空地传输延迟以及所述基站与联合处理部分的传输时差，得到从所述卫星到达地面的信号y₁的固定传输时延T₀，并向所述干扰消除单元输出；

延时预测单元，预定一个卫星轨道预测模型，根据输入的卫星轨道高度、轨道位置以及在轨运动速度，由于卫星轨道运动而给所述偏远郊区带来的轨道延迟，并向所述干扰消除单元输出；

干扰消除单元，设定：

t₁时刻，地面基站接受的卫星发出的联合通信信号为y(t₁)，则

其中，i表示所述城区，j表示所述偏远郊区，

H_i表示所述基站与卫星之间的传输信道，

G_i表示所述偏远郊区与卫星之间的传递信道，

u_i为所述卫星发送至所述城区的卫星用户的通信信号，

v_i为所述卫星发送至所述偏远郊区卫星用户的通信信号，

∑_iH_i(t₁)u_i(t₁)表示城区所有卫星用户在t₁时刻收到的卫星通信信号，将t₁时刻视为通信过程中，某一次运动的起始时刻，下同，

∑_iG_j(t₁)v_j(t₁)表示偏远郊区所有卫星用户在t₁时刻收到的卫星通信信号，

t₂时刻，t₂为卫星经在轨运动后的测量时刻，下同，

所有城区卫星用户在t₂时刻接收到的卫星通信信号y_piior(t₂)为，

地面接收到的卫星通信信号经过延时校正为，

y(t₂)＝y(TΔ(t)+T₀)

则所述偏远郊区卫星用户得到的卫星通信信号为：

w(t₂)＝y(t₂) - y_pri_or(t₂)

每个用户的信号w_j可根据信道信息和调制方式相应获得；

空天传输部分，是一个设在所述卫星通信系统中的空天传输部分，其传输速率有限，所述卫星中的复合数据编码模块把二进制码流送往地面接收部分，经过解码后送往所述联合处理单元。