CN110166108A - 低轨卫星时分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星时分多址接入方法。该方法包括：对上行链路数据帧进行时隙划分；使地面设备基于划分的时隙向卫星提出预约时隙申请；设置接入协议，使卫星根据地面设备业务等级及链路状态向地面设备分配预约时隙，并向地面设备广播分配结果；使地面设备基于划分的时隙向卫星提出数据时隙申请；设置数据时隙分配协议，使卫星根据地面设备业务等级及链路状态向地面设备分配数据时隙，并向地面设备广播分配结果；使地面设备基于分配的数据时隙与卫星进行数据交流。本发明的低轨卫星时分多址接入方法能保证业务等级较高的地面设备优先接入卫星获得时隙分配以及业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先接入卫星获得时隙分配。

Description

低轨卫星时分多址接入方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种低轨卫星时分多址接入方法。

背景技术

卫星通信系统是全球通信系统的重要组成部分，相比于地面通信系统，卫星通信系统的覆盖范围及应用领域较为广阔。其中，低轨卫星是卫星通信系统的重要载体之一，随着微小卫星集成度和费效比的不断提升，采用低轨卫星星座来构建覆盖热点区域乃至全球的移动通信系统，已逐渐成为目前工业界的主流解决方案。

时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)协议是现有的通信系统中广泛采用的介质访问控制(Medium Access Control，MAC)层接入协议，其在低轨移动卫星通信中仍被广泛应用。时分多址是一种为实现共享传输介质(一般为无线电领域)或者网络的通信技术，它允许多个用户在不同的时间片(时隙)来使用相同的频率。时分多址的工作原理是把连续时间分割成周期性帧，再将每一帧分割为若干时隙，然后按照一定的原则分配时隙，每台设备在每一帧中指定的时隙内接收或发送数据，实现分时、循环占用卫星信道资源。

目前，卫星通信系统采用的一类TDMA协议为混合接入协议，其实现方式为地面设备以随机接入预约方式向卫星发出时隙申请，卫星按照自由分配与按需分配相结合的方式向地面设备分配数据时隙。该协议对应的上行链路数据帧由随机接入预约子帧和数据子帧两部分构成；随机接入预约子帧被划分为多个时隙，各地面设备遵循时隙ALHOA方式依次向卫星提出数据时隙申请；卫星成功接收到数据时隙申请后，按照先到先分配的原则，向地面设备分配数据时隙，直到数据子帧内包含的全部数据时隙被分配完毕或全部入网设备均按申请获得相应数目的数据时隙。该协议对应的下行链路数据帧采用时分复用(TimeDivision Multiplexing，TDM)帧结构，主要传输用于通知地面设备时隙分配方案的控制分组以及有效数据。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有的TDMA混合接入协议在设备接入和时隙分配上未充分考虑业务等级和链路状态等因素，无法优先保证业务等级较高和链路状态较好的地面设备优先接入卫星和分配时隙；采用“先到先分配”的数据时隙分配原则会使得后接入卫星的设备难以申请到充足数目的数据时隙，时隙分配的公平性较差；由于每次分组发送前，地面设备都需向卫星提出数据时隙申请，而随机接入的不确定性无法保证地面设备能够按需获取数据时隙，会影响信息发送的时效性和可靠性；并且由于随机接入预约子帧和数据子帧的长度固定，无法在一定范围内根据接入设备的数量进行动态调整，这使得当入网设备数较少时，随机接入预约子帧的时长过长，降低了上行链路的业务传输效率。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种低轨卫星时分多址接入方法。

为此，本发明公开了一种低轨卫星时分多址接入方法，所述方法包括：

将TDMA上行链路数据帧依次划分为：包括竞争接入时隙和接入广播时隙的接入子帧、包括多个预约时隙和一个预约广播时隙的预约子帧、以及包括多个数据时隙的数据子帧；

使地面设备在所述竞争接入时隙向卫星提出预约时隙申请；

设置接入协议，使所述卫星按照所述接入协议在所述竞争接入时隙内向所述地面设备分配预约时隙，以使所述地面设备按照业务等级从高到低接入所述卫星，使所述地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差接入所述卫星；

所述卫星在所述接入广播时隙向所述地面设备广播包括预约时隙分配结果的预约时隙分配表；

使已分配预约时隙的地面设备在对应的预约时隙向所述卫星提出数据时隙申请；

设置数据时隙分配协议，使所述卫星按照所述数据时隙分配协议在所述预约子帧内向所述已分配预约时隙的地面设备分配数据时隙，以使所述已分配预约时隙的地面设备按照业务等级从高到低获取数据时隙，使所述已分配预约时隙的地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差获取数据时隙；

所述卫星在所述预约广播时隙向所述地面设备广播包括数据时隙分配结果的数据时隙分配表；

所述地面设备根据所述数据时隙分配表在对应的数据时隙与所述卫星进行数据交流。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述预约子帧的时长和所述数据子帧的时长根据接入卫星的地面设备数目动态调整，所述预约时隙的数目根据所述接入卫星的地面设备数目动态调整。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述接入协议包括卫星接入协议和地面设备接入协议，所述卫星接入协议用于确定所述卫星在所述接入子帧内的工作，所述卫星接入协议包括：

a1)检测竞争接入时隙是否结束，若是，向所有地面设备广播预约时隙分配表；若否，执行下一步；

a2)检测上行接收通道的自动增益控制单元是否工作，若是，执行下一步；若否，将上行链路状态标识设置为“空闲”，并返回步骤a1；

a3)判断TDMA上行链路数据帧是否存在可用预约时隙，若是，执行下一步；若否，将上行链路状态标识设置为“占用”，并返回步骤a1；

a4)将上行链路状态标识设置为“占用”；

a5)接收并解析地面设备的入网申请；

a6)检测地面设备的入网申请是否解析成功，若是，将可用预约时隙分配给当前申请入网的地面设备，同时对预约时隙分配表进行更新并向所有地面设备广播更新后的预约时隙分配表，而后返回步骤a1；若否，返回步骤a1。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述TDMA上行链路数据帧是否存在可用预约时隙采用如下方式进行定义：

当TDMA用户数未达到所述卫星的系统最大容量时，所述TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；

当所述TDMA用户数达到所述卫星的系统最大容量时，若已入网的地面设备中存在业务等级低于所述当前申请入网的地面设备，所述TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；

当所述TDMA用户数达到所述卫星的系统最大容量时，若所述已入网的地面设备中存在业务等级等于所述当前申请入网的地面设备且链路状态差于所述当前申请入网的地面设备，所述TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述地面设备接入协议用于确定所述地面设备在所述接入子帧内的工作，所述地面设备接入协议包括：

b1)检测竞争接入时隙是否结束，若是，进入接入广播时隙，接收卫星广播的预约时隙分配表；若否，执行下一步；

b2)解析最新接收的相邻的两个预约时隙分配表；

b3)检测在相邻的两个预约时隙分配表中是否能检索到自身的逻辑地址，若是，返回步骤b1；若否，执行下一步；

b4)持续检测上行链路状态标识，直到上行链路状态标识为“空闲”；

b5)设置退避计时器并设定一个退避时间；

b6)启动退避计时器进行计时；

b7)检测上行链路状态标识是否为“空闲”，若是，执行下一步；若否，冻结退避计时器，并持续检测上行链路状态标识，直至上行链路状态标识为“空闲”，返回步骤b6；

b8)判断退避计时器是否减至0，若是，执行下一步；若否，返回步骤b7；

b9)检测竞争接入时隙是否结束，若是，进入接入广播时隙，接收卫星广播的预约时隙分配表；若否，向卫星发送入网申请，返回步骤b1。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述数据时隙分配协议包括卫星时隙分配协议和地面设备时隙分配协议，所述卫星时隙分配协议用于确定所述卫星在所述预约子帧内的工作，所述卫星时隙分配协议包括：

c1)在预约时隙内接收地面设备的数据时隙申请，记录每个地面设备的数据时隙申请数、业务等级、以及每个地面设备所对应的预约时隙内自动增益控制单元在接收信号时的增益值，并构建包括每个地面设备对应的逻辑地址、数据时隙申请数、业务等级和增益值的数据时隙需求表；

c2)计算可用数据时隙总数V；

c3)根据数据时隙需求表，计算业务等级i对应的地面设备的数据时隙申请数总和U_i，i＝1、2、3……n，n为已接入卫星的地面设备中最低业务等级对应的数值；

c4)设定U₀＝0；

c5)设定i＝1；

c6)检测是否成立，若是，执行下一步；若否，执行步骤c9；

c7)按照业务等级i对应的地面设备的数据时隙申请数向业务等级i对应的地面设备分配数据时隙；

c8)检测i＝n是否成立，若是，执行步骤c11；若否，使i的数值增加1，并返回步骤c6；

c9)统计业务等级i对应的地面设备总数N_i；

c10)检测是否成立，若是，按照增益值从低到高对N_i个业务等级i对应的地面设备进行排序，依照排序顺序分别向N_i个地面设备中的前个地面设备分配一个数据时隙，并执行下一步；若否，先分别向N_i个业务等级i对应的地面设备分配一个数据时隙，再按照增益值从低到高对N_i个地面设备进行排序，依照排序顺序和N_i个地面设备的数据时隙申请数依次向N_i个地面设备分配数据时隙，直至可用数据时隙分配完，并执行下一步；

c11)结束数据时隙分配过程，构建包括每个地面设备对应的逻辑地址和获分配的数据时隙数的数据时隙分配表，并向地面设备广播数据时隙分配表。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述地面设备时隙分配协议用于确定所述地面设备在所述预约子帧内的工作，所述地面设备时隙分配协议包括：

d1)持续监测预约时隙进程，直到到达对应的预约时隙；

d2)向卫星发送包括数据时隙申请数和业务等级的申请信息；

d3)等待接收卫星广播的数据时隙分配表；

d4)解析已接收的数据时隙分配表；

d5)检测在数据时隙分配表中是否能检索到自身的逻辑地址且对应的获分配的数据时隙数大于0，若是，根据数据时隙分配表计算自身数据时隙的起始位置；若否，消除自身的预约时隙序号，等待下一次竞争接入时隙到来时重新向卫星提出预约时隙申请。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述方法还包括：设置地面设备入网及退网协议，所述地面设备入网及退网协议用于所述卫星根据地面设备入网及退网情况对所述预约时隙分配表进行调整。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述地面设备入网及退网协议包括：

在竞争接入时隙内，所述卫星按照所述卫星接入协议对所述预约时隙分配表进行调整；

在预约时隙内，所述卫星若未接收到地面设备上传的数据时隙申请信息或者接收到的数据时隙申请信息错误，所述卫星将所对应的地面设备从所述预约时隙分配表中删除，并释放对应的预约时隙；

在数据时隙内，所述卫星若未接收到地面设备上传的有效数据或者接收到地面设备上传的“时隙释放”标识符，所述卫星将所对应的地面设备从所述预约时隙分配表中删除，并释放对应的预约时隙。

进一步地，在所述低轨卫星时分多址接入方法中，所述方法还包括：对上行链路数据包和下行链路数据包的结构进行设置；

所述上行链路数据包包括上行通用字段和上行专用字段，所述上行通用字段用于描述上行链路的通用控制信息，所述上行专用字段用于描述地面设备的特定要求；

所述下行链路数据包包括下行通用字段和下行专用字段，所述下行通用字段用于描述上行链路状态和地面设备信息，所述下行专用字段用于地面设备的业务数据传输。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的低轨卫星时分多址接入方法通过对上下行链路数据帧的结构进行调整，并设置接入协议和数据时隙分配协议，能够保证在竞争接入时隙内业务等级较高的地面设备优先接入卫星以及业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先接入卫星，保证在预约子帧内业务等级较高的地面设备优先获得时隙分配以及业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先获得时隙分配；且在卫星系统未达到最大容量时，保证地面设备可持续申请并获得时隙分配，在卫星系统达到最大容量时，保证业务等级较高的地面设备仍可接入卫星，确保信息发送的时效性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的低轨卫星时分多址接入方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的TDMA上行链路数据帧及TDM下行链路数据帧的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的低轨卫星时分多址接入方法中卫星接入协议的流程图；

图4为本发明一个实施例的低轨卫星时分多址接入方法中地面设备接入协议的流程图；

图5为本发明一个实施例的低轨卫星时分多址接入方法中卫星时隙分配协议的流程图；

图6为本发明一个实施例的低轨卫星时分多址接入方法中地面设备时隙分配协议的流程图；

图7为本发明一个实施例的上行链路数据包及下行链路数据包的结构及传输方式示意图；

图8为本发明一个实施例的低轨卫星时分多址接入方法的应用场景示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如附图1所示，本发明实施例提供了一种低轨卫星时分多址接入方法，该低轨卫星时分多址接入方法包括如下步骤：

将TDMA上行链路数据帧依次划分为：包括竞争接入时隙和接入广播时隙的接入子帧、包括多个预约时隙和一个预约广播时隙的预约子帧、以及包括多个数据时隙的数据子帧；

使地面设备在竞争接入时隙向卫星提出预约时隙申请；

设置接入协议，使卫星按照接入协议在竞争接入时隙内向地面设备分配预约时隙，以使地面设备按照业务等级从高到低接入卫星，使地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差接入卫星；

卫星在接入广播时隙向地面设备广播包括预约时隙分配结果的预约时隙分配表；

使已分配预约时隙的地面设备在对应的预约时隙向卫星提出数据时隙申请；

设置数据时隙分配协议，使卫星按照数据时隙分配协议在预约子帧内向已分配预约时隙的地面设备分配数据时隙，以使已分配预约时隙的地面设备按照业务等级从高到低获取数据时隙，使已分配预约时隙的地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差获取数据时隙；

卫星在预约广播时隙向地面设备广播包括数据时隙分配结果的数据时隙分配表；

地面设备根据数据时隙分配表在对应的数据时隙与卫星进行数据交流。

以下对本发明实施例提供的低轨卫星时分多址接入方法的工作原理及各步骤进行具体说明。

如附图2所示，TDMA上行链路数据帧可以包括接入子帧、预约子帧和数据子帧，接入子帧包括竞争接入时隙和接入广播时隙，预约子帧包括多个预约时隙和一个预约广播时隙，数据子帧包括多个数据时隙。

本发明实施例中，未分配预约时隙的地面设备在竞争接入时隙内向卫星提出预约时隙申请，卫星在接入广播时隙内向地面设备广播预约时隙分配结果；具体地，在竞争接入时隙内，未分配预约时隙的地面设备向卫星提出预约时隙申请，卫星在成功接收到申请后，对地面设备进行预约时隙分配，并通过下行链路将预约时隙分配结果反馈给相应的地面设备；在竞争接入时隙结束后的接入广播时隙内，卫星向全部地面设备广播预约时隙分配结果。

已分配预约时隙的地面设备在预约时隙内向卫星提出数据时隙申请，卫星在预约广播时隙内向地面设备分配数据时隙并向地面设备广播数据时隙分配结果；具体地，已分配预约时隙的地面设备在对应的预约时隙向卫星提出数据时隙申请，在全部预约时隙结束后的预约广播时隙，卫星根据地面设备需求、可用数据时隙数目和地面设备业务等级进行数据时隙分配，分配完成后向地面设备广播数据时隙分配结果。

已分配数据时隙的地面设备在对应的数据时隙内向卫星上传有效数据，与卫星构建双向传输通道，实现数据交流。

基于上述TDMA上行链路数据帧的设定，本发明实施例中，将接入子帧时长设置为固定值，将预约子帧和数据子帧的时长总和设置为固定值；如此设置，能够使上行链路数据帧时长保持固定，使竞争接入时隙在上行链路中以固定的重复频率出现，便于地面设备根据所处时刻选取最邻近的时隙向卫星发送接入申请。

进一步地，为了避免出现接入卫星的地面设备较少而预约子帧时长过长的情况，本发明实施例中，预约子帧的时长和数据子帧的时长可以根据接入卫星的地面设备数目动态调整，预约时隙的数目可以根据接入卫星的地面设备数目动态调整。如此设置，当接入卫星的地面设备数目较少时，预约时隙的数目也相应地减少，使预约子帧时长缩短，能有效地提高上行链路的业务传输效率。

同时，为了便于对预约子帧的时长和数据子帧的时长进行调整且保证调整后的预约子帧和数据子帧的时长总和保持固定，数据时隙的时长可以与预约时隙的时长相同；当减少或增加一个预约时隙时，相应地增加或减少一个数据时隙，即可使预约子帧和数据子帧的时长总和保持固定。

如附图2所示，本发明实施例中，为了使TDM下行链路数据帧与TDMA上行链路数据帧相适配，下行链路数据帧的时长固定且与上行链路数据帧相同，下行链路数据帧包括下行接入子帧、时间片、下行预约广播时隙、下行数据子帧和引导码；其中，下行接入子帧及下行预约广播时隙在时间上与上行链路数据帧的接入子帧及预约广播时隙相对齐，以便于卫星向地面设备传输预约时隙和数据时隙分配结果等信令信息；时间片在时间上与上行链路数据帧的预约时隙相对齐，同时由于在预约时隙内，下行链路不进行信令传输，该时间片可以根据星上数据下传要求自由分配；下行数据子帧和引导码在时间上与上行链路数据帧的数据子帧相对齐，且引导码采用集中插入方式，并在下行链路中重复发送，以保证卫星与地面设备快速建立下行链路，确保卫星持续运动中的链路可靠性。

如上述，卫星按照接入协议在竞争接入时隙内向地面设备分配预约时隙，以使地面设备按照业务等级从高到低接入卫星，使地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差接入卫星；本发明实施例中，为了实现上述的预约时隙分配原则，接入协议包括卫星接入协议和地面设备接入协议，卫星接入协议用于确定卫星在接入子帧内的工作，如附图3所示，卫星接入协议包括：

a1)检测竞争接入时隙是否结束，若是，向所有地面设备广播预约时隙分配表；若否，执行下一步；

a2)检测上行接收通道的自动增益控制单元是否工作，若是，执行下一步；若否，将上行链路状态标识设置为“空闲”，并返回步骤a1；

a3)判断TDMA上行链路数据帧是否存在可用预约时隙，若是，执行下一步；若否，将上行链路状态标识设置为“占用”，并返回步骤a1；

a4)将上行链路状态标识设置为“占用”；

a5)接收并解析地面设备的入网申请；

a6)检测地面设备的入网申请是否解析成功，若是，将可用预约时隙分配给当前申请入网的地面设备，同时对预约时隙分配表进行更新并向所有地面设备广播更新后的预约时隙分配表，而后返回步骤a1；若否，返回步骤a1。

其中，TDMA上行链路数据帧是否存在可用预约时隙采用如下方式进行定义：

当TDMA用户数未达到卫星的系统最大容量时，TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；当TDMA用户数达到卫星的系统最大容量时，若已入网的地面设备中存在业务等级低于当前申请入网的地面设备，TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；当TDMA用户数达到卫星的系统最大容量时，若已入网的地面设备中存在业务等级等于当前申请入网的地面设备且链路状态差于当前申请入网的地面设备，TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；若上述情况均不满足，则表示TDMA上行链路数据帧不存在可用预约时隙。

本发明实施例中，预约时隙分配表可以包含有已入网地面设备对应的逻辑地址、预约时隙序号、业务等级、以及自动增益控制单元(AGC)的增益值，其具体结构可以如表1所示。

表1(预约时隙分配表)

逻辑地址	预约时隙序号	业务等级	增益值
				设备A逻辑地址	1	Grade1	Gain1
设备B逻辑地址	2	Grade2	Gain2
				……	……	……	……

可知，卫星根据上述的卫星接入协议所述的流程在接入子帧内进行工作，能够使业务等级较高的地面设备优先接入卫星获取预约时隙，使业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先接入卫星获取预约时隙。

进一步地，地面设备接入协议用于确定地面设备在接入子帧内的工作，如附图4所示，地面设备接入协议包括：

b1)检测竞争接入时隙是否结束，若是，进入接入广播时隙，接收卫星广播的预约时隙分配表；若否，执行下一步；

b2)解析最新接收的相邻的两个预约时隙分配表；

b3)检测在相邻的两个预约时隙分配表中是否能检索到自身的逻辑地址，若是，返回步骤b1；若否，执行下一步；

b4)持续检测上行链路状态标识，直到上行链路状态标识为“空闲”；

b5)设置退避计时器并设定一个退避时间；

b6)启动退避计时器进行计时；

b7)检测上行链路状态标识是否为“空闲”，若是，执行下一步；若否，冻结退避计时器，并持续检测上行链路状态标识，直至上行链路状态标识为“空闲”，返回步骤b6；

b8)判断退避计时器是否减至0，若是，执行下一步；若否，返回步骤b7；

b9)检测竞争接入时隙是否结束，若是，进入接入广播时隙，接收卫星广播的预约时隙分配表；若否，向卫星发送入网申请，返回步骤b1。

其中，若地面设备在接入广播时隙内未从接收到的预约时隙分配表检索到自身的逻辑地址，则该地面设备在后续的预约子帧和数据子帧中保持静默，等待下一次竞争接入时隙到来时重新向卫星发送入网申请。

可知，地面设备根据上述的地面设备接入协议所述的流程在接入子帧内进行工作，能够保证地面设备有序地向卫星发送入网申请以获取预约时隙，避免出现多个地面设备同时向卫星提出申请而造成信息干扰，有效地提高了信息发送的时效性和可靠性。

如上述，卫星按照数据时隙分配协议在预约子帧内向已分配预约时隙的地面设备分配数据时隙，以使已分配预约时隙的地面设备按照业务等级从高到低获取数据时隙，使已分配预约时隙的地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差获取数据时隙；本发明实施例中，为了实现上述的数据时隙分配原则，数据时隙分配协议包括卫星时隙分配协议和地面设备时隙分配协议，卫星时隙分配协议用于确定卫星在预约子帧内的工作，如附图5所示，卫星时隙分配协议包括：

c1)在预约时隙内接收地面设备的数据时隙申请，记录每个地面设备的数据时隙申请数、业务等级、以及每个地面设备所对应的预约时隙内自动增益控制单元在接收信号时的增益值，并构建包括每个地面设备对应的逻辑地址、数据时隙申请数、业务等级和增益值的数据时隙需求表；

c2)计算可用数据时隙总数V；

c3)根据数据时隙需求表，计算业务等级i对应的地面设备的数据时隙申请数总和U_i，i＝1、2、3……n，n为已接入卫星的地面设备中最低业务等级对应的数值；

c4)设定U₀＝0；

c5)设定i＝1；

c6)检测是否成立，若是，执行下一步；若否，执行步骤c9；

c7)按照业务等级i对应的地面设备的数据时隙申请数向业务等级i对应的地面设备分配数据时隙；

c8)检测i＝n是否成立，若是，执行步骤c11；若否，使i的数值增加1，并返回步骤c6；

c9)统计业务等级i对应的地面设备总数N_i；

c10)检测是否成立，若是，按照增益值从低到高对N_i个业务等级i对应的地面设备进行排序，依照排序顺序分别向N_i个地面设备中的前个地面设备分配一个数据时隙，并执行下一步；若否，先分别向N_i个业务等级i对应的地面设备分配一个数据时隙，再按照增益值从低到高对N_i个地面设备进行排序，依照排序顺序和N_i个地面设备的数据时隙申请数依次向N_i个地面设备分配数据时隙，直至可用数据时隙分配完，并执行下一步；

c11)结束数据时隙分配过程，构建包括每个地面设备对应的逻辑地址和获分配的数据时隙数的数据时隙分配表，并向地面设备广播数据时隙分配表。

本发明实施例中，数据时隙需求表可以包含每个申请数据时隙的地面设备对应的逻辑地址、数据时隙申请数、业务等级和增益值，其具体结构可以如表2所示；数据时隙分配表可以包含每个申请数据时隙的地面设备对应的逻辑地址和获分配的数据时隙数，其具体结构可以如表3所示。

表2(数据时隙需求表)

逻辑地址	数据时隙申请数	业务等级	增益值
				设备A逻辑地址	x1	Grade1	Gain1
设备B逻辑地址	x2	Grade2	Gain2
				……	……	……	……

表3(数据时隙分配表)

逻辑地址	获分配时隙数
		设备A逻辑地址	x1
设备B逻辑地址	x2
		……	……

可知，卫星根据上述的卫星时隙分配协议所述的流程在预约子帧内进行工作，能够使业务等级高的地面设备优先获取数据时隙，使业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先获取数据时隙。

进一步地，本发明实施例中，地面设备时隙分配协议用于确定地面设备在预约子帧内的工作，如附图6所示，地面设备时隙分配协议包括：

d1)持续监测预约时隙进程，直到到达对应的预约时隙；

d2)向卫星发送包括数据时隙申请数和业务等级的申请信息；

d3)等待接收卫星广播的数据时隙分配表；

d4)解析已接收的数据时隙分配表；

d5)检测在数据时隙分配表中是否能检索到自身的逻辑地址且对应的获分配的数据时隙数大于0，若是，根据数据时隙分配表计算自身数据时隙的起始位置；若否，消除自身的预约时隙序号，等待下一次竞争接入时隙到来时重新向卫星提出预约时隙申请。

其中，若地面设备未在预约广播时隙内接收到正确的数据时隙分配表，或在接收到的数据时隙分配表中未检索到自身的逻辑地址，或在接收到的数据时隙分配表中检索到的对应的获分配时隙数为0，则在后续的数据子帧中保持静默，等待下一次竞争接入时隙到来时重新向卫星发送入网申请。

可知，地面设备根据上述的地面设备时隙分配协议所述的流程在预约子帧内进行工作，能够保证地面设备有序地向卫星提出数据时隙申请，避免出现信息干扰的情况，有效地提高了信息发送的时效性和可靠性。

进一步地，本发明实施例中，该低轨卫星时分多址接入方法还包括：设置地面设备入网及退网协议，地面设备入网及退网协议用于卫星根据地面设备入网及退网情况对预约时隙分配表进行调整。

其中，本发明实施例中，对于地面设备的入网及退网采用如下定义：

若地面设备在接入广播时隙内能从预约时隙分配表中检索到自身的逻辑地址，则表示该地面设备入网；若地面设备在接入广播时隙内未能从预约时隙分配表中检索到自身的逻辑地址，或者地面设备在接入广播时隙内始终未能接收到正确的预约时隙分配表，则表示该地面设备被动退网；若地面设备在对应的数据时隙内，在相应的上行数据帧中使能“时隙释放”标识符，该表示该地面设备主动退网。

基于上述地面设备的入网及退网的定义，本发明实施例中，地面设备入网及退网协议包括：

在竞争接入时隙内，卫星按照卫星接入协议对预约时隙分配表进行调整；

在预约时隙内，卫星若未接收到地面设备上传的数据时隙申请信息或者接收到的数据时隙申请信息错误，卫星将相应的地面设备从预约时隙分配表中删除，并释放相应的预约时隙；

在数据时隙内，卫星若未接收到地面设备上传的有效数据或者接收到地面设备上传的“时隙释放”标识符，卫星将相应的地面设备从预约时隙分配表中删除，并释放相应的预约时隙。

如此设置，能够便于卫星根据地面设备的入网及退网情况对预约时隙分配表进行修改调整，保证高效地利用上行链路进行业务传输。

如附图7所示，本发明实施例中，该低轨卫星时分多址接入方法还包括：对上行链路数据包和下行链路数据包的结构进行设置。

具体地，上行链路数据包和下行链路数据包用于定义数据帧每个时隙内有效数据的格式，上行链路数据包包括上行通用字段和上行专用字段，上行通用字段用于描述上行链路的通用控制信息，上行专用字段用于描述地面设备的特定要求。上行链锯数据包在时隙内传输时，上行链路数据包先被添加用于检错的CRC校验码，再经加扰、编码和交织等操作后，作为物理层传输帧的数据域；同时，为了便于卫星对扩频信号的快速捕获和同步，作为物理层传输帧的数据域还添加有引导码和帧同步码。此外，由于物理层传输帧在给定时隙内传输时，需要抵抗不同设备之间的时间同步误差，时隙前端设置有前端保护时间和时隙后端设置有后端保护时间。其中，前端保护时间不小于系统最大时间同步误差，后端保护时间不小于最大时间同步误差、星地最大传输时延和信号处理延迟之和。优选地，根据上述的地面设备接入协议，地面设备在竞争接入时隙内先进行退避计时器计时再发送数据，本发明实施例中，竞争接入时隙可以不用设置前端保护时间。

如附图7所示，本发明实施例中，上行通用字段可以包括帧标识、源地址、目的地址和业务等级；帧标识用于区分竞争接入时隙、预约时隙和数据时隙的不同数据包类型；源地址和目的地址用于指明数据包的发送设备和接收设备，在接入广播时隙和预约广播时隙内，目的地址设置为通用逻辑地址；业务等级用于描述上行链路数据包的传输优先级。上行专用字段用于描述地面设备的特定要求，其具体内容与上行链路数据包所在的时隙相关。具体地，在竞争接入时隙内，不设置上行专用字段；在预约时隙内，上行专用字段包括地面设备所申请的数据时隙数；在数据时隙内，上行专用字段包括“时隙释放”标识符和地面设备传输的业务数据。

同理，下行链路数据包包括下行通用字段和下行专用字段，下行通用字段用于描述上行链路状态和地面设备信息，下行专用字段用于地面设备的业务数据传输。下行链锯数据包在时隙内传输时，下行链路数据包先被添加用于检错的CRC校验码后，再经加扰、编码和交织等操作后，作为物理层传输帧的数据域，由于下行链路采用TDM帧格式，数据域直接插入TDM帧中传输。

如附图7所示，下行通用字段可以包括上行链路状态、源地址、目的地址、业务类型和数据包计数；上行链路状态在竞争接入时隙内启用，用于向地面设备反馈上行链路空闲和占用状态，在其他时隙内该上行链路状态字段均处于挂起状态；下行通用字段的源地址及目的地址与上行通用字段的源地址及目的地址相对应且作用相同；业务类型和数据包计数用于描述下行专用字段内的业务数据属性，当业务数据需要拆分成多个数据包发送时，通过数据包计数字段来描述数据包的先后次序，便于接收设备的合并处理。

本发明实施例提供的低轨卫星时分多址接入方法用于地面设备与低轨卫星构建双向传输通道，实现数据/指令上注和星上数据/卫星转发数据接收。如附图8所示，本发明实施例还提供了一种低轨卫星时分多址接入方法的具体应用场景。

如附图8所示，本发明实施例提供的低轨卫星时分多址接入方法的应用场景中，低轨卫星的接收天线和发射天线可以采用广域覆盖的宽波束天线，上行链路和下行链路可以采用扩频通信体制，地面设备可以包括地面站、机动卫星通信车、便携式或手持式卫星通信装备；上行链路采用多用户TDMA接入，下行链路采用TDM帧格式，在不同时段传输相互独立的数据，上行链路和下行链路选择不同频率实现全双工通信。此外，卫星可以搭载导航接收机，以通过星务计算机将时间信息提供给通信载荷；地面设备可以配备导航电文接收模块，以使多用户TDMA的时间同步问题可依托于导航系统授时来实现，使同步误差小于10ms；卫星和每台地面设备均分配唯一的设备逻辑地址，以作为传输数据包的源地址或目的地址，地面设备均能识别的通用逻辑地址，以便于星上数据广播。

可见，本发明实施例提供的低轨卫星时分多址接入方法通过对上下行链路数据帧的结构进行调整，并设置接入协议和数据时隙分配协议，能够保证在竞争接入时隙内业务等级较高的地面设备优先接入卫星以及业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先接入卫星，保证在预约子帧内业务等级较高的地面设备优先获得时隙分配以及业务等级相同的地面设备中链路状态较好的部分优先获得时隙分配；且在卫星系统未达到最大容量时，保证地面设备可持续申请并获得时隙分配，在卫星系统达到最大容量时，保证业务等级较高的地面设备仍可接入卫星，确保信息发送的时效性和可靠性。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述方法包括：

将TDMA上行链路数据帧依次划分为：包括竞争接入时隙和接入广播时隙的接入子帧、包括多个预约时隙和一个预约广播时隙的预约子帧、以及包括多个数据时隙的数据子帧；

使地面设备在所述竞争接入时隙向卫星提出预约时隙申请；

设置接入协议，使所述卫星按照所述接入协议在所述竞争接入时隙内向所述地面设备分配预约时隙，以使所述地面设备按照业务等级从高到低接入所述卫星，使所述地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差接入所述卫星；

所述卫星在所述接入广播时隙向所述地面设备广播包括预约时隙分配结果的预约时隙分配表；

使已分配预约时隙的地面设备在对应的预约时隙向所述卫星提出数据时隙申请；

设置数据时隙分配协议，使所述卫星按照所述数据时隙分配协议在所述预约子帧内向所述已分配预约时隙的地面设备分配数据时隙，以使所述已分配预约时隙的地面设备按照业务等级从高到低获取数据时隙，使所述已分配预约时隙的地面设备中业务等级相同的部分按照链路状态从好到差获取数据时隙；

所述卫星在所述预约广播时隙向所述地面设备广播包括数据时隙分配结果的数据时隙分配表；

所述地面设备根据所述数据时隙分配表在对应的数据时隙与所述卫星进行数据交流。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述预约子帧的时长和所述数据子帧的时长根据接入卫星的地面设备数目动态调整，所述预约时隙的数目根据所述接入卫星的地面设备数目动态调整。

3.根据权利要求2所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述接入协议包括卫星接入协议和地面设备接入协议，所述卫星接入协议用于确定所述卫星在所述接入子帧内的工作，所述卫星接入协议包括：

a1)检测竞争接入时隙是否结束，若是，向所有地面设备广播预约时隙分配表；若否，执行下一步；

a2)检测上行接收通道的自动增益控制单元是否工作，若是，执行下一步；若否，将上行链路状态标识设置为“空闲”，并返回步骤a1；

a3)判断TDMA上行链路数据帧是否存在可用预约时隙，若是，执行下一步；若否，将上行链路状态标识设置为“占用”，并返回步骤a1；

a4)将上行链路状态标识设置为“占用”；

a5)接收并解析地面设备的入网申请；

a6)检测地面设备的入网申请是否解析成功，若是，将可用预约时隙分配给当前申请入网的地面设备，同时对预约时隙分配表进行更新并向所有地面设备广播更新后的预约时隙分配表，而后返回步骤a1；若否，返回步骤a1。

4.根据权利要求3所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述TDMA上行链路数据帧是否存在可用预约时隙采用如下方式进行定义：

当TDMA用户数未达到所述卫星的系统最大容量时，所述TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；

当所述TDMA用户数达到所述卫星的系统最大容量时，若已入网的地面设备中存在业务等级低于所述当前申请入网的地面设备，所述TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙；

当所述TDMA用户数达到所述卫星的系统最大容量时，若所述已入网的地面设备中存在业务等级等于所述当前申请入网的地面设备且链路状态差于所述当前申请入网的地面设备，所述TDMA上行链路数据帧存在可用预约时隙。

5.根据权利要求4所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述地面设备接入协议用于确定所述地面设备在所述接入子帧内的工作，所述地面设备接入协议包括：

b1)检测竞争接入时隙是否结束，若是，进入接入广播时隙，接收卫星广播的预约时隙分配表；若否，执行下一步；

b2)解析最新接收的相邻的两个预约时隙分配表；

b3)检测在相邻的两个预约时隙分配表中是否能检索到自身的逻辑地址，若是，返回步骤b1；若否，执行下一步；

b4)持续检测上行链路状态标识，直到上行链路状态标识为“空闲”；

b5)设置退避计时器并设定一个退避时间；

b6)启动退避计时器进行计时；

b7)检测上行链路状态标识是否为“空闲”，若是，执行下一步；若否，冻结退避计时器，并持续检测上行链路状态标识，直至上行链路状态标识为“空闲”，返回步骤b6；

b8)判断退避计时器是否减至0，若是，执行下一步；若否，返回步骤b7；

b9)检测竞争接入时隙是否结束，若是，进入接入广播时隙，接收卫星广播的预约时隙分配表；若否，向卫星发送入网申请，返回步骤b1。

6.根据权利要求5所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述数据时隙分配协议包括卫星时隙分配协议和地面设备时隙分配协议，所述卫星时隙分配协议用于确定所述卫星在所述预约子帧内的工作，所述卫星时隙分配协议包括：

c1)在预约时隙内接收地面设备的数据时隙申请，记录每个地面设备的数据时隙申请数、业务等级、以及每个地面设备所对应的预约时隙内自动增益控制单元在接收信号时的增益值，并构建包括每个地面设备对应的逻辑地址、数据时隙申请数、业务等级和增益值的数据时隙需求表；

c2)计算可用数据时隙总数V；

c3)根据数据时隙需求表，计算业务等级i对应的地面设备的数据时隙申请数总和U_i，i＝1、2、3……n，n为已接入卫星的地面设备中最低业务等级对应的数值；

c4)设定U₀＝0；

c5)设定i＝1；

c6)检测是否成立，若是，执行下一步；若否，执行步骤c9；

c7)按照业务等级i对应的地面设备的数据时隙申请数向业务等级i对应的地面设备分配数据时隙；

c8)检测i＝n是否成立，若是，执行步骤c11；若否，使i的数值增加1，并返回步骤c6；

c9)统计业务等级i对应的地面设备总数N_i；

c10)检测是否成立，若是，按照增益值从低到高对N_i个业务等级i对应的地面设备进行排序，依照排序顺序分别向N_i个地面设备中的前个地面设备分配一个数据时隙，并执行下一步；若否，先分别向N_i个业务等级i对应的地面设备分配一个数据时隙，再按照增益值从低到高对N_i个地面设备进行排序，依照排序顺序和N_i个地面设备的数据时隙申请数依次向N_i个地面设备分配数据时隙，直至可用数据时隙分配完，并执行下一步；

c11)结束数据时隙分配过程，构建包括每个地面设备对应的逻辑地址和获分配的数据时隙数的数据时隙分配表，并向地面设备广播数据时隙分配表。

7.根据权利要求6所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述地面设备时隙分配协议用于确定所述地面设备在所述预约子帧内的工作，所述地面设备时隙分配协议包括：

d1)持续监测预约时隙进程，直到到达对应的预约时隙；

d2)向卫星发送包括数据时隙申请数和业务等级的申请信息；

d3)等待接收卫星广播的数据时隙分配表；

d4)解析已接收的数据时隙分配表；

d5)检测在数据时隙分配表中是否能检索到自身的逻辑地址且对应的获分配的数据时隙数大于0，若是，根据数据时隙分配表计算自身数据时隙的起始位置；若否，消除自身的预约时隙序号，等待下一次竞争接入时隙到来时重新向卫星提出预约时隙申请。

8.根据权利要求7所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述方法还包括：设置地面设备入网及退网协议，所述地面设备入网及退网协议用于所述卫星根据地面设备入网及退网情况对所述预约时隙分配表进行调整。

9.根据权利要求8所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述地面设备入网及退网协议包括：

在竞争接入时隙内，所述卫星按照所述卫星接入协议对所述预约时隙分配表进行调整；

在预约时隙内，所述卫星若未接收到地面设备上传的数据时隙申请信息或者接收到的数据时隙申请信息错误，所述卫星将所对应的地面设备从所述预约时隙分配表中删除，并释放对应的预约时隙；

在数据时隙内，所述卫星若未接收到地面设备上传的有效数据或者接收到地面设备上传的“时隙释放”标识符，所述卫星将所对应的地面设备从所述预约时隙分配表中删除，并释放对应的预约时隙。

10.根据权利要求1或9所述的低轨卫星时分多址接入方法，其特征在于，所述方法还包括：对上行链路数据包和下行链路数据包的结构进行设置；

所述上行链路数据包包括上行通用字段和上行专用字段，所述上行通用字段用于描述上行链路的通用控制信息，所述上行专用字段用于描述地面设备的特定要求；

所述下行链路数据包包括下行通用字段和下行专用字段，所述下行通用字段用于描述上行链路状态和地面设备信息，所述下行专用字段用于地面设备的业务数据传输。