CN105846884B - 一种适用于天基网组网的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于天基网组网的通信方法，提出了适用于天基组网通信的物理层体制，克服传统天基通信仅适用于点到点通信的缺陷；适合于天基系统多点组网通信的系统工作流程，支持入网过程和业务过程网络控制和协调简单，信令开销小，建网时间短；扩展性好，支持网络规模和用户需求的变化；提出符合上述系统工作流程的系统帧结构，适用于当前多颗卫星组网通信的需求；提出适合于天基系统多点组网通信的物理层传输方案，包括物理层信号生成过程和资源单元结构等；帧结构设计保证传播时延，适合于时序要求高或实时性强的业务；支持多种优先级、多种业务类型，灵活性高；帧结构携带SYN，使得同步过程搜索时间短，建立同步时间短，无需长期跟踪。

Description

一种适用于天基网组网的通信方法

技术领域

本发明涉及多节点通信技术领域，尤其涉及一种适用于天基网组网的通信方法。

背景技术

现有天基系统主要支持点到点通信，帧结构和复帧结构设计符合点到点传输的需要。不具备系统广播、网络同步和鉴权认证等入网过程所需要的功能。同步过程采用首先基于序列的初始捕获，并结合使用锁相环进行长期跟踪的方式，同步捕获时间长，实现复杂度高。

为扩展到多点组网，现有天基系统在点到点通信体制基础上通过对时隙或帧组合的方式实现。该方式必需在多个节点之间进行复杂的控制和协调，需要较长时间完成交互，信令开销大。同时不能保证传播时延，不适合用于时序要求高或实时性强的业务要求。灵活性较差，无法满足存在多种业务优先级或多种不同业务量的应用需求。扩展性较差，当节点数目增加，需要重新组织复帧并增加控制信令的交互时间和开销。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于天基网组网的通信方法，适用于当前多颗卫星组网通信的需求。

一种适用于天基网组网的通信方法，包括入网过程和业务过程；

所述入网过程具体包括：所述天基网中的各个节点设备开机后首先读取初配信息：如果节点被初始配置为簇首，则节点开始发送广播信息；如果节点被 配置为普通节点，则节点开始听取广播信息；普通节点接收到广播消息后，发起网络同步过程；在网络同步过程结束后发起鉴权认证过程，在鉴权认证成功后节点完成入网流程；

所述业务过程包括：节点入网后进入业务过程，首先在节点之间分配资源，其中的发送节点在分配的资源上发送数据，接收节点接收数据后进行解析完成数据通信；

具体的，入网过程和业务过程均包括如下工作流程：

首先，天基网设置一个用于广播消息传输的广播信道BCH、若干用于控制信令传输的控制信道CCH和若干用于业务数据传输的共享信道SCH；

其次，生成物理信号，过程如下：发送侧物理层首先对来自高层的数据进行编码调制，再将调制后的数据与物理参考信号按照设定的格式和结构组成传输基本资源单元，即时帧：其中，来自高层的广播数据形成广播信道BCH帧，来自高层的控制信令形成控制信道CCH帧，来自高层的业务数据形成共享信道SCH帧，各类型时帧根据设定的复用形式最终形成系统帧；

所述广播信道BCH帧、控制信道CCH帧和共享信道SCH帧均包括同步序列SYN部分、传输格式指示TFI部分、数据Data部分和保护间隔GP部分；同步序列SYN部分携带用于接收同步的码序列，用于接收机确定帧头时间位置；传输格式指示TFI部分用来指示当前的调制编码方式；数据Data部分用来携带用户数据净荷；保护间隔GP部分时间内不填充数据；各部分的长度根据应用场景和系统指标要求进行配置。

所述广播信道BCH帧、控制信道CCH帧和共享信道SCH帧在系统帧中的比例根据网络规模和业务需求指标调整。

所述同步序列SYN、传输格式指示TFI、数据Data和保护间隔GP被分别 划分为若干等长的时隙P。

所述传输格式指示TFI的各个时隙和数据Data的各个时隙具有相同的结构，并被依次划分为导频Pilot、导频循环前缀PilotCP、数据净荷Payload、数据净荷循环前缀PayloadCP以及跳频保护FH GP。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的一种适用于天基网组网的通信方法，提出了适用于天基组网通信的物理层体制，克服传统天基通信仅适用于点到点通信的缺陷。

适合于天基系统多点组网通信的系统工作流程，支持入网过程和业务过程网络控制和协调简单，信令开销小，建网时间短；扩展性好，支持网络规模和用户需求的变化；提出符合上述系统工作流程的系统帧结构，适用于当前多颗卫星组网通信的需求。

(2)提出适合于天基系统多点组网通信的物理层传输方案，包括物理层信号生成过程和资源单元结构等；帧结构设计保证传播时延，适合于时序要求高或实时性强的业务；支持多种优先级、多种业务类型，灵活性高。

(3)帧结构携带SYN，使得同步过程搜索时间短，建立同步时间短，无需长期跟踪。

(4)通过帧结构携带TFI以指示AMC，支持速率自适应。

(5)支持网络拓扑变化，满足通信覆盖距离变化的通信要求，GP长度可配置。

(6)时隙长度固定，控制简单，接收机基带处理复杂度低，处理时延小。

(7)时隙中放置导频，支持周期性相位校准，处理增益高。

(8)支持跳频通信。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的系统帧组成示意图。

图3为本发明的物理信号生成步骤流程图。

图4为本发明的数据业务帧、广播帧以及控制帧结构中任意一个的结构示意图。

图5为本发明TFI时隙或Data时隙结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提出一种适合于天基组网的物理层体制，包括天基组网系统工作流程定义和天基组网系统物理层传输方案。

1、天基组网系统工作流程

系统工作流程描述如图1所示。网络中的节点设备开机后首先读取初配信息。如果节点被初始配置为簇首，则节点开始发送广播信息；如果节点被配置为普通节点，则节点开始听取广播。普通节点如果接收到广播消息，发起网络同步过程。在网络同步过程结束后发起鉴权认证过程，在鉴权认证成功后节点完成入网流程。节点入网后进入业务过程，发送节点根据资源分配消息在分配的时间资源上发送数据，接收节点接收数据后进行解析完成数据通信。

根据上述工作流程，系统需要进行周期性的广播配置信息，并且系统内需要传递维护网络运行的控制信令和业务数据。因此，物理层提供广播信道BCH、控制信道CCH和共享信道SCH，分别支持广播消息、控制信令和用户业务数据的传输。广播信道周期为一个系统帧，系统帧结构如图2所示。系统帧包含一 个BCH帧、若干CCH帧和若干SCH帧。

BCH帧为处于入网阶段节点提供必要的系统配置消息，并且为处于业务阶段节点提供网络运行必要的信息。BCH帧周期性发送，任何时刻开机的设备经过至多一个系统帧时间能够听取到广播，解析广播信息以获得系统消息。处于业务阶段的设备以一定周期解析广播信息以保持与系统的连接关系。

CCH帧用于节点之间传递控制信令，系统帧中的CCH帧数量与网络规模有关，网络规模越大支持的节点数越多则CCH帧数量越大。CCH帧数量越大则系统开销越大，应在确保满足当前网络内节点之间信令传输并具备一定扩展性的基础上尽量降低开销。

SCH帧用于节点发送业务数据，根据用户的业务需求和网络规模设计。节点之间以共享方式占用SCH帧。共享SCH帧的方式支持突发式业务，适合节点之间业务量不均衡的应用；支持同时存在高低不同时序要求的业务发送；支持节点数目的动态变化。

系统帧中包含BCH帧、CCH帧和SCH帧，各种类型帧在系统帧中的比例根据网络规模和业务需求等指标调整。系统帧的长度固定，控制简单、维护网络运行的开销小，避免系统帧长度随着网络规模变化带来的控制过程复杂、控制信令开销大和系统稳定时间较长的缺陷。

2、天基网络节点物理层传输方案

本节给出本发明设计的物理层传输方案，包括物理信号生成步骤和资源单元结构等。物理层将来自协议栈中高层的数据或信令形成基本的资源单元进行传输。划分为基本时间单元适用于天基网络内多个节点分配资源，并适合于支持时序要求高的业务传输。

该物理层传输方案适用于发送系统广播、控制信令和业务数据。

2.1、物理信号生成步骤

物理信号生成过程如图3所示。发送侧物理层首先对来自高层的数据进行编码调制，再将调制后的数据与物理参考信号按照一定格式和结构组成传输基本资源单元时帧。来自高层的广播数据形成BCH帧，来自高层的控制信令形成CCH帧，来自高层的业务数据形成SCH帧。各类帧按照前文所述系统工作流程进行复用，形成系统帧。

2.2、帧结构

满足多节点组网通信应用要求的帧结构如图4所示，适用于BCH帧、CCH帧和SCH帧。结构帧由同步序列SYN、传输格式指示TFI、数据Data和保护间隔GP等部分组成。

同步序列SYN部分携带用于接收同步的码序列，用于接收机确定帧头时间位置。采用每帧携带SYN的方式，适用于在多点组网通信环境中目标节点确定当前帧的起始位置，搜索和处理时间较短。时间同步在当前帧时间内即可完成，不需要后续采用锁相环进行跟踪，因此能够避免特定节点长期占用资源，利于实现系统内多节点的灵活组网通信。此外，还可以利用SYN序列进行频偏估计等处理，同样具备处理时间短的特点。

在天基组网通信中，各节点之间、同一节点在不同的时间支持多种不同业务类型的传输。系统定义多种传输速率等级，采用自适应调制编码(AMC)。帧结构中携带一定长度的传输格式指示TFI用来指示当前的调制编码方式，一旦解析出TFI的内容，接收机即获知当前采用的调制阶数和编码方式等信息，并将该信息用于解析数据部分。TFI信息采用预先配置的全网统一传输方式，以使得网络内任何接收节点都按照该格式接收和解调TFI信息。

数据Data部分用来携带用户数据净荷。Data部分支持AMC，满足网络内节 点之间不同的通信要求。

帧结构中设置保护间隔GP，GP时间内不填充数据。帧内GP部分能够避免当前帧的数据落入下一帧时间中即避免多帧之间的干扰，保证天基组网系统多节点之间的发送或接收行为不会造成相互影响。GP长度根据网络拓扑进行选取。

以上描述的帧结构四个组成部分为多节点组网通信条件提供传输保证。各部分的长度可以根据应用需求进行设置。考虑到系统设计工作点、支持业务类型、传输速率要求、系统传输效率、覆盖距离和网络拓扑等因素，应对各部分的长度进行合理配置，能够满足应用的需求。当应用场景发生变化时，通过参数配置和方式对各部分长度进行变更或重配置，从而动态灵活的满足应用需要。

2.3、时隙结构

为使接收机进行快速灵活的基带处理，将帧划分为若干等长的时隙。其中SYN包含M1个时隙，TFI包含M2个时隙，Data包含M3个时隙，GP包含M4个时隙。SYN的M1个时隙构成一个整体，携带同步码序列。GP的M4个序列构成一个整体，保持空白。

TFI时隙和Data时隙具有相同的结构，时隙结构如图5所示。时隙长度为P，划分为三大部分：导频(Pilot)及其循环前缀(Pilot CP)、数据净荷(Payload)及其循环前缀(Payload CP)和跳频保护(FH GP)。

每一时隙都包含有导频的结构使得在整帧中导频等间隔分布，从而能够以时隙为单位进行周期性的相位校准。相比于传统天基通信中导频集中放置，相位校准值精度更高，即可以获得更高的增益。

导频和数据部分分别带有循环前缀，能够满足在多径环境下通信的需要，并且降低了收发双方时钟稳定性和精度偏差的要求。

跳频保护部分适用于跳频频点切换的需要，可以有效对抗干扰和截获。对于不跳频的系统可予以保留。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于天基网组网的通信方法，其特征在于，包括入网过程和业务过程；

所述入网过程具体包括：所述天基网中的各个节点设备开机后首先读取初配信息：如果节点被初始配置为簇首，则节点开始发送广播信息；如果节点被配置为普通节点，则节点开始听取广播信息；普通节点接收到广播消息后，发起网络同步过程；在网络同步过程结束后发起鉴权认证过程，在鉴权认证成功后节点完成入网流程；

所述业务过程包括：节点入网后进入业务过程，首先在节点之间分配资源，其中的发送节点在分配的资源上发送数据，接收节点接收数据后进行解析完成数据通信；

具体的，入网过程和业务过程均包括如下工作流程：

首先，天基网设置一个用于广播消息传输的广播信道BCH、若干用于控制信令传输的控制信道CCH和若干用于业务数据传输的共享信道SCH；

其次，生成物理信号，过程如下：发送侧物理层首先对来自高层的数据进行编码调制，再将调制后的数据与物理参考信号按照设定的格式和结构组成传输基本资源单元，即时帧：其中，来自高层的广播数据形成广播信道BCH帧，来自高层的控制信令形成控制信道CCH帧，来自高层的业务数据形成共享信道SCH帧，各类型时帧根据设定的复用形式最终形成系统帧；其中，所述系统帧包括一个位于最前面的广播信道BCH帧、若干控制信道CCH帧和若干共享信道SCH帧；

所述广播信道BCH帧、控制信道CCH帧和共享信道SCH帧均包括同步序列SYN部分、传输格式指示TFI部分、数据Data部分和保护间隔GP部分；同步序列SYN部分携带用于接收同步的码序列，用于接收机确定帧头时间位置；传输格式指示TFI部分用来指示当前的调制编码方式；数据Data部分用来携带用户数据净荷；保护间隔GP部分时间内不填充数据；各部分的长度根据应用场景和系统指标要求进行配置。

2.如权利要求1所述的一种适用于天基网组网的通信方法，其特征在于，广播信道BCH帧、控制信道CCH帧和共享信道SCH帧在系统帧中的比例根据网络规模和业务需求指标调整。

3.如权利要求1所述的一种适用于天基网组网的通信方法，其特征在于，同步序列SYN、传输格式指示TFI、数据Data和保护间隔GP被分别划分为若干等长的时隙P。

4.如权利要求3所述的一种适用于天基网组网的通信方法，其特征在于，所述传输格式指示TFI的各个时隙和数据Data的各个时隙具有相同的结构，并被依次划分为导频Pilot、导频循环前缀PilotCP、数据净荷Payload、数据净荷循环前缀PayloadCP以及跳频保护FHGP。