CN110247698B - 一种基于多载波整体解调的fdma体制卫星专网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，属于卫星通信专网组网技术领域。该系统包括中心站和远端站，各站之间通过卫星进行通信，各远端站均包括各自的业务信道单元、IP接入控制器和射频设备，所述中心站包括自己的射频设备、业务信道单元、控制信道单元、信道交换机、IP接入控制器和网管中心，各IP接入控制器均内置有网管代理。本发明支持单站对多方向不间断通信，提高了通信设备和卫星频率资源的利用效率，大大增强了FDMA体制卫星专网组网的应用能力和范围。

Description

一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统
技术领域
本发明涉及卫星通信专网组网技术领域，特别是指一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统。
背景技术
一直以来，FDMA体制卫星通信系统主要以调制和解调单个载波的调制解调器设备为核心进行卫星通信专网的组网通信，主要以点到点卫星链路为基础实现了网状、星状等FDMA体制卫星专网组网。由于点到点链路的特点使组网通信时受到诸多限制，如同一时刻仅可与一个方向通信，与多方向通信需要增加调制解调硬件设备，切换到不同方向需要中断链路等等，存在通信硬件和卫星频谱资源利用率不高，组网不够灵活等不足。
传统方案虽然能够实现FDMA体制下资源动态分配进行星状、网状等组网通信，但传统方案存在以下不足：
（1）通信方向受限：地球站同一时刻可以通信的目的站点数量受限于本站信道单元（调制解调器）硬件配置数量，如果要扩展同时通信的链路方向，就需要扩展增加信道单元数量来支持，必然造成建设成本的增加；
（2）网状通信能力限制：传统体系下的网状组网，实质上是多条独立点到点卫星链路集合构成的网状拓扑连接，基于通信方向的限制，这些当前链路之外的地球站是不连通的，如果要改变正在通信的地球站与其它地球站的通信关系，旧需要拆除原有链路，重新建立到新方向地球站的卫星链路，造成通信链路的频繁拆除和建立，增加了网络通信的不可靠性；
（3）资源使用效率不高：虽然传统FDMA组网体制也实现了DAMA资源分配和BOD带宽动态调整，一定程度上提高了资源使用效率，但每条链路占用的载波资源往往对称分配，并且固定仅在该通信方向使用，这就造成卫星载波带宽资源不能够被多方向共享并且容易造成单方向浪费，使资源使用效率得不到最大限度提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，具有单信道多方向通信、网状通信能力强 、资源使用效率高等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其包括中心站以及一个或多个远端站，各站之间通过卫星进行通信，各远端站均包括各自的业务信道单元、IP接入控制器和射频设备，所述中心站包括自己的射频设备、业务信道单元、控制信道单元、信道交换机、IP接入控制器和网管中心，各IP接入控制器均内置有网管代理；其中，
所述IP接入控制器，用于连接业务网络，将需要发送的出站IP数据按照目的IP网络插入交换标签；还用于检测业务流量情况，建立或调整卫星通信载波，并由内置的网管代理与网管中心通信以实现对通信载波的控制调整；
所述信道交换机，用于在IP接入控制器与相应的信道单元之间转发数据；
所述业务信道单元，用于对来自业务网络的多路数据进行调制，还用于对来自卫星的多路载波进行整体解调，获得其它站点发送给本站的IP业务数据，合并转发给本站业务网络；
所述控制信道单元，用于实现中心站到远端站的网络控制信令的合路调制发送，以及远端站到中心站的网络控制信令的多载波整体解调合路接收；
所述网管中心负责卫星专网的组网控制，按照通信需求及组网策略新建通信载波，并在网络通信过程中对通信载波及通信关系进行调整和控制；
所述射频设备用于收发射频信号；
该系统的工作方式如下：
（1）各站业务网络的出站IP数据被路由到本站IP接入控制器，被IP接入控制器截获；
（2）收到出站IP数据的IP接入控制器查看是否存在满足要求的通信资源及转发规则，若存在，则按照该转发规则将出站IP数据插入交换标签并转发至信道交换机，然后执行步骤（6）；否则通过内置的网管代理向网管中心申请网络传输带宽资源，然后执行步骤（3）；
（3）网管中心针对各站请求计算需要分配的通信资源，并通知通信相关站配置并调整通信参数；
（4）各相关站IP接入控制器的内置网管代理配置网络参数及转发规则，建立传输IP数据所需的卫星网传输链路；
（5）各站IP接入控制器将出站IP数据按照转发规则插入交换标签并转发至信道交换机；
（6）信道交换机按照交换标签将IP数据转发到对应的信道单元；
（7）信道单元将出站IP数据调制后转发至射频设备，以射频信号的形式向卫星发射；
（8）卫星的转发器以广播方式转发收到的射频信号；
（9）各站通过各自的射频设备接收卫星转发的射频信号，并将接收到的射频信号变频至中频信号后输入到业务信道单元；
（10）业务信道单元在网管中心的控制下解调其收到的一个或多个信号，并通过信道交换机将解出的IP数据合路后转发给本站的IP接入控制器；
（11）IP接入控制器接收目的地是本站的数据并转发给本站业务网络，丢弃目的地不是本站的数据，完成IP数据从源站到目的站的传输；
此外，通信过程中，各站的IP接入控制器实时监视本站多个出站方向的数据流量大小，当流量发生变化时，通过网管代理向网管中心申请调整该方向的通信资源。
具体的，所述中心站和远端站均具有多个业务信道单元，所述远端站还包括各自的信道交换机，远端站的信道交换机与各自站的IP接收控制器连接，各站的多个业务信道单元以相互并联的方式与该站的信道交换机连接。
具体的，所述信道交换机将与各信道单元连接的端口及与IP接入控制器连接的端口划分在不同的VLAN域内，其中，与IP接入控制器连接的端口配置为汇聚端口；所述IP接入控制器向出站IP数据插入的交换标签为VLAN标签；信道交换机按照VLAN标签将出站IP数据向各对应端口进行转发，从而实现向不同卫星信道的出站选路分发，信道交换机将从各信道单元接收的入站数据向与IP接入控制器连接的汇聚端口进行转发，从而实现将多路信道单元数据的合路入站转发给IP接入控制器。
具体的，所述网管中心和远端站之间通过1路TDM载波和至少1路ALOHA载波实现双向控制，具体来说，所述中心站的控制信道单元接收来自网管中心的去往多个目的远端站的出站数据，按照系统规划的控制信道前向TDM载波参数进行调制发送出站，此外，中心站的控制信道单元按照系统规划的控制信道反向ALOHA载波参数进行多载波整体解调接收，将接收到的来自各远端站的入境网络控制信令转发给网管中心。
具体的，所述业务信道单元总是解调TDM载波以接收网管中心信令，并总是解调业务载波以接收来自其它站的业务数据；所述业务信道单元分时发送ALOHA载波或业务载波，在无业务数据时，发送ALOHA载波传输网管信令，在有业务数据时，在业务载波内同时发送业务数据和信令数据，相应地，在中心站解调该业务载波以接收该站的反向管理信令。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、单信道支持多个方向通信
现有技术基于点到点链路进行传输，单信道仅支持向一个方向传输，需通过增加信道设备数量扩展同时通信的链路方向，本发明充分利用卫星信道的广播特性，在一路信道里合路传输向多个方向的数据合路传输，大大提高了设备利用效率和专网组网的灵活性。
2、网状通信能力更强
现有技术基于多条独立的点到点卫星链路构成网状拓扑，每条链路占用1对物理信道设备，且当前链路之外地球站不连通，本发明综合多方向数据合路广播发送、多载波整体解调合路接收技术，在网管中心控制下，实现利用一个信道单元设备完成业务数据的多方向发送、多方向接收，大大提高了卫星专网的网状通信能力和专网组网的灵活性。
3、资源使用效率更高
现有技术利用DAMA资源动态分配技术一定程度上提高了资源使用效率，但链路资源一般固定对称分配，且仅限在该通信方向使用，造成资源浪费，本发明在多个传输方向上共享使用一个载波资源，并根据传输流量利用BOD技术实时动态调整带宽资源，且数据的多方向发送仅使用一个信道设备，大大提高了卫星带宽资源和信道设备资源的利用效率。
在FDMA体制卫星专网中采用本发明技术，因其结合了MCPC单载波多路体制、MCD多载波整体解调、载波带宽按需调整、IP接入、标签交换信道分发等技术的优点，较现有技术大大提高了应用范围和领域，可通过软件能力提升代替硬件增加来扩展系统容量，可支持单站对多方向不间断通信，提高了通信设备和卫星频率资源的利用效率，大大增强了FDMA体制卫星专网组网的应用能力和范围。
附图说明
图1是本发明实施例中卫星专网系统的组网原理图。
图2是本发明实施例中卫星专网系统的业务拓扑图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其包括1个中心站和2个远端站，远端站1和远端站2均包括1个远端站信道单元、1个IP接入控制器，中心站包括1个控制信道单元、1个信道单元、1个信道交换机、1个IP接入控制器、1个网管中心，各站还包括射频设备和用户的业务网络，各站信道单元与射频设备连接，用户业务网络与IP接入控制器连接。
该系统的各部分功能如下：
中心站和各远端站的IP接入控制器用于将业务网络中的业务IP数据接入到卫星通信网，将需要发送的业务IP数据按照目的IP网络插入交换标签后转发给信道交换机，由信道交换机按照交换标签进行信道分发；IP接入控制器内置网管代理，IP接入控制器还负责检测业务流量情况触发建立或调整卫星通信载波，由内置网管代理与网管中心通信实现对通信载波的控制调整。
中心站的信道交换机用于将来自IP接入控制器的IP数据，按照标签自动进行IP数据转发，转发到相应的信道单元端口进行发送；将来自信道单元（控制信道单元或业务信道单元）的数据自动转发给IP接入控制器。
中心站的控制信道单元用于完成对来自网管中心（经信道交换机）的需要发送的多方向网管信令数据的调制形成载波fT，然后交射频单元发送，并按照系统规划对载波fA进行整体解调，解调获得远端站1、2发送给本站的网管信令数据，合并转发给本地信道交换机。
中心站和各远端站的信道单元均用于完成对来自信道交换机需要发送的多方向（多路）数据的调制后交射频单元发送，并按照需要对转发器多路载波进行整体解调，解调获得其它站点发送给本站的IP业务数据，合并转发给本地信道交换机。
中心站的网管中心负责卫通专网的组网控制，按照通信需求及组网策略新建通信载波，并在网络通信过程中对通信载波及通信关系进行调整、控制，实现卫星专网可靠运行和对卫星资源的高效利用。
该系统的具体工作流程如下：
源站的用户业务网络出站IP数据流到达本站IP接入控制器，被IP接入控制器截获；
IP接入控制器如果发现存在满足要求的通信资源及转发规则，就按照已存在规则直接转发IP数据到信道交换机，否则通过内置网管代理（通过控制信道）向网管中心申请网络传输带宽资源；
网管中心针对源站请求计算分配通信资源，并通知通信相关站（中心站或远端站）配置调整通信参数（调整解调、路由交换参数）；
各通信相关站IP接入控制器内置网管代理配置网络参数，建立传输IP数据流所需卫星网传输链路；
源站IP接入控制器将出站IP数据包插入交换标签转发至信道交换机；
信道交换机按照插入IP数据包的交换标签将IP数据包转发到对应的信道单元；
信道单元将出站IP数据流调制后转发至地球站射频设备向卫星发射；
卫星转发器转发射频信号；
全部远端站射频设备接收到卫星转发的射频信号；
远端站射频设备将接收到的射频信号变频至中频信号后输入到信道单元设备；
远端站各信道单元按需解调收到的一个或多个载波信号，并将解出的IP数据包合路后转发给本站信道交换机；
信道交换机将入站的IP数据流直接转发给本站IP接入控制器；
IP接入控制器接收发给本站的数据并转发给本站业务网络，丢弃不是本站的数据。
IP接入控制器实时监视本站出站多个方向的数据流量大小，当流量变化时（增大、减小、消失），通过网管代理向网管中心申请调整该方向通信资源。
进一步地，中心站和远端站1、远端站2的IP接入控制器具有业务接入控制、数据转发、IP加速、QoS、网管代理等功能，业务接入控制将本地IP数据接入到卫星网络，完成IP包的捕获、检测、存储及转发，配置管理本地路由，按照业务需求按需申请链路，检测链路情况，申请调整或拆除链路，链路导通测试等。
数据转发功能基于标签交换方案，利用二层交换机将多路信道分割在不同VLAN域内，接入控制单元在转发数据时在以太网帧中插入VLAN标签，将数据转发到信道交换机，由交换机将以太网帧按照VLAN标签值交换到相应的卫星信道上，完成本站传输信道选路工作。
IP加速功能包括TCP协议加速和IP压缩等，TCP加速单元实现TCP数据传输在卫星网上的协议加速及透明高效传输，具备数据截获与分析能力，具备TCP协议与SCPS-TP协议双向转换的能力；IP数据压缩处理完成IP数据压缩，提高卫星信道利用率。
QOS策略功能实现IP数据包的分类、流量控制以及基于优先级调度功能，提供各类IP业务的QOS服务质量保证功能。
网管代理功能完成对远端站本地设备的监视与控制管理并接受网管中心管理，IP接入控制器通过网管代理与网管中心通信，向网管中心提交业务流量检测数据并根据网管中心指令配置信道单元工作参数，实现通信载波新建、调整、关闭等控制，配置IP接入控制器工作参数实现业务数据路由的控制。
该系统中，中心站的信道交换机完成数据的信道分发和汇聚。信道交换机将与控制信道单元、信道单元、IP接入控制器连接的端口分别划分在不同VLAN域内，其中与IP接入控制器连接的端口配置为汇聚端口。信道交换机从IP接入控制器接收的出站数据，均已由IP接入控制器在以太网帧中插入VLAN标签，信道交换机按照VLAN标签将其向对应端口自动转发，实现向不同卫星信道的出站选路分发；信道交换机将从各卫星信道单元接收的入站数据，向与IP接入控制器连接的汇聚端口自动转发，实现将多路卫星信道单元数据的合路入站转发给IP接入控制器。
此外，中心站的控制信道单元完成出境（中心站到全部远端站）网络控制信令的合路调制发送（MCPC）和入境网络控制信令的多载波整体解调（MCD）合路接收。
如图1所示，该系统配置1路TDM载波fT和1路ALOHA载波fA（ALOHA载波也可配置为多路）作为双向控制信道，用于在网管中心和各站之间双向传输控制信令。中心站控制信道单元接收来自网管中心（经IP接入控制器、信道交换机）的去往多个目的站（方向）的出站数据，按照fT载波参数进行调制发送出站。中心站控制信道单元按照fA载波参数进行解调接收，将接收到的来自各远端站的入境网络控制信令（经信道交换机、IP接入控制器）转发给网管中心。
中心站和远端站1、远端站2的信道单元完成本站与网管中心的控制信令收发以及与其它站的业务数据的收发。
各站信道单元总是解调TDM载波以接收网管中心信令，解调业务载波以接收来自其它站的业务数据；各站信道单元分时发送ALOHA载波或业务载波，在无业务数据时，发送ALOHA载波传输网管信令，在有业务数据时，在业务载波内解调同时发送业务数据和信令数据，相应在中心站解调该业务载波以接收该站反向管理信令。
中心站和远端站1、远端站2的信道单元完成多路（多方向）出站数据的合路调制发送（MCPC）和多载波整体解调（MCD）合路接收来自其他远端站的数据。
中心站和远端站1、远端站2的信道单元接收来自各站的业务网络（经IP接入控制器、信道交换机）的去往多个目的站（方向）的出站业务数据，按照网管中心配置的信道载波参数进行调制发送，本示例中心站、远端站1、远端站2分别发送载波f1、f3、f2。各站信道单元按照网管中心配置的本单元的信道载波参数进行多载波整体解调接收，本示例中心站、远端站1、远端站2分别解调业务载波(f2,f3)、(f1,f2)、(f1, f3)，将接收到的来自其它站的入站业务数据转发给本站业务网络，这里中心站解调(f2,f3)仅为获取远端站1、远端站2的反向网管信令数据。本示例业务载波配置下卫星专网的业务拓扑如图2所示，中心站向远端站1、远端站2发送组播数据，同时远端站1与远端站2进行双向点到点通信。
进一步地，上述系统中，中心站的网管中心完成卫星专网系统的组网控制。具体来说：
网管中心根据IP接入控制器检测的信道流量和提交的带宽、通信关系等需求，综合决定该信道当前载波带宽、调制编码方式、发送电平等参数，并通知网管代理执行进行信道载波调整、发送等控制；网管中心根据IP接入控制器多次提交的业务通信需求，维护各站信道单元整体解调载波列表及具体载波参数，通过网管代理设置到具体信道单元；信道单元按照载波解调列表对转发器全部载波进行筛选过滤，将载波列表对应的多路载波进行整体解调后，获得来自多个其它站的多路入站数据，合路后转发给信道交换机进行入站汇聚处理。
系统在网管中心控制下完成载波开通、载波按需调整BOD（增加带宽、降低带宽）、载波关闭等控制，实现业务数据的不间断高效可靠传输；当IP接入控制器检测到本站从无到有出现出站业务数据流量时，向网管中心提交新建载波通信请求，信道单元在网管中心控制下新建相应载波进行数据传输；当IP接入控制器检测到本站出站流量出现变化并超过阈值时（流量增加或减少），向网管中心提交载波调整请求，信道单元在网管中心控制下调整相应载波参数，增加或降低载波带宽，持续不间断进行数据传输；当IP接入控制器检测到本站出站流量消失并持续一段时间后，向网管中心提交载波关闭请求，信道单元在网管中心控制下关闭相应载波，停止数据传输。
网管中心在控制发送站新建、调整、关闭载波时，同时对相关目的站信道单元多载波整体解调载波列表参数进行控制，实现点到点、点到多点数据传输。
最后应该说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可对前述实施例的技术方案进行修改，或对其他部分技术特征进行等同替换，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 (5)

1.一种基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其特征在于，包括中心站以及一个或多个远端站，各站之间通过卫星进行通信，各远端站均包括各自的业务信道单元、IP接入控制器和射频设备，所述中心站包括自己的射频设备、业务信道单元、控制信道单元、信道交换机、IP接入控制器和网管中心，各IP接入控制器均内置有网管代理；其中，
所述IP接入控制器，用于连接业务网络，将需要发送的出站IP数据按照目的IP网络插入交换标签；还用于检测业务流量情况，建立或调整卫星通信载波，并由内置的网管代理与网管中心通信以实现对通信载波的控制调整；
所述信道交换机，用于在IP接入控制器与相应的信道单元之间转发数据；
所述业务信道单元，用于对来自业务网络的多路数据进行调制，还用于对来自卫星的多路载波进行整体解调，获得其它站点发送给本站的IP业务数据，合并转发给本站业务网络；
所述控制信道单元，用于实现中心站到远端站的网络控制信令的合路调制发送，以及远端站到中心站的网络控制信令的多载波整体解调合路接收；
所述网管中心负责卫星专网的组网控制，按照通信需求及组网策略新建通信载波，并在网络通信过程中对通信载波及通信关系进行调整和控制；
所述射频设备用于收发射频信号；
该系统的工作方式如下：
（1）各站业务网络的出站IP数据被路由到本站IP接入控制器，被IP接入控制器截获；
（2）收到出站IP数据的IP接入控制器查看是否存在满足要求的通信资源及转发规则，若存在，则按照该转发规则将出站IP数据插入交换标签并转发至信道交换机，然后执行步骤（6）；否则通过内置的网管代理向网管中心申请网络传输带宽资源，然后执行步骤（3）；
（3）网管中心针对各站请求计算需要分配的通信资源，并通知通信相关站配置并调整通信参数；
（4）各相关站IP接入控制器的内置网管代理配置网络参数及转发规则，建立传输IP数据所需的卫星网传输链路；
（5）各站IP接入控制器将出站IP数据按照转发规则插入交换标签并转发至信道交换机；
（6）信道交换机按照交换标签将IP数据转发到对应的信道单元；
（7）信道单元将出站IP数据调制后转发至射频设备，以射频信号的形式向卫星发射；
（8）卫星的转发器以广播方式转发收到的射频信号；
（9）各站通过各自的射频设备接收卫星转发的射频信号，并将接收到的射频信号变频至中频信号后输入到业务信道单元；
（10）业务信道单元在网管中心的控制下解调其收到的一个或多个信号，并通过信道交换机将解出的IP数据合路后转发给本站的IP接入控制器；
（11）IP接入控制器接收目的地是本站的数据并转发给本站业务网络，丢弃目的地不是本站的数据，完成IP数据从源站到目的站的传输；
此外，通信过程中，各站的IP接入控制器实时监视本站多个出站方向的数据流量大小，当流量发生变化时，通过网管代理向网管中心申请调整该方向的通信资源。
2.根据权利要求1所述的基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其特征在于，所述中心站和远端站均具有多个业务信道单元，所述远端站还包括各自的信道交换机，远端站的信道交换机与各自站的IP接收控制器连接，各站的多个业务信道单元以相互并联的方式与该站的信道交换机连接。
3.根据权利要求2所述的基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其特征在于，所述信道交换机将与各信道单元连接的端口及与IP接入控制器连接的端口划分在不同的VLAN域内，其中，与IP接入控制器连接的端口配置为汇聚端口；所述IP接入控制器向出站IP数据插入的交换标签为VLAN标签；信道交换机按照VLAN标签将出站IP数据向各对应端口进行转发，从而实现向不同卫星信道的出站选路分发，信道交换机将从各信道单元接收的入站数据向与IP接入控制器连接的汇聚端口进行转发，从而实现将多路信道单元数据的合路入站转发给IP接入控制器。
4.根据权利要求1所述的基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其特征在于，所述网管中心和远端站之间通过1路TDM载波和至少1路ALOHA载波实现双向控制，具体来说，所述中心站的控制信道单元接收来自网管中心的去往多个目的远端站的出站数据，按照系统规划的控制信道前向TDM载波参数进行调制发送出站，此外，中心站的控制信道单元按照系统规划的控制信道反向ALOHA载波参数进行多载波整体解调接收，将接收到的来自各远端站的入境网络控制信令转发给网管中心。
5.根据权利要求4所述的基于多载波整体解调的FDMA体制卫星专网系统，其特征在于，所述业务信道单元总是解调TDM载波以接收网管中心信令，并总是解调业务载波以接收来自其它站的业务数据；所述业务信道单元分时发送ALOHA载波或业务载波，在无业务数据时，发送ALOHA载波传输网管信令，在有业务数据时，在业务载波内同时发送业务数据和信令数据，相应地，在中心站解调该业务载波以接收该站的反向管理信令。
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