CN110099388A - 一种与5g网络融合的卫星移动通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其特征在于，其方法步骤如下：对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；建立高低频组网；在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信；对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿；在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入。本发明的有益效果如下：使系统有效利用各类频谱资源提升数据传输速率和系统容量；使系统利用空闲非授权频谱，克服频谱短缺问题；优化5G空口波形，使其适应卫星通信场景下的高动态特性；有效提升频谱利用率和系统容量；有效解决卫星移动通信系统拓扑特殊、路由困难、用户业务端到端时延较大的问题。

Description

一种与5G网络融合的卫星移动通信方法

技术领域

本发明涉及网络和移动通信技术领域，特别是指一种与5G网络融合的卫星移动通信方法。

背景技术

卫星移动通信是指借鉴地面移动通信的传输技术标准，与陆地蜂窝移动通信充分融合，提供“回程”数据传输或用户直接接入，以实现移动通信对全球的覆盖。如今卫星移动通信的优势得到业界广泛关注，由于地面移动通信系统不能部署到边远地区，而卫星通信本身具有较大的覆盖范围，将5G关键技术应用到卫星通信中，实现与5G融合的卫星移动通信，可以为边远地区提供高速的通信服务。

目前，与5G融合的卫星移动通信技术需要考虑以下六个方面问题：

(1)频率规划和利用。在5G与卫星融合的网络中，虽可统一规划和复用频率以有效避免因频率冲突带来的“硬干扰”，但毕竟整体频率资源有限，且适用频段(高、中、低)有所差异，仍需要探索在一体网络框架下的频率复用及频率灵活动态分配与控制技术。

(2)统一空口设计。5G与卫星融合的网络具有超级异构特性，但用户需要“透明”接入，故要求统一的空口技术和协议设计。对AP(Access Point)而言，“统一”的本质是无线技术框架一致；对终端而言，“统一”的本质是应做到一套“基带处理单元+射频处理单元+天线”就能实现自适应接入各种AP。这需要在认知无线电、自适应编码调制、自适应帧结构、高效宽带射频和天线处理等技术上有所突破。

(3)干扰管理。融合网络的频率复用和超级异构特性导致实际应用时仍会存在同频或异频干扰。LTE-Advanced曾针对地面异构网的干扰问题提出了干扰协调、干扰抑制、干扰对消等多种干扰处理技术，卫星通信领域也有大量关于解决星地间干扰问题的研究，但在融合的网络中如何应用这些技术进行干扰协调还有待研究。

(4)移动性管理。在独立的蜂窝系统或卫星系统中，移动性管理已然重要；在更为复杂的融合中，移动性管理的重要性和复杂性更为凸显。按通信层级，可分为网络级切换(AP或终端改变了其IP地址)和链路级切换(通信双方的链路发生变化)；链路级切换按范围由大到小又可分为卫星间切换、同卫星之卫星小区间切换、地面小区和卫星小区间切换、地面小区间切换。在复杂传输环境下的切换对现有的切换技术提出了挑战。

(5)接入/控制/转发分离。5G网络为满足其标志能力指标，提出了将接入、控制和转发三个功能平面分离设计的思想，能实现快速灵活的整体无线接入和更高的无线资源利用率，实现集中的控制功能和简化的控制流程，实现数据转发效率和灵活性的极大提升。卫星通信系统目前还是一个紧耦合的系统，其特殊的传输特性，特别是长时延特性，对于各层面功能的分离提出了更高的要求，如何实现还需要进一步研究。

(6)SDN(Software Defined Network)/NFV(Network Function Virtualization)扩展。5G网络较之前蜂窝系统的一大革命是引入了源于有线网络的SDN/NFV思想。NFV技术将软硬件分离(网元功能与物理实体解耦)，使网元功能按需分配和动态伸缩，以达到最优资源利用；SDN技术将控制功能和转发功能分离，有利于通过控制平面从全局感知和调度网络资源。但SDN/NFV在卫星通信中的应用还面临传输环境复杂的实际挑战，它能否在未来的卫星网络中发挥作用，还有待进一步研究。

基于以上问题的存在，限制了卫星通信技术的发展，这也导致与5G网络融合的卫星移动通信技术一直未能实现。

发明内容

本发明提出一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，解决了现有技术中无法实现5G网络与卫星移动通信技术相融合的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其方法步骤如下：(1)对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；

(2)建立高低频组网，具体方法如下：

A、搭建高低频组网架构，通过构建控制平面和用户平面分离的组网架构，使卫星资源得到集中控制，实现波束之间的迅速切换；

B、汇聚多种传输协议，通过将PDCP层作为聚合层，同时满足高频和低频通信协议栈的需求；

C、建立与低频通信子系统和高频子系统的双连接，通过将低频子系统作为高频子系统的调度中心，在高频通信质量下降的情况下，实现低频子系统向高频子系统发送指示信令；

(3)在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信，具体方法如下：

A、感知频谱数据，依据宽带能量检测算法，对来自多波束天线载荷的信号进行FFT变换，并进行噪声干扰估计，设置适当的判决门限，实现对宽带频谱的频谱感知；

B、基于干扰协调，依据已有频率图谱、即时感知结果、当前通信状况、通信业务的SINR要求因素，进行频率选择，减少跳变次数，实现信道容量最大化；

(4)对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿，具体方法如下：

A、估算多普勒频移，利用几何学方法，通过对多普勒频移的规律进行分析，实现卫星与移动终端间的最大多普勒值估算；

B、对多普勒频移进行补偿，通过使用DDS+PLL方法，将中频信号与本振进行混频，实现实时高精度频移补偿；

C、设计多普勒频移补偿模块，通过设计下行链路补偿模块，实现多普勒频移的消除；通过设计上行链路预校正模块，保证通信链路正常工作；通过多普勒频移估算模块，给预校正和补偿模块提供相应数据；

(5)在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入，具体方法如下：

A、通过非正交随机接入方式和共享接入信道资源，实现大连接场景下混合多址随机接入；

B、消除下行串行干扰，通过采用排序的干扰消除检测算法，对用户数据进行逐个检测，并反复迭代，直至消除所有用户的多址干扰；

C、对上行多用户实现非正交共享接入，结合改进干扰消除的方案，实现高负载；

D、在物理层引入冗余传输，通过降低白噪影响，保障极端环境下的SNR达到最低解调要求；

(6)在建立SDN和NFV卫星网络架构的基础上，实现分段路由技术，具体方法如下：

A、建立基于SDN的卫星网络架构，结合SDN思想，降低卫星网络信令开销，减轻网络负载；

B、建立基于NFV的核心网网络架构，通过5GC内部实例化专有的VNF，实现加速整个链路的建立与传输、维护卫星系统终端的移动性；

C、实现分段路由，针对卫星高速移动的特性，通过实验仿真方法筛选成熟的路由算法，并结合卫星运控信息进行改进，实现基于SDN的分段路由。

本发明的有益效果为：

高低频组网技术，通过结合低频段连接的鲁棒性与毫米波系统的大容量特性，提高移动卫星对海量物联网设备的接入能力，能够使卫星通信系统有效利用各类频谱资源来提升数据传输速率和系统容量；

动态频谱环境下星地协同的认知通信技术，能够使卫星移动通信系统能够利用空闲的非授权频谱，克服频谱短缺的问题，同时提高干扰协调能力；

高动态频移补偿技术，能够优化5G空口波形，使其适应卫星通信场景下的高动态特性；

面向卫星通信的非正交多址技术，能够有效提升频谱利用率和系统容量，还能降低用户的接入时延；

基于SDN的转发交换技术能够通过转发与控制分离的方式，有效解决卫星移动通信系统拓扑特殊、路由困难、用户业务端到端时延较大的问题。

本发明成果能够服务于卫星运营商、卫星研制企业、政府、地面网络运营商等卫星通信产业链的各环节单位和最终用户。

本发明成果涵盖通信物理层、链路层、网络层和传输层技术，并拟成体系给出系统波形和网络架构方案，结合全要素的仿真平台，可以对后续LEO星座、地面5G网络和新型GEO移动通信卫星等重大工程的建设提供技术和仿真支撑，对卫星移动通信全行业的发展能够起到以点带面的引领、示范和辐射作用。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其具体实现方法步骤如下：

(1)对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述，给出典型场景的案例，为后续关键技术的攻关提供量化场景和相关参数支撑。

(2)建立高低频组网，利用低频段和毫米波频段组网，可以充分利用低频段连接的鲁棒性、毫米波系统的大容量特性，能够极大减少卫星移动通信应用的接入延时，并且能够支持具备更强设备的连接能力来应对海量物联网设备的接入。其具体过程如下：

步骤1，搭建高低频组网架构，通过构建控制平面和用户平面分离的组网架构，其中既有负责基础覆盖的低频段宽波束，也有承担热点覆盖的高频段点波束。整个接入框架划分为2个子系统，即高频通信子系统和低频通信控制子系统。该架构卫星覆盖范围下，话音和窄带用户直接由低频段宽波束提供接入控制和传输服务，宽带用户由宽波束转发器在低频段提供控制信息，由点波束转发器在高频段提供数据信息。该架构具有以下几个方面的特点：

①卫星资源集中控制：将宽波束和点波束划分到同一集群中，能够较容易地满足热点区域用户的高体验速率要求。

②部分点波束仅具有数据功能，即只有RLC、MAC层和物理层功能，能够明显降低转发器载荷的处理成本。

③低频采用统一控制平台，由于低频段传输特性更好，具有更好的可移动性，在覆盖范围上优于毫米波系统，从而能够给系统提供更好的健壮性。

④通过用户数据平面的聚合，可以在多个链路上传输数据，最大化吞吐量，或者在一条链路上传输，可以迅速从一个波束切换到另一个波束。

步骤2，汇聚多种传输协议，将PDCP层作为聚合层，该选择主要基于以下几个方面的考虑：

①非本地协作的部署：不需要同步，因此协议栈部署于地面站是可行的。由于在PHY、MAC和RLC层汇聚都只能采取星上处理方式，这就限制了卫星能力的提升，也增大了卫星系统空间段的复杂度，提高了成本；此外，PDCP层可以移动到地面核心网中，在一个新的协调器节点中，它可以充当多颗卫星组网的网关，当然PDCP聚合层也可以部署在星上载荷。

②对高低频波形的PHY层到RLC层没有设计限制：在已有低频卫星通信协议栈框架下(例如天通)，设计高频通信体制协议栈的PHY层到RLC层没有任何设计限制，这样可以更好的完成融合通信的需求和应对海量终端接入的挑战。例如，可以在PHY层和MAC层使用TDD方案，从而更好的降低无线电接入延迟。如果集成层是在MAC层或者PHY层，则高频子系统和低频子系统的双工方式必须相同。

③具有较低延迟：PDCP层作为聚合层的双连接方案相较于其他方案，数据传输的延迟更小。如果聚合层是在RLC层，由于发送给低频子系统空口的分段将会比发送给高频子系统的分段的延迟高很多，那么接收端的重组过程将会变慢，因此后者将会停留在缓存区内。然而PDCP层的主要功能是将上层收集到的数据包转发给相关的RLC实体，主要实现报文段的头压缩(上层协议的静态头部分不会传输给每个数据包)，也就是说，PDCP层执行的是报文段的转发，不用进行重组过程，极大简化相关设计。但是在PDCP层，可能会因为超时而丢包，因此，必须设置一个较高的超时时间来处理这个问题。

④适合卫星传输场景：PDCP层可以部署在核心网，也可以部署在卫星载荷，适合透明转发和星上处理两种主流卫星转发模式。在PDCP层聚合可以充分利用缓存技术适应卫星传输，特别是GEO卫星传输的长时延问题，并且可以与协议加速等技术进行融合。

⑤具有传输可靠性：数据汇聚层的重复传输主要是针对卫星网络传输时延就比较大、受环境影响比较大的问题。通过这种方式下，数据包汇聚在PDCP层进行复制、传输和发送，有助于实现用户性能提升，对用户总体吞吐量和切换时延都有帮助，抵御环境影响，保障链路可靠性。

步骤3，建立与低频通信子系统和高频子系统的双连接，通过将低频子系统作为高频子系统的调度中心，在高频通信的质量下降的情况下，能够实现低频子系统向高频子系统指示信令的发送。

在高低频混合组网中，移动用户同时与低频通信子系统和高频子系统保持连接，低频子系统作为高频子系统的调度中心，移动用户保持双连接的时候，当高频通信质量下降时，没有必要进行一个完整的小区切换，只需要低频子系统向高频子系统发送指示信令即可。

对于每一个双连接设备，只通过低频通信子系统与核心网相连。低频子系统与核心网之间由S1接口相连，高频子系统与移动性管理实体之间并不能直接交换控制信息。毫米波基站与LTE基站通过X2链路相连接，该链路可以是有线的实际链路也可以是逻辑链路。当移动用户在区域内移动时，低频子系统收集关于移动用户的信息，并通过X2链路向高频子系统发送信令信息。

(3)在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信，通过卫星认知终端记录感知到的频谱数据，利用控制中心数据挖掘技术使系统具备学习和推理的能力，提高移动卫星通信的抗干扰能力，保证通信质量，最终使系统能够自动适应动态频谱环境，与主用户达成最优的频谱共享形式。其具体过程如下：

步骤1，感知频谱数据，依据宽带能量检测算法，对来自多波束天线载荷的信号进行FFT变换，并进行噪声干扰估计，设置适当的判决门限，实现对宽带频谱的频谱感知，具体过程如下：

①首先输入连续多次抽样信号的能量累积和作为待检测量输入，即对需要检测的信号进行连续Nt次采样，对每次采样后的结果进行FFT变换，将时域采样结果转换为频谱样值信号，求每个频点上的能量并对同一频点上不同时间上的能量进行累加，将累加和作为待检测量；

②将待检测值的均值乘以一个系数得到初次判决门限；

③在完成首次判决后，检查方案进入迭代过程，根据判决结果，算法对信号进行分类和重新统计，对判决为噪声的信号重新求平均得到新噪声估计值，对判决为信号的部分进行平均得到信号加上噪声的平均能量，通过重新统计得到宽带频谱信号占用率以及信噪比等信息；

④利用重新统计后的信息更新判决门限，对于频谱进行重新判决；比较重新判决后的状态与上一次判决的状态，如果两次判决的差异满足收敛条件则停止迭代过程并输出本次判决结果作为最终判决结果，否则继续迭代判决过程；

⑤输出的判决结果和频谱数据传输至频谱数据压缩模块和频率选择模块。

步骤2，基于干扰协调的频率选择技术，依据已有频率图谱、即时感知结果、当前通信状况(包括是否在通信)、通信业务的SINR要求以及其他相关因素，进行频率选择，从而实现跳变次数的减少以及信道容量的最大化，具体方法如下：

频率选择的方法：

①如果当前业务信道正在使用，则优先使用当前业务信道，只有当前业务信道不可用或者信道容量远低于最优信道时，才进行跳转。通过抬升门限判断信道优劣，从业务信道到图谱优选信道的抬升门限为2，表示当图谱中的最优信道容量大于当前业务信道容量两倍时进行跳转；

②当从业务信道跳转和当前业务刚开始选择信道时，优先跳转至图谱中的最优信道，只有当图谱中的最优信道不可用或者容量远低于非图谱最优信道容量时，才选择跳转至非图谱最优信道；图谱最优信道至非图谱最优信道的抬升门限为3，表示只有当非图谱信道当前容量大于图谱最优信道容量3倍以上时，认知终端才会选择非图谱信道；

③当信道环境恶劣，所有信道容量都不可用或者不满足抬升门限时，继续使用当前使用的信道。

频率选择的实现步骤：

为了合理加速算法的运行，考虑将认知终端频率选择算法分两步执行：第一步，对已有频率图谱中所包含的信道进行遍历，由于频率图谱是先前已经发现可以使用的信道，虽然不一定与最新情况一致，但与最新情况一致的可能性很高，完全可以优先处理；第二步，对剩余位置的信道进行遍历，其方法和过程与第一步一致；进行两步划分的主要好处在于可以在第一步遍历已经达到要求的条件下跳过第二步，从而减少算法的计算量。

已有频率图谱所包含信道的搜索算法主体是一个多次循环，循环次数取决于(t,p,F)中包含的信道个数。对于其中的每个信道，总体来说就是优先选择频率图谱中提供的优选信道，只有当优选信道当前信道容量不可用或极低时，才根据即时感知数据选择当前瞬时容量最大的信道。

完成跳变信道的选择后，认知终端将目的信道的中心频点通过导频下发至手持终端，得到确认信息后，认知终端和手持终端跳频至目的频点，再建立链接继续上传数据。

(4)对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿，通过消除接收端的多普勒频移，完成信号的解调，实现载波的同步，提高通信性能。其具体过程如下：

步骤1，估算多普勒频移：利用几何学方法，通过对多普勒频移的规律进行分析，实现卫星与移动终端间的最大多普勒值的估算，具体方法如下：

利用几何学方法得到卫星与地面终端间的相对速度，从而由多普勒频移的原始公式推导出多普勒频移的计算表达式，并对多普勒频移的规律进行分析，然后估算GEO卫星与LEO卫星与移动终端间的最大多普勒值。

步骤2，对多普勒频移进行补偿，通过使用DDS+PLL的方法，将中频信号与本振进行混频，实现实时、高精度的频移补偿，具体方法如下：

通过估算得到的多普勒频移，驱动接收机产生一个本振，这个本振就是用来补偿多普勒频移的。将中频信号与本振进行混频，消除多普勒频移，完成多普勒频移补偿；

在通信链路中，如果没有多普勒频移，二次混频的本振频率为中频本振即可，但是在卫星移动通信系统中，为了补偿较大的多普勒频移，二次混频的本振频率还要加上多普勒频偏，即上/下变频器的一次本振是固定的，二次变频(多普勒预校正或补偿)本振将使用DDS+PLL频率合成器的频率，DDS的输出频率低、杂散大，可以利用PLL倍频来提供高频率、频谱质量好的性能，实现对多普勒频移的跟踪；

相比于导频法，使用DDS+PLL方法进行多普勒频移补偿，可以实现实时、高精度的频移补偿，且频移补偿不依赖于信关站；另外，增加PLL使得频移补偿具有更高的分辨率和更快的频率转换，能够更好的补偿卫星移动通信系统中的多普勒频移；

DDS+PLL的补偿方案实际是利用直接数字频率合成器和锁相环产生实时的多普勒频移，使本振频率按照多普勒频移的变化规律不断变化，通过混频器的混频来补偿接收信号的多普勒频移，消除频移对接收端信号系统的影响。

步骤3，设计多普勒频移补偿模块，通过设计下行链路补偿模块，实现多普勒频移的消除；通过设计上行链路预校正模块，保证通信链路的正常工作；通过多普勒频移估算模块，实现预校正和补偿模块相应数据的提供。

用户链路的载波跟踪包括上行链路的多普勒预校正和下行链路的多普勒频移补偿。对于下行链路，天线接收到的已调信号带有多普勒频移，首先要对其进行补偿，即在下行链路补偿模块中实施补偿方案，利用接收到的信号与估算模块实时得到的多普勒频移进行混频，消除多普勒频移，才能进行后续的信息处理；对于上行链路，经过调制、扩频等处理后的信号需要先进行预校正模块，抵消链路产生的多普勒频移，从而避免频移对卫星接收信号的影响，保证通信链路的正常工作；对于多普勒频移估算模块，按照提出的SDE算法，可以实时、快速的估算频移，为预校正和补偿模块提供相应的数据。

(5)在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入，通过消除下行串行干扰，最大化网络接入容量。其具体过程如下：

步骤1，通过非正交的随机接入方式，以及共享接入信道资源，实现大连接场景下混合多址随机接入，从而在保证QoS的情况下，有效提高网络接入容量。

步骤2，消除下行串行干扰，通过采用排序的干扰消除检测算法，对用户数据进行逐个检测，并反复迭代，直到消除所有用户的多址干扰，具体方法如下：

①对接收信号进行MMSE检测；

②经过MMSE检测得到边缘用户信号估计值，将信号估计值从接收的和信号中消去，从而消除边缘用户的多址干扰；

③对剩下的接收数据重新进行MMSE检测，得到中心用户数据的估计值。

步骤3，对上行多用户实现非正交共享接入，结合改进干扰消除的方案，实现高负载；

多用户非正交共享接入上行在发送端采用非正交扩频码。首先给每个用户分配一个扩展序列，在编码调制之后，对已编码数据进行扩展，然后将扩展后的列进行叠加，占用相同的时频资源，扩展序列不正交，具有低互相关性，在接收端采用串行干扰消除接收机进行接收；

多用户非正交共享接入上行采用简单的复数域多元序列作为扩展序列，用户之间非正交、保持低互相关性、占用相同的时频资源，接收端采用串行干扰消除接收机，可以实现高负载。大量用户可以随机选取扩展序列，然后将其调制符号扩展到相同的时频资源上。所以用户接入可以免除复杂的控制流程，真正做到可以想发就发，不想发就深度睡眠。利用串行干扰消除接收机还可以利用“远近效应”，利用用户之间的功率差分离用户数据。这些优异性能使得多用户非正交共享接入适应卫星物联网终端海量连接的场景；

主站接收机将接收信号进行推导，将接收信号表示成等效信道系数乘调制信号的形式，之后在MMSE-SIC接收端，首先按照公式对等效信道系数进行计算，得到等效信道系数，然后对用户按照信干噪比进行排序，选出其中信干噪比最大的用户，对该用户进行MMSE检测，若检测正确，则进行重构，然后从接收数据中消去重构的已检测的用户数据，再重新对用户按照信干噪比进行计算排序，选择未检测的信干噪比最大的用户，进行MMSE检测，若译码正确，则根据译码数据重构该用户发送端的数据，并从已消去第一个已检测的用户数据的接收数据中消去该重构数据，反复进行迭代，重复排序、检测、重构、消去过程，直至检测出所有的用户数据。

步骤4，在物理层引入冗余传输，通过降低白噪影响，保障极端环境下的SNR达到最低解调要求：

物理层的冗余传输有两种形式：一种是传输块由M个时域单元构成，一种是每个时域单元的传输可以重复N次发送。通过这种方式，M个时域单元分别通过N次重复发送后，构成一个M×N时域单元的传输块，然后每次重复发送加载不同的扰码。这种方式可以降低白噪影响，提高接收信号信噪比，从而提高信道估计性能，进而提升接收机解调性能。理论上重复4次可以有6db的性能提升。传输块级别的重复传输，接收机在解扰后将多次传输的数据块进行合并后进行译码，因此可以得到传输时间分集的增益。重复传输的理论最大增益，可以通过计算公式重复增益＝10*log(重发次数)得到，但是实际增益，随着重复次数的增大，重复传输的增益会逐渐下降。

(6)在建立SDN和NFV卫星网络架构的基础上，实现分段路由技术，从而满足QoS要求，减少传输时延，降低差错率和拥塞率。其具体过程如下：

步骤1，建立基于SDN的卫星网络架构，通过对各个节点的功能进行设计，引入分段路由概念结合SDN思想，降低卫星网络信令开销，减轻网络负载，节约网络资源；

步骤2，建立基于NFV的核心网网络架构，通过5GC内部实例化专有的VNF，实现加速整个链路的建立与传输、维护卫星系统终端的移动性、为用户提供最佳用户体验：

卫星系统与地面的融合时，卫星系统看作是特殊的接入网，5GC网络采用的是虚拟化切片技术，5GC内部单独的一部分切片资源处理卫星通信系统的接入，卫星接入系统需要把信令面和数据面的数据包封装成IP包，5GC内部实例化专有的VNF处理特有的数据包，包括卫星加速VNF、卫星移动性管理VNF、卫星系统与5G系统互操作管理VNF等

卫星加速VNF作用在于5GC与卫星通信系统同时满足可靠传输与节约时间方面做处理，加速整个链路的建立与传输。

卫星移动性管理VNF作用在于卫星链路中上下文的管理、位置管理和寻呼等，维护卫星系统终端的移动性。

卫星系统与5G系统互操作管理VNF作用是管理卫星系统与5G系统之间的互操作，综合网络各网络链路质量、覆盖及计费等因素，为用户提供最佳用户体验。建立网络的初级阶段可以采用双模双待终端，分别支持卫星系统传输和5G网络传输，中后期协议完善的情况下，5GC内部VNF之间可以交互，可以采用双模单待终端，卫星系统和5G系统间可以互操作，在用户感知不变的情况下，终端比较节电。5G覆盖范围内，用户能够享用5G网络带来的超大带宽超大流量的体验，在没有5G网络覆盖时，卫星通信系统能够很好的补充，而且整个过程都是无缝切换。

步骤3，实现分段路由，针对卫星高速移动的特性，通过实验仿真等方法筛选合适的成熟路由算法，并结合卫星运控信息进行改进，实现基于SDN的分段路由技术；

在卫星网络中引入分段路由，主要面临的问题及解决办法如下：

LEO卫星的SR能力：LEO卫星星座在卫星网络架构中作为数据平面，其主要工作就是提取报文的相关字段，查询流表，按照命中的流表项转发报文，引入分段路由，要求LEO卫星需要有根据报文自身携带的段头部转发该报文的能力。具体就是当LEO卫星接收到报文后，如果发现报文中含有有效段头部，那么按照Segment Routing转发报文；如果没有段头部，则查询流表，按照命中的流表项转发；

卫星网络架构具有全球覆盖性：系统中必然存在众多的用户，如果完全按照SDN的做法，那么LEO卫星节点中势必需要存储大量的流表项，而采用同分段路由技术，报文的转发信息都在报文的段头部中维护，中间路由结点不维护路径状态，引入分段路由，可以大量减少LEO卫星的流表项数目，节约卫星资源，加快处理速度；

段标识的分发：段标识的分发，也就是路径信息在网络节点中的分发。在地面网络架构中，该部分信息的分发都是由IGP完成的。但是在卫星网络中，由于卫星的快速运动，网络拓扑的变化比较频繁，运行地面网络的IGP协议是不合适的；但是卫星网络有其周期性，把卫星星座的一个周期分成若干时间片，在每个时间片内，其拓扑可以看成是不变的。所以本项目利用Dijkstra最短路径算法计算网络各卫星节点之间路径，并且将路径信息都固定存储在各个LEO卫星；这也就意味着，系统一旦启动，段标识信息的分发就已经完成；为了应对卫星节点失效等状况，网络控制器可以实时地修改LEO卫星上的分段路由路径信息；

分段路由的控制：分段路由支持SDN控制与静态配置两种方式，卫星网络架构自然采用地面站控制器控制，每一个LEO节点都具有修改报文段头部的能力。

本发明所述的与5G网络融合的卫星移动通信系统的总体工作流程如下：

卫星系统总体流程主要包括地面用户节点接入LEO卫星，用户发起业务，控制器计算路由、下发流表，业务报文转发交付，业务结束。通过描述一个用户业务从发起到结束的过程，介绍系统总体流程：

①地面用户根据最短距离原则，向距离本用户最近的LEO卫星的接入信道发送用户接入请求，其中包含用户自身信息，以及具体业务类型、业务目的用户和QoS需求，该LEO将用户接入请求报文转发给自己目前所在群组的GEO卫星。

②任何一颗GEO卫星接收到用户接入请求后，都直接或者间接利用GEO-middle与地面站控制器的星地链路，将用户接入请求报文最终转发给地面站控制器。

③地面站控制器根据全网状态信息，根据用户所在的位置信息，业务QoS需求等，计算用户接入的卫星节点通信信道，计算业务路由。如果当前网络资源分配状态无法满足该用户业务需求，那么拒绝用户的接入请求，不做任何处理；如果当前网络资源可以满足用户业务请求，向GEO-middle下发用户接入确认报文，同时还需要向GEO下发业务路径建立信息。业务路径建立有流表项或者段控制两种方式，所有下发的业务路径建立信息可以是流表修改报文，也可以是段控制报文。

④GEO在收到用户接入确认报文或者业务路径建立信息之后，查看报文中的目的LEO字段，向自己群组内的LEO卫星转发。

⑤LEO卫星如果收到业务路径建立信息，按照相应字段建立流表项或者增加段控制表项，从而建立业务路径；如果收到用户接入确认报文，那么从报文指定的信道，将报文转发给地面用户。

⑥地面用户收到用户接入确认报文，接入相应卫星节点的通信信道后，发送业务报文。

⑦LEO卫星收到用户业务报文，首先查找星上段路由表项，操作报文的段控制头部；如果报文具有有效的段控制头部，那么按照段控制头部转发，如果报文没有有效的段控制头部，那么查询星上流表项，进行转发；如果上述均不成立，那么丢弃报文。

⑧地面用户在业务完成之后，向当前接入的LEO卫星发送业务结束报文。和用户接入请求报文一样，业务结束报文经过LEO，GEO卫星的转发，最终被发送到地面站控制器。

⑨地面站控制器收到业务结束报文，回收分配给该业务的相关网络资源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (1)

1.一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其特征在于，其方法步骤如下：(1)对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；

(2)建立高低频组网，具体方法如下：

A、搭建高低频组网架构，通过构建控制平面和用户平面分离的组网架构，使卫星资源得到集中控制，实现波束之间的迅速切换；

B、汇聚多种传输协议，通过将PDCP层作为聚合层，同时满足高频和低频通信协议栈的需求；

C、建立与低频通信子系统和高频子系统的双连接，通过将低频子系统作为高频子系统的调度中心，在高频通信质量下降的情况下，实现低频子系统向高频子系统发送指示信令；

(3)在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信，具体方法如下：

A、感知频谱数据，依据宽带能量检测算法，对来自多波束天线载荷的信号进行FFT变换，并进行噪声干扰估计，设置适当的判决门限，实现对宽带频谱的频谱感知；

B、基于干扰协调，依据已有频率图谱、即时感知结果、当前通信状况、通信业务的SINR要求因素，进行频率选择，减少跳变次数，实现信道容量最大化；

(4)对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿，具体方法如下：

A、估算多普勒频移，利用几何学方法，通过对多普勒频移的规律进行分析，实现卫星与移动终端间的最大多普勒值估算；

B、对多普勒频移进行补偿，通过使用DDS+PLL方法，将中频信号与本振进行混频，实现实时高精度频移补偿；

C、设计多普勒频移补偿模块，通过设计下行链路补偿模块，实现多普勒频移的消除；通过设计上行链路预校正模块，保证通信链路正常工作；通过多普勒频移估算模块，给预校正和补偿模块提供相应数据；

(5)在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入，具体方法如下：

A、通过非正交随机接入方式和共享接入信道资源，实现大连接场景下混合多址随机接入；

B、消除下行串行干扰，通过采用排序的干扰消除检测算法，对用户数据进行逐个检测，并反复迭代，直至消除所有用户的多址干扰；

C、对上行多用户实现非正交共享接入，结合改进干扰消除的方案，实现高负载；

D、在物理层引入冗余传输，通过降低白噪影响，保障极端环境下的SNR达到最低解调要求；

(6)在建立SDN和NFV卫星网络架构的基础上，实现分段路由技术，具体方法如下：

A、建立基于SDN的卫星网络架构，结合SDN思想，降低卫星网络信令开销，减轻网络负载；

B、建立基于NFV的核心网网络架构，通过5GC内部实例化专有的VNF，实现加速整个链路的建立与传输、维护卫星系统终端的移动性；

C、实现分段路由，针对卫星高速移动的特性，通过实验仿真方法筛选成熟的路由算法，并结合卫星运控信息进行改进，实现基于SDN的分段路由。