CN108696945B - 一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法 - Google Patents

一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法 Download PDF

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Abstract

一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，属于卫星通信技术领域。本发明主要利用星载解调器的工作状态信息辅助用户终端进行链路状态感知，同时根据卫星位置动态播发概率参数P从而提高接入链路的系统吞吐量。星上解调器在进行上行链路信号解调时，根据解调器的实际状态指示出信道繁忙状态，随同终端标识数据块通过下行链路广播给地面终端。所述信道繁忙状态共用2bit标识。另外，利用星座系统业务运行中心的全球终端位置管理特性，形成动态的卫星波束覆盖内终端个数参数数据，通过卫星实时播发给用户终端，用于动态改变终端的数据发送概率参数P，从系统层面优化了用户链路随机接入的吞吐率。

Description

一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法
技术领域
本发明涉及一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
多址接入方式是整个低轨通信卫星通信体制的主要组成方式，关系到整个通信系统接入效率。国际上低轨卫星通信系统常用的多址接入方式分为业务接入多址方式以及信令接入多址方式，业务接入多址方式通常采用TDMA、CDMA以及FDMA等方式，而信令接入一般采用随机竞争的ALOHA方式。
面向数据采集以及短报文交换的低轨卫星典型链路如图1所示，一般采用星上处理方式，例如国外的Orbcomm、Argos以及我国规划中的鸿雁星座通信系统等。面向用户的通信链路主要包括上行用户接入链路以及下行广播链路，上行用户接入链路承载多个用户发送给卫星的信息，属于多点对单点的通信，一般采用ALOHA的方式进行接入；而下行广播链路为卫星发送给多个终端的信息，属于点对多点通信，一般采用TDM通信体制，每个终端都解调TDM物理信号，从中提取出与自己有关的信息。
ALOHA方式是实现分组通信的有效方案之一,由于其技术简单方便,对信道的传播时延没有限制等特点,使其在卫星通信系统中有着广泛的应用。但由于ALOHA方式存在多个接入终端发射的信号的碰撞性特点，使其接入的信道利用率不高，根据理论分析可知，纯Aloha协议的吞吐特性很差，信道吞吐率最高只能达到18.4％，而时隙Aloha由于采用了碰撞减缓机制，使其吞吐率量提高到最高38.6％。
为了进一步提高系统的吞吐率，应该减少终端发送信号冲突的机会，即要减少终端发送数据的盲目性，既要求一个终端在发送数据之前先进行侦听，看是否有其他终端正在发送数据，其为典型的CSMA机制。但是对于卫星无线链路系统，由于卫星波束的广域覆盖特性，终端无法根据自身对信道的忙闲状态进行判断，为CSMA机制在卫星系统的应用提出了挑战。
国内外相关数据库以及专利库检索到关于随机接入的相关文章及专利较多，但针对卫星链路随机接入的相关文章较少，所查阅相关文献所述随机接入方法与本专利所述方法不相重复，且研究重点方向不一。例如文献“Throughput Analysis of CSMA WithImperfect Collision Detection in Full Duplex-Enabled WLAN”(IEEE WirelessCommunications Letters，2017)主要针对全双工模式下具有部分冲突检测的CSMA算法的研究，分析和仿真在不同无线环境下、不同用户分布下、不同碰撞模式下其算法对吞吐率的提升，并对比了传统使用的随机接入协议的吞吐量大小，证明了部分冲突检测的CSMA算法在吞吐率上的提升，该论文重点讨论无线局域网WLAN中不同频率下的接入算法，其算法应用场景也不适合低轨卫星星上处理。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对低轨通信卫星系统的随机接入业务，提供了一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，能够提高随机接入业务链路吞吐量，利用星载解调器的工作状态信息辅助用户终端进行链路状态感知，同时根据卫星位置动态播发概率参数P从而提高整个链路的系统吞吐量。该方法接入流程简单，且不增加星上处理的复杂度。
本发明的技术解决方案是：
一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，包括如下步骤：
S1，星上的上行解调器在对上行链路信号进行解调时，产生信道繁忙状态标识；所述信道繁忙状态标识表示所述上行解调器是否捕获到地面终端发送的信号及该地面终端的终端标识数据；所述终端标识数据包括用于识别地面终端的终端标识信息和对应的终端标识信息校验码；将所述信道繁忙状态标识和所述上行解调器收到的终端标识信息下发到星上的下行调制器；
S2，所述下行调制器周期性采集所述上行解调器下发的信息，并将所述上行解调器下发的信息插入到下行业务数据中共同构成下行链路信号，向各地面终端进行广播；
S3，各地面终端解调所述下行链路信号，提取出所述信道繁忙状态标识和终端标识信息，并结合自身当前的发送状态决定是否发送信号。
进一步地，所述S1中信道繁忙状态标识共有四种，分别为00、01、10和11；其中，所述00表示所述上行解调器未捕获到地面终端发送的信号和终端标识数据；所述01表示解调器捕获到地面终端发送的信号，但未收到终端标识数据；所述10表示解调器捕获到地面终端发送的信号，且收到终端标识数据，但终端标识数据校验错误；所述11表示解调器捕获到地面终端发送的信号，且收到终端标识数据，终端标识数据校验正确。
进一步地，所述S3中各地面终端判断是否发送信号的方法为：当所述上行解调器未捕获到地面终端发送的信号和终端标识数据时，若地面终端自身正在发送信号，且发送时间已超过星地链路时延及处理时延，则停止发送信号，并继续侦测信道状态；若地面终端自身正在发送信号，且发送时间未超过星地链路时延及处理时延，则继续发送信号，同时继续侦测信道状态；若地面终端自身未发送信号，则该地面终端产生终端标识信息，同时随机选择是否发送信号；
当所述上行解调器捕获到地面终端发送的信号，但未收到终端标识数据时，若地面终端自身正在发送信号，则继续保持发送，同时继续侦测信道状态；如果地面终端自身此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态；
当所述上行解调器捕获到地面终端发送的信号，且收到终端标识数据，但终端标识信息校验码校验错误时，若地面终端自身正在发送信号，则停止发送，同时继续侦测信道状态；如果地面终端自身此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态；
当所述上行解调器捕获到地面终端发送的信号、收到终端标识数据，且终端标识信息校验码校验正确时，若地面终端自身正在发送信号，则对比收到的终端标识信息和自己当前的终端标识信息是否一致，如果一致，则继续发送信号，如果不一致，则停止发送，同时继续侦测信道状态；若地面终端自身此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态。
进一步地，所述随机选择是否发送信号的方法为：在时间槽计数器内产生[0，1]区间的随机数m，若m≤P，则发送信号；否则延时随机时间后重复产生随机数和与P进行大小比较的步骤；所述P为地面终端随机发送概率，是根据卫星波束覆盖区下的地面终端数量调整的参数。
进一步地，所述卫星波束覆盖区下的地面终端数量的计算方法为：
S51，各地面终端通过上行链路信号周期性反馈自己的位置信息；
S52，收集所有地面终端的位置信息，结合星座系统的卫星轨道特点，将每个卫星波束覆盖下的用户终端数随时间变化形成配置参数并发送给卫星；
S53，卫星接收到所述配置参数后，根据其当前位置，提取出当前波束覆盖下的用户终端数n，并将所述当前波束覆盖下的用户终端数n通过下行链路信号广播给卫星波束覆盖下的地面终端。
S54，地面终端解调下行链路信号，从中提取出卫星当前波束覆盖下的用户终端数n，并计算生成所述地面终端随机发送概率P。
进一步地，所述地面终端随机发送概率为
Figure BDA0001657914510000041
进一步地，所述终端标识数据采用DVB-S2X标准中RM(7，64)编码。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过星上解调器辅助用户终端进行链路状态感知，形成链路状态参数数据；利用星座系统业务运行中心的全球终端位置管理特性，形成动态的波束覆盖下终端随机发送概率P参数，并通过卫星下行调制器动态广播链路状态参数及终端随机发送概率P参数，将链路吞吐率由传统时隙ALOHA接入的38.6％提升至60％以上。
(2)本发明所采用的用于提高上行链路随机接入吞吐率的链路帧结构组成简单，便于星上解调器的处理，同时所采用的用于终端标识数据块信道编码的编码方式性能优良，且译码复杂度低。
附图说明
图1为典型低轨卫星通信系统简化组成图；
图2为SAT-CSMA接入上行链路帧结构；
图3为SAT-CSMA接入仿真曲线；
图4为低轨星座系统信息交互示意图。
具体实施方式
本发明根据低轨卫星通信双向链路特点，利用星载解调器的工作状态信息辅助用户终端进行链路状态感知，形成适合卫星应用的SAT-CSMA随机接入体制，同时根据卫星位置动态播发概率参数P从而提高整个链路的系统吞吐量。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，典型低轨卫星通信系统简化组成图，具体如下：
典型低轨卫星通信系统主要包括卫星处理载荷及多个地面终端，星地通过卫星通信链路互联互通。面向用户的通信链路主要包括上行用户接入链路以及下行广播链路，上行用户接入链路承载多个用户发送给卫星的信息，属于多点对单点的通信，一般采用ALOHA的方式进行接入；而下行广播链路为卫星发送给多个终端的信息，属于点对多点通信，一般采用TDM通信体制，每个终端都解调TDM物理信号，从中提取出与自己有关的信息。
本发明提供了一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，称之为SAT-CSMA接入方法，步骤如下：
(1)、基于星上解调器辅助进行上行链路状态感知并通过下行链路播发给覆盖区域内的所有终端。地面终端按照SAT-CSMA接入方法给出的上行链路帧格式发送数据；星上解调器在进行上行链路信号解调时，根据解调器的实际状态指示出信道繁忙状态，并随同终端编号一起通过下行链路周期性播发；地面终端解调下行链路帧，从中提取出上行链路信道状态信息，结合自己的状态信息进行相应的上行信号发送操作。
(2)、利用星座系统业务运行中心的全球终端位置管理特性，形成动态的卫星波束覆盖下终端个数参数数据，通过卫星实时播发给用户终端，用于动态改变终端的数据发送概率参数P，从系统层面优化了用户链路随机接入的吞吐率。
由以上步骤可知，SAT-CSMA接入方法的接入流程简单，其核心是通过优化上行链路帧格式设计，利用星上解调器辅助终端进行链路状态感知，进而减少终端发送信号的碰撞概率，从而提高上行随机接入链路吞吐量；同时利用星座系统的全网管理优势，动态播发终端发送随机发送数据概率参数P，从系统层面进一步提高链路吞吐量。下面重点介绍上行接入信号帧格式设计和接入流程。
(1)上行链路信号帧格式设计
低轨卫星通信上行链路可以看作是星型网络，卫星能够与所有终端建立物理连接，而地面终端之间无法直接建立物理链路连接，因此考虑利用卫星进行信道状态的感知，并通过下行链路广播播发给所有用户终端，辅助终端进行链路感知。为了提高卫星感知信道状态的准确性，对传统的上行链路帧结构进行适应性修改，增加了一个终端信息标识数据块，如图2所示。
修改后的上行链路帧结构和传统帧结构相比，增加了一个短的终端标识数据块，终端标识数据块由终端标识信息以及编码校验数据组成。终端标识数据块采用DVB-S2X标准中RM(7,64)编码，其特点是在Es/N0＝0dB时，误码率仍优于10E-9，保证了终端标识数据块的可靠传输；终端标识有用信息包括6bits的终端编号以及1bit的奇偶校验标识符。
(2)卫星辅助终端感知链路状态流程
步骤一：星上解调器在进行上行链路信号解调时，根据解调器的实际状态指示出信道繁忙状态，共用2bit标识，其中00表示解调器未检测到有用信号，代表信道空闲；01表示解调器捕获到信号，但未收到终端标识块；10表示解调器捕获到信号，且收到终端标识块，但终端标识块校验错误；11表示解调器捕获到信号，且收到终端标识块，终端标识块校验正确。随同解调信道繁忙状态一同下发的还有6bit的终端编号，当解调器捕获到信号，且终端标识块校验正确，则下发解调器收到的终端编号信息，否则填写默认数据0；
步骤二：星上下行调制器周期性采集上行解调器工作状态数据，将解调状态数据信息组帧并以尽可能短的周期插入到下行业务数据中进行广播；
步骤三：地面终端解调下行链路帧，从中提取出上行链路信道状态信息，结合自己的状态信息进行操作。
(1)如果收到的信道状态信息为00，表示信道空闲，此时终端如果正在发送信号，且发送时间已超过星地链路时延及处理时延，则认为终端发送的信号和其它信号碰撞，终端停止发送信号，并继续侦测信道状态；终端如果正在发送信号，且发送时间未超过星地链路时延及处理时延，终端继续发送信号，同时继续侦测信道状态；终端如果未发送信号，则终端随机产生一个6bit的动态终端标识编号，同时在时间槽计数器内产生[0，1]区间的随机数m，若m≤p，则发送数据，否则延时随机时间后继续以上步骤。
(2)如果收到的信道状态信息为01，表示解调器捕获到信号，此时如果终端正在发送信号，则继续保持发送，同时继续侦测信道状态；如果终端此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态。
(3)如果收到的信道状态信息为10，此时如果终端正在发送信号，则停止发送，同时继续侦测信道状态；如果终端此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态。
(4)如果收到的信道状态信息为11，此时如果终端正在发送信号，则对比收到的终端编号和自己当前的终端编号是否一致，如果一致，则继续发送，如果不一致，则停止发送信号，同时继续侦测信道状态；如果终端此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态。
(3)系统管理中心动态播发随机接入参数流程
根据典型文献可知CSMA系统吞吐率计算公式为S＝U/(B+I)，其中，U为数据发送成功的时间，B为忙碌周期，I为空闲周期，进一步计算得到：
Figure BDA0001657914510000081
其中，n为用户数量，p为在某空闲时隙发送数据的概率，L为发送帧长。如图3给出了吞吐率仿真曲线，可知不同终端个数N时，达到链路最优吞吐率对应不同的终端随机发送概率P，理论分析表明当S取最大值时p的近似值为：
Figure BDA0001657914510000082
由于卫星动态运动，其对应波束覆盖区下的用户终端数动态变化，因此需要根据卫星波束覆盖区域内的用户终端个数实时调整终端发送概率P，从而进一步提高上行链路的吞吐率。
对于低轨星座通信系统，都会存在星座系统业务运行中心对整个星座通信系统进行管理，其中就包括终端的位置管理，信息交互示意图如图4所示。一般情况下，用户终端通过上行链路会定期播发自己的位置信息从而便于系统的管理运行，因此，星座系统业务运行中心了解全球的终端动态分布特性，这为进一步优化卫星上行用户链路的吞吐率提供了基础，具体流程如下。
步骤一：用户终端通过用户链路周期性反馈自己的位置信息给卫星，通过卫星经馈电链路/星间链路发送给星座系统业务运行中心；
步骤二：星座系统业务运行中心收集所有终端的位置信息，形成全球终端位置分布图，结合星座系统的卫星轨道特点，将每个卫星波束覆盖内的用户终端数随时间变化形成配置参数经馈电链路发送给卫星；
步骤三：卫星接收到星座系统业务运行中心的配置参数后，根据其当前位置，提取出当前覆盖区对应终端个数n，并将该参数通过用户下行链路广播给覆盖区内的终端。
步骤四：地面终端解调下行链路帧，从中提取出卫星当前覆盖区内的用户终端个数，并计算生成发送概率P参数，按照上节的接入流程进行数据接入。
综上所述，本发明通过星上解调器辅助用户终端进行链路状态感知，进而提高上行链路的随机接入吞吐率；同时利用星座系统业务运行中心的全球终端位置管理特性，形成动态的波束覆盖下终端随机发送概率P参数并动态播发，进一步从系统层面提高了随机接入链路的吞吐率。所采用的随机接入方法接入流程简单，且不增加星上处理的复杂度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，星上的上行解调器在对上行链路信号进行解调时，产生信道繁忙状态标识；所述信道繁忙状态标识表示所述上行解调器是否捕获到地面终端发送的信号及该地面终端的终端标识数据；所述终端标识数据包括用于识别地面终端的终端标识信息和对应的终端标识信息校验码；将所述信道繁忙状态标识和所述上行解调器收到的终端标识信息下发到星上的下行调制器；
S2，所述下行调制器周期性采集所述上行解调器下发的信息，并将所述上行解调器下发的信息插入到下行业务数据中共同构成下行链路信号，向各地面终端进行广播；
S3，各地面终端解调所述下行链路信号，提取出所述信道繁忙状态标识和终端标识信息，并结合自身当前的发送状态决定是否发送信号。
2.根据权利要求1所述的面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：所述S1中信道繁忙状态标识共有四种，分别为00、01、10和11；其中，所述00表示所述上行解调器未捕获到地面终端发送的信号和终端标识数据；所述01表示解调器捕获到地面终端发送的信号，但未收到终端标识数据；所述10表示解调器捕获到地面终端发送的信号，且收到终端标识数据，但终端标识数据校验错误；所述11表示解调器捕获到地面终端发送的信号，且收到终端标识数据，终端标识数据校验正确。
3.根据权利要求1或2所述的面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：所述S3中各地面终端判断是否发送信号的方法为：当所述上行解调器未捕获到地面终端发送的信号和终端标识数据时，若地面终端自身正在发送信号，且发送时间已超过星地链路时延及处理时延，则停止发送信号，并继续侦测信道状态；若地面终端自身正在发送信号，且发送时间未超过星地链路时延及处理时延，则继续发送信号，同时继续侦测信道状态；若地面终端自身未发送信号，则该地面终端产生终端标识信息，同时随机选择是否发送信号；
当所述上行解调器捕获到地面终端发送的信号，但未收到终端标识数据时，若地面终端自身正在发送信号，则继续保持发送，同时继续侦测信道状态；如果地面终端自身此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态；
当所述上行解调器捕获到地面终端发送的信号，且收到终端标识数据，但终端标识信息校验码校验错误时，若地面终端自身正在发送信号，则停止发送，同时继续侦测信道状态；如果地面终端自身此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态；
当所述上行解调器捕获到地面终端发送的信号、收到终端标识数据，且终端标识信息校验码校验正确时，若地面终端自身正在发送信号，则对比收到的终端标识信息和自己当前的终端标识信息是否一致，如果一致，则继续发送信号，如果不一致，则停止发送，同时继续侦测信道状态；若地面终端自身此时未发送信号，则保持不发送信号的状态，同时继续侦测信道状态。
4.根据权利要求3所述的面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：所述随机选择是否发送信号的方法为：在时间槽计数器内产生[0，1]区间的随机数m，若m≤P，则发送信号；否则延时随机时间后重复产生随机数和与P进行大小比较的步骤；所述P为地面终端随机发送概率，是根据卫星波束覆盖区下的地面终端数量调整的参数。
5.根据权利要求4所述的面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：所述卫星波束覆盖区下的地面终端数量的计算方法为：
S51，各地面终端通过上行链路信号周期性反馈自己的位置信息；
S52，收集所有地面终端的位置信息，结合星座系统的卫星轨道特点，将每个卫星波束覆盖下的用户终端数随时间变化形成配置参数并发送给卫星；
S53，卫星接收到所述配置参数后，根据其当前位置，提取出当前波束覆盖下的用户终端数n，并将所述当前波束覆盖下的用户终端数n通过下行链路信号广播给卫星波束覆盖下的地面终端；
S54，地面终端解调下行链路信号，从中提取出卫星当前波束覆盖下的用户终端数n，并计算生成所述地面终端随机发送概率P。
6.根据权利要求5所述的面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：所述地面终端随机发送概率为
Figure FDA0002465742850000031
7.根据权利要求1或2所述的面向低轨卫星通信系统的随机接入方法，其特征在于：所述终端标识数据采用DVB-S2X标准中RM(7，64)编码。
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