CN110291727B - 超低延迟电信系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种信号路由方法，该方法由处理模块执行来配置信号通过包括多个资产的通信星座的传输，包括：接收将信号从与处理模块相关联的发射机地面站经由通信星座发送到接收机地面站的指令、从网络管理模块请求并获得连接数据，该连接数据定义通信星座中资产之间的可用连接、使用所获得的连接数据确定多个资产的序列，该多个资产的序列表示通过通信星座进行从发射机地面站到接收机地面站的信号传输的最佳路线、并且将信号从处理模块发送至发射机地面站，以便传输到所确定的多个资产的序列中的第一资产，其中，通信星座中的资产的类型包括：在低地球轨道LEO中配置的卫星、和/或高空平台HAP，其中，资产包括：以转发器模式操作的资产间链路。还提供了执行信号路由方法的电信调制解调器、一种供通信星座中使用的资产、以及网络管理模块。

Description

超低延迟电信系统
技术领域
本发明涉及一种超低延迟电信系统，特别地但不排他地，涉及通过通信星座进行的信号路由，该通信星座包括能够以转发器配置操作的在低地球轨道LEO中配置的卫星、和/或高空平台。
背景技术
全球范围内对快速通信的需求日益增长。在需要远距离通信的情况下，例如在伦敦、纽约和东京的证券交易所之间，与特定信号传输配置相关联的延迟可能成为问题，因为变得难以在每个位置同步数据处理活动。例如，在算法高频交易应用的情况下，这种延迟可能对交易过程的效率和对特定股票交易作出的决策的结果产生重大影响。
传统上，这种远距离通信是使用光纤链路进行的，光纤链路虽然比铜缆快，但与通过特定光纤光缆的光速低于自由空间的缺点相关联。为了追求提高的通信速度，存在代之以使用微波链路网络的通信系统，其中在诸如塔之类的固定地面位置之间建立点对点微波链路。然而，目前，微波链路仅在相对短的距离上可行，例如在伦敦和法兰克福之间，这使得光纤光缆成为较长链路的唯一选择。
因此，需要以比在光纤中遇到的更低的延迟来连接远程位置，同时克服传统微波链路的限制。
发明内容
根据本发明，提供了一种信号路由方法，该方法由处理模块执行来配置信号通过包括多个资产的通信星座的传输，包括：接收将信号从与处理模块相关联的发射机地面站经由通信星座发送到接收机地面站的指令、从网络管理模块请求并获得连接数据，该连接数据定义通信星座中资产之间的可用连接、使用所获得的连接数据确定多个资产的序列，该多个资产的序列表示通过通信星座进行从发射机地面站到接收机地面站的信号传输的最佳路线、并且将信号从处理模块发送至发射机地面站，以便传输到所确定的多个资产的序列中的第一资产，其中，通信星座中的资产的类型包括：在低地球轨道LEO中配置的卫星、和/或高空平台HAP，其中，资产包括：以转发器模式操作的资产间链路。
该方法还可以包括处理模块执行分组、成帧和调制操作来准备用于通过通信星座进行传输的信号。
将信号从处理模块发送到地面站可以包括：使用微波传输或任何其他合适的手段经由一个或多个地面网络节点进行传输。这使得能够以使得能够将其在最佳地面位置发送到通信星座的方式从处理模块发送信号，该最佳地面位置不需要与处理模块的位置相同。
获得连接数据可以包括：获得定义资产的位置的位置数据，并基于资产的相对位置数据确定资产之间的可用连接。
位置数据可以根据定义通信星座在预定时间段内的配置的预定信息和/或资产的实时位置获得，并且可以以考虑到通信星座配置随时间的变化的方式来执行对最佳路线的确定，使得响应于资产位置的变化而切换最佳路线。
获得连接数据可以包括：获得定义资产之间的视线连接性的信息和在具有视线连接性的资产之间存在的信号传输特性。
信号传输特性可以表示干扰和/或气象影响，允许修改或最佳路线或频率切换以确保执行最佳传输。
最佳路线可以表示以下各项中的一个或多个：发射机地面站和接收机地面站之间的最短路径长度和/或延迟、可以提供给接收机地面站的最高信号强度或信噪比、发射机地面站和接收机地面站之间的路径中卫星的最少数量、以及资产的序列，在该资产的序列中，能够以转发器配置操作的资产的数量被最大化，并且以再生配置操作所需的资产的数量被最小化。
所确定的最佳路线中资产的序列中的资产的类型可以根据该序列中的资产之间的距离来确定，以利用星座中的不同类型资产的相应优点。
该方法还可以包括：确定与相应的多个频率信道相关联的、用于信号传输的多个最佳路线。
该方法还可以包括：确定用于信号传输的多个最佳路线，并确定要跨多个最佳路线中的每个路线进行的通信应用的信号权重，并且将权重发送到网络管理模块以控制通信星座。该解决方案可能特别合适于在将不同信号或这些信号的一部分发送到多个目的地的情况。
根据本发明的另一方面，提供了一种电信调制解调器，包括：处理模块，该电信调制解调器包括：用于将信息发送到发射机地面站的信号发射机，以及用于与网络管理模块通信的装置，其中，处理模块被布置为执行计算机可实现指令以控制电信调制解调器执行上述方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种供通信星座中使用的资产，包括：用于重复所接收的信号以便传输到另一资产的通信装置，其中，该资产是配置为供低地球轨道中使用的卫星。
该资产可以是高空平台，并且可以被配置用于在发射机地面站上方2°-3°的仰角操作，最大化发射机和接收机地面站的覆盖范围，和/或卫星可以被配置用于在发射机地面站上方5°的仰角操作。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制通信星座的网络管理模块，该通信星座包括：多个资产，其中，该资产包括配置在低地球轨道LEO中的卫星、和/或高空平台HAP，网络管理模块包括：用于响应于来自处理模块的对定义通信星座中的资产之间的可用连接的连接数据的请求向处理模块提供所述连接数据的装置，以及用于控制通信星座中的多个资产以重复信息并彼此转发信息的装置。网络管理模块能够通过合适的地面控制系统命令通信星座有效载荷进入任何特定的所需配置(例如，在任何特定时间接通哪些天线)，该地面控制系统能够与通信星座建立通信链路。
使用本发明的技术，可以在收发机网络上以真空中的光速(称为c0)在自由空间中发送信息，所述收发机网络被布置成避免从最佳路线的大的改道。因此，与现有的地面链路相比，可以显著降低延迟。另外，通过在透明配置(即简单地重复而非处理信号的弯管配置)中利用资产间链路操作卫星和/或高空平台，可以避免否则将由再生网络节点引入的处理延迟，这进一步减小了延迟。
附图说明
下面将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1示出了在本发明的实施例的方法中使用的通信系统的示例；以及
图2示出了根据本发明实施例的信号路由方法。
具体实施方式
图1示出了在本发明的实施例的方法中使用的通信系统的示例。如虚线所示，在地球1上的任何相对位置处的发射机网络节点和接收机网络节点之间进行通信。在图1的示例中，示出了地球1的曲率以表示发射机网络节点和接收机网络节点位于地球的相对侧，但是应当理解，这仅仅是示例。术语“发射机”和“接收机”也旨在帮助定义单向通信操作，但是应当理解，发射机和接收机网络节点中的每一个可以被配置为通过将接收机网络节点功能引入发射机网络节点而用于双向操作的收发机，反之亦然。
在图1所示的配置中，发射机和接收机网络节点各自与位于相应设备4、5(例如是电信调制解调器、或路由器)，或者诸如网关或网络接口之类的设备中的处理模块2、3相关联。这种设备4、5在本文中称为“存在点”(PoP)，其表示到例如与诸如证券交易所之类的金融机构相关联的地面通信系统的接口。
处理模块2、3负责信号处理，以根据特定通信协议将要发送的信息转换成适合于信号传输和接收的形式。这种信号处理可以包括分组、成帧和调制、以及路由。处理模块2、3采用硬件和/或软件的形式，作为独立系统或集成到与相应PoP 4、5的其他功能相关联的更复杂系统中的组件。发射机处理模块2操作以执行计算机可实现指令，以实现图2所示的方法。
经由卫星通信星座8中的卫星子集执行从发射机地面站6或远程端口到接收机地面站7或远程端口的信号传输。在传输中不需要使用所有卫星。发射机地面站6可以与发射机PoP 4共处一处，并且可以集成到包含处理模块2的系统中，但是在图1所示的配置中，发射机地面站6远离发射机PoP 4，并且发射机PoP 4和发射机地面站6之间的通信是经由诸如微波链路之类的地面链路9进行的。接收机地面站7类似地示出为经由地面微波链路10连接到接收机PoP 5，但是可以位于接收机PoP 5的本地。
通信星座8包含多个资产(asset)，每个资产可以位于固定位置，或者可以在地球1周围的轨道。每个资产可以独立于通信星座8中的其他资产自由移动。资产是通过网络管理模块11从地面协调和控制，控制链路由虚线示出。控制链路通过合适的地面控制系统实现，该地面控制系统经由传输/接收地面站将控制信号中继到通信星座8。网络管理模块11以硬件和/或软件布置，并包括处理器和存储装置，用于处理及存储与通信星座有关的信息，将这种控制信息发送到通信星座8，并接收通信星座8中的状态或诊断信息资产。网络管理模块11具有用于与发射机处理模块2和接收机处理模块3通信的接口，这些链路在图1中以虚线示出。到处理模块2、3的链路可以是诸如互联网链路之类的地面，并且不需要通过通信星座8进行路由，但是在这些实施例的修改方案中，网络管理可以经由天线通过通信星座发送和接收信息。
在当前描述的实施例中，资产由LEO卫星表示。LEO卫星在地球上空700-1,400公里的高度轨道处。除了上行链路和下行链路能力之外，卫星还包括以转发器(弯管)模式操作的卫星间射频(RF)链路，其不涉及再生信号处理，并且其中卫星间链路在自由空间以c0执行信号传输，因此实现了比光纤链路更低的延迟。应当注意，尽管本公开内容描述了RF信号，但是它也可以同样适用于激光信号传输。具体地，弯管转发器表示简化的有效载荷架构，并且涉及检测射频(RF)信号、上变频或下变频RF信号并重传它，但是不通过例如放大、重新调制和纠错来再生信号。上/下变频可以基于环境条件和/或卫星的位置(例如特定卫星区域中的干扰源的频率)促进特定的点对点通信。因此，与执行涉及数据的编码或调制的信号处理的再生配置相比，以弯管模式操作的卫星可以被认为是以透明配置操作。
卫星能够充当地面站和地面站之间、第一卫星到第二卫星之间、以及地面站和卫星之间的一个或多个中间节点。在示例配置中，尽管并未示出所有卫星，但是在低地球轨道中的星座中有大约100-150颗卫星，分布在地球周围，并且每个卫星都可以在低仰角下操作(例如，相对于地面站低至5°)，以最大化覆盖范围。在替代实施方式中，根据需要可以存在更多或更少的卫星。
在信号传输操作中，发射机PoP 4的处理模块2从例如金融机构接收发送特定信息的请求，并且执行要发送的信息成为适于传输到接收机PoP5的信号的处理。此外，发射机PoP 4的处理模块2执行根据本发明实施例的路由操作，以确定通过网络进行将发射机地面站6连接到接收机地面站7的最佳路线。
最佳路线表示以下各项中的一个或多个：
·最低延迟；
·发射机地面站和接收机地面站之间的最短物理路径长度；
·可以提供给接收机地面站的最高信号强度；
·提供给接收机地面站的信号的最高信噪比；
·发射机地面站和接收机地面站之间路径中的卫星数量最少；以及
·卫星的序列，在该序列中能够以转发器配置操作的卫星数量被最大化，并且所需以再生配置操作的卫星数量被最小化。
应当理解，由于下面将描述的多种不同原因，最佳路线可以随时间变化，因此处理模块2被配置为能够动态地确定最佳路线。
为了确定最佳路线，处理模块2请求与通信星座8中的卫星之间的连接性有关的信息。这种信息可从协调通信星座8的网络管理模块11获得。连接性信息可以在定义可以在特定时刻或一段时间连接到相邻卫星的那些卫星的时间表中表示，或者可以由处理模块2根据由网络管理模块11提供的定义卫星位置的跟踪信息来推断。连接性可以通过两个相邻卫星之间存在视线来表示，但是在替代实施例中，可以基于由等于或小于最大传输范围的距离分开的卫星，或通过确定在包含相同或其他星座中的其他通信链路的环境中进行通信的能力来确定连接性。
在从网络管理模块11接收到连接信息时，处理模块2生成特定时刻的卫星位置的三维模型，并将优化算法(例如空间路由算法)应用于模型以基于卫星或卫星序列绘制通过通信星座8的最佳路线，该卫星或卫星序列提供从发射机地面站6到接收机地面站7的连接性。响应于完成优化算法，执行从发射机地面站6到接收机地面站7的信号传输。
最佳路线可以是特定时间的唯一可用路线，或者可以从多个不同路线中来选择。
在替代实施例中，处理模块2基于从网络管理模块11接收的定义卫星运动及其轨道路径的信息来预测未来特定时刻的卫星位置，其中传输将被推迟到未来的特定时间点。
在最佳路线是与最低延迟相关的路线的情况下，可以使用数学计算，基于通过通信星座8的物理路径长度和通过系统的信号的吞吐量/延迟来预测延迟。在再生卫星被包括在最佳路线中的情况下，可以修改延迟的估计，以便允许由那些再生卫星处的处理引起的延迟。
可替换地，可以基于从发射机地面站6到接收机地面站7的路线中的卫星的数量来选择最佳路线。具体地，最佳路线可以是包含最少数量的卫星的路线。因此可以理解，使最佳路线为与最低延迟相关联的路线不是必不可少的，因为在可以容忍预期延迟的情况下，优选路线可能是与通过减少要沿链路执行的频率转换和转发器操作的数量来改善性能相关联的路线。
在本发明的一些实施例中，处理模块2能够考虑环境条件，例如，使用可从网络管理模块11或专用气象信息服务器(未示出)获得的气象信息。在卫星的物理定位和连接性表明特定通信路线可能是最佳的情况下，该路线上存在的风暴可能导致信号丢失或电磁干扰，因此在实践中，实际上并不是最佳路线。
在本发明的一些实施例中，处理模块2能够考虑外部信号干扰对通过通信星座8的特定路线的影响。应当理解，基于存在其他冲突的卫星星座，以及干扰的严重程度可能会改变，不同路线可能经历不同程度的干扰。如果基于特定时间在特定地理区域上的预期业务量而预测干扰为高，则应当理解，即使通过通过该地理区域的通信星座8的路线可能与最佳参数(例如最小路径长度)相关联，从高信噪比或绝对信号强度的角度来看，它可能不必然导致高性能。因此，最佳路线可以由处理模块2确定为可以预期为接收机地面站提供最高信噪比或最高绝对信号电平的路线。
在这些实施例中，使用从网络管理模块11提供的与通信星座8外部的根据其可以估计信号损失的因素有关的信息来预测干扰。网络管理模块11相应地控制通信星座8中的卫星的频率上变频和下变频操作，以避免干扰信号。在一些实施例中，可以由每个卫星实时地向网络管理模块11报告干扰信号的检测，同时还可以基于特定时间的特定地理区域中的资产的数量来预测干扰。处理模块2能够从网络管理模块访问该信息，并将最佳频率切换方案集成到路由算法中。例如，如果采用频移以避免干扰，则算法可能能够保留保持最短物理路径长度的物理传输路线。相反，如果由于最佳路线上的大量干扰源而不可能进行频移，则可以选择备选传输路线。
在如上所述确定了干扰影响之后，实际上可能不必重新路由信号以避免这种干扰，并且在考虑到网络中来自附加处理的计算的延迟的情况下，修改信号传输方案，例如包括附加的纠错码或加密，使信号足够稳健以穿过干扰区域，使得可以保持另外的最佳路线。
干扰和气象条件信息在本文可以称为信号传输特性的示例。
通信星座8中的所有卫星不必以转发器配置操作。一些卫星有可能以再生配置操作，这是由于例如某些约束，例如环境条件或在特定范围内暂时缺乏可用的相邻卫星而需要的。再生卫星可以表示可以执行路线切换操作的网关。
在这种情况下，最佳路线可以是卫星序列中可以以转发器配置路由信号的卫星数量被最大化，并且以再生配置操作的卫星数量被最小化的路线。该优化可以减少总体延迟。
如上所述，期望使以转发器配置操作的卫星数量最大化，以便能够减少延迟。在卫星以转发器配置操作的情况下，卫星本身不需要执行机载处理以便做出信号路由决定的能力，并且这使得处理模块2的这种信号路由的性能在这种情况下是有利的。
若已将来自发射机地面站6的信号发送到表示通过通信星座8的最佳路线的卫星序列中的第一卫星，第一卫星借助其围绕地球的轨道被配置为具有在特定时间到特定第二卫星的连接性，这取决于第二卫星的轨道。这样，信号传输到第一卫星的定时确定第一卫星向其重复信号的第二卫星，特别是在第一卫星以不进行其自己的信号路由确定的透明转发器配置操作的情况下。类似地，信号传输到第二卫星的定时将继而确定第二卫星向其重复信号的第三卫星，特别是在第二卫星以不进行其自己的信号路由确定的透明转发器配置操作的情况下。
在通过通信星座8的路由中没有一颗卫星包括用于信号路由的机载处理的情况下，因此通过通信星座8的特定路线与卫星序列中的相应第一卫星相关联，并且确定最佳路线的结果是发射机地面站6将信号传输到最佳第一卫星。
应当理解，在发射机PoP 4与多个不同的发射机地面站6连接的情况下，处理模块2可以扩展优化算法以基于最佳第一卫星考虑应当用于将信号发送到通信星座8的最佳发射机地面站，使得来自PoP 4的传输本身基于信号路线的优化来控制。
在上述示例的修改方案中，可能是通信星座的配置使得第一卫星在特定时间具有与多个第二卫星的连接性，这取决于通信星座8中的卫星的轨道。在第一卫星以转发器模式操作的情况下，第一卫星不需要能够确定或选择哪个第二卫星应从第一卫星接收信号，因此第一卫星可以将信号发送到多个第二卫星中的每一个。相同的原理将适用于通信星座8中的后续卫星。因此很清楚，在该配置中，信号能够经由多个并行路线到达接收机地面站，使得接收机接收多个信号。在这种情况下，与接收机PoP 5相关联的处理模块3被配置为提取已经在最佳路线上发送的多个接收信号中的信号。
例如，接收机处理模块3可以区分接收机地面站7接收的来自不同卫星(表示沿相应传输路线的最终卫星)的信号，并且在这种情况下，路线中的最终卫星，即向接收机地面站7提供下行链路的卫星，指示特定的传输路线。
在通过通信星座8存在更复杂的传输路线的情况下，基于卫星间链路的排列，单独的最终卫星的识别可能不足以识别传输路线，例如在通过星座的多个传输路线在下行链路之前会聚的情况下。由于卫星的卫星间链路以弯管模式操作，它们不会在定义传输路线的传输信号中引入任何信息，这意味着不能单独根据接收信号确定传输路线。
然而，在一些实施例中，可以根据特定加权方案识别传输路线，该加权方案由网络管理模块11应用于每个卫星处的信号传输，如下所述。
除了控制和跟踪通信星座8中的卫星轨道之外，在一些实施例中，网络管理11模块可以在卫星在特定时刻具有到两个或多个其他卫星的可用连接性的情况下对卫星施加特定路由约束。例如，网络管理模块可以控制卫星将75％的接收信号重新发送到可用的目的地卫星之一，并且只有25％的接收信号重新发送到另一个可用的目的地卫星。加权由发射机PoP4的处理模块2作为优化算法的一部分确定，并被提供给网络管理模块11。应当理解，这种加权或控制信号同样适用于带宽分配的使用，因此可以通过在接收机处进行滤波来执行最终信号分离。
这种加权方案不需要发射卫星应用任何附加程度的信号处理，因为信号的内容除了其幅度或频率之外没有变化，因此卫星可以在以弯管模式操作时分离输入信号。信号加权方案可以由网络管理模块11或者直接从发射机PoP 4的处理模块2提供给接收机PoP 5中的处理模块3，并且基于接收信号幅度/频率，信号传输路线可以由接收机处理模块2识别。相应地，具有最高幅度的多个接收信号的信号电平可以被识别为已经通过例如具有最高加权因子乘积的路径发送，并且如上所述，这在一些实施例中可以表示最佳传输路线。
在从发射机地面站6到接收机地面站7的单个信号的连接传输中描述了上述实施例，但是应当理解，使用多路复用方案也可以发送多个信号。在该配置中，发射机PoP 4处的处理器模块2使用例如公知的多路复用方案(例如时分或频分)确定将多个信号多路复用为跨越通过通信星座8的相同最佳路线的单个传输是否合适或者可能。如果这样的多路复用选项可用，则在信号传输之前将定义多路复用方案的信息发送到接收机地面站7，或者在逐个传输的基础上，或者作为用于所有未来传输的多路复用方案的一次性建立，使接收机处理模块3能够提取所需的信号。如果这种多路复用方案不可用或不合适，则可以通过通信星座8并行地在相应的多个路线上同时发送多个信号。在这种情况下，发射机处理模块2操作以根据优先级方案选择特定传输路线，使得由处理模块2确定为最高优先级的信息例如通过具有最低延迟的路线发送，可以为具有较低优先级的信息分配不同的路线。用户可以在向发射机处理模块2提供信号传输请求时包括优先级，或者在其他情况下，发射机处理模块2可以基于诸如标志或关键字之类的信息或者包含在要发送的信息中的特定数据类型的存在，进行其自己的自动优先级确定。如上所述，取决于特定内容的所需加密级别、通信条件、不同频率信道等，可以用不同的传输方案传送通过不同路线发送的信号。
在一些实施例中，网络管理模块11对并行传输的控制(例如使用加权方案)使得能够将信号发送到多个接收机地面站，而不是图1中所示的单个地面站7。这可能是适当的，例如，当信号需要从纽约的证券交易所发送到伦敦和东京的证券交易所时。在这种情况下，可以使用与上述相同的技术确定多个最佳路线，例如，一个用于纽约到伦敦，一个从纽约到东京，尽管更复杂的路由也属于本发明的范围内。应当理解，这两条路线可以重叠，例如就在大西洋上空轨道运行的通信星座的一部分而言，并且信号传输可以在欧洲上空轨道运行的特定透明或再生网关卫星处，对于通往伦敦下行链路的路线与到达东京下行链路的亚洲传输部分在50％/50％的基础上或以其他比率分离。在再生网关卫星的情况下，也可以执行滤波，使得例如伦敦接收的信号的仅仅一部分也被转发到东京，尽管多路复用方案可以使两个独立的信号能够被发送到两个目的地。可替换地，可以选择两个完全不同的传输路线，要求通过单独的地面链路将信息从发射机PoP4的处理模块2发送到两个单独的发射机地面站。在另一个实施例中，将相同的数据发送到两个接收站，并且仅为该接收机提取相关数据。
在上述实施例中，在发射机地面站6和(一个或多个)接收机地面站7之间的信号传输之前，已确定一个或多个最佳路线的发射机PoP 4处的处理模块2向一个或多个接收机PoP 5提供路由信息，无论是单个信号的路由还是用于多路复用或并行信号的路由方案，使得接收机处理模块3能够执行所需的解调或解复用。
如上所述，可以基于从网络管理模块11接收的信息来确定通信星座8的瞬时配置，并且这可能适合于预期通信星座8的配置在信号传输期间不发生显著变化的短持续时间传输，确保最佳路线保持“最佳”状态，直到完成所需的传输。然而，应当理解，某些应用将要求更长持续时间的传输，或建立连续链路，并且在这种情况下，作为最佳的特定路线的状态可能在要执行信号传输的仅一部分时间中不存在。
在一些实施例中，处理模块2连续地或周期性地与网络管理模块11通信，以便获得关于通信星座8的状态的定期更新，从而可以相应地更新优化算法。在一些实施例中，这种更新可以实时执行，导致信号传输路径的实时切换，以便保持最佳性能。
在其他实施例中，网络管理模块11向处理模块提供与通信星座8相关联的当前位置和轨道信息，使得处理模块2可以在本地执行通信星座8配置的预测，而不是从网络管理模块11访问这种信息，尽管可以周期性地执行与网络管理模块11的验证，以便检查处理模块2的预测是否正确。某些卫星可能停止服务或失效，或被其他卫星取代，因此通信星座8的配置可能以处理模块2未知的方式改变，直到与网络管理模块11通信为止。
当从发射机向接收机请求信号传输时，可以执行对最佳信号传输路线的确定，但是也可以将本发明实施例的方法的相同原理应用于识别和建立为将来时间调度的信号传输的通信链路。以这种方式，本发明的技术可以使得能够维持两个或多个点之间的连续通信链路，其中通信链路的切换和实时更新使得链路能够适应星座配置的变化和/或应对干扰源、变化延迟等。
另外，可以在先前的通信已经发生的同时执行对最佳信号传输路线的确定，使得在准备未来的通信链路时没有延迟。在这样的实施例中，处理模块2同时能够准备用于传输的信号并执行路由算法。
在卫星星座的背景下解释先前描述的实施例。在替代实施例中，卫星可以是完全的或部分地由高空平台(HAP)取代。HAP是长时间无人驾驶飞行器(UAV)，通常在地球上空20,000米的高度运行，其高度足以高于陆地天气系统。一个示例是由Airbus Defence andSpace Limited开发的Zephyr飞行器，这是一种太阳能UAV。通过能够自主飞行数天并完全依靠太阳能，Zephyr可以提供负担得起的广域持久存在，并且具有300km的典型传输范围。
当用作图1的通信星座8中的资产时，HAP能够以与上述卫星相同的方式以透明配置操作，尽管与卫星一样，可以以再生模式操作通信星座8的一些HAP。
当在通信星座8中使用时，HAP和卫星之间的主要区别在于HAP操作的高度。这通常低于卫星的高度，因此结果是HAP通常适合于比卫星更短距离的通信，按照地球表面上的投影所测量的，因为相对于地球表面的视场减小。
然而，对于短程通信，HAP配置可以具有足够的能力来通过自由空间HAP间通信建立足够低延迟的链路，并且由于上行链路和下行链路所需的距离减小，较低的高度可以表示比经由卫星链路实现的链路更低的潜在总延迟。但是，由于更接近地球和其他高空通信系统，可能必须考虑更多数量的干扰源。
由于高度降低，HAP的高度可能低于卫星的高度，并且例如可以相对于地面站低至2°-3°，这最大化了特定发射机地面站6或接收机地面站7的覆盖范围。另外，与卫星轨道相比，HAP的位置是相对静态的，这使得用作优化算法基础的几何形状稳定。可以使用RF或光学(激光)链路或组合。
因此将理解，存在与HAP和卫星相关联的优点，并且在一些实施例中，可以采用使用HAP和卫星的混合通信星座。该配置可以通过使用HAP作为到更高高度卫星的桥接来促进上行链路和下行链路级，但是应当理解，在进一步的实施例中，发射机PoP 4的处理模块2能够取决于可用或所需的传输距离在传输路线上的HAP或卫星之间进行选择。
例如，由于与建立星座相关联的相关成本和复杂性，因此要使用的通信星座8可能具有相对少量的卫星和相对大量的HAP，在没有HAP的情况下，在与等待卫星进入例如发射机地面站6的范围内相关联的某些情况下可能存在延迟。如果通信星座8中有足够的卫星，则可以减轻这种情况，但是也可以通过使用HAP来减轻这种情况，HAP可以被控制为具有包括地球上特定发射机地面站6的位置上方的区域的服务区域，HAP然后将信号中继到更高的轨道。一旦进入更高的轨道，卫星链路可用于远距离传输。
用于本发明实施例的基于HAP的通信星座8包括三种类型的HAP有效载荷；根据弯管架构具有两个天线和HAP间链路的点对点有效载荷，飞行器到飞行器有效载荷(类似于卫星间链路)、和飞行器到地面链路。有效载荷通过连接到基于地面的网络管理模块11来执行站保持。
在一个实施方式中，上述三种类型中的每一种的HAP被布置为在白天和晚上自主飞行，维持纽约市和芝加哥之间的连接。总路径长度的示例是1158km，相比于两个城市之间的测地长度为1132km。与测地路径长度的偏差26km可能小于可以用卫星星座所保持的偏差。
HAP还可以用于代替发射机PoP 4和接收机PoP 5及其各自的地面站6、7之间的地面链路。这将实现很大的灵活性并且可能避免微波塔的成本或复杂性。由于HAP的位置可以由网络管理模块11控制，因此HAP可以用于通过在必要时移动一个或多个HAP来快速扩展网络，例如，以确保可以服务于所调度的通信。在信号要在复杂地形上发送时，避免使用地面微波塔特别有利，因为信号可以在地形上方以较短路径长度发送。在这些实施方式中，发射机PoP 4和接收机PoP 5可以包括本地发射机地面站6和接收机地面站7，其可以直接向HAP进行发送并从HAP进行接收。
总之，基于HAP的系统比较短距离的全卫星解决方案便宜，并且也易于升级。相比之下，卫星需要较低的维护和操作成本。两种系统都可以根据需要快速建立连接(几分钟到几天)，而传统的光纤/微波塔解决方案可能需要数年才能建成。
图2示出了根据本发明实施例的信号路由方法，如由上述类型的发射机PoP中的处理模块执行。
在步骤S1中，处理模块接收将信息从与处理模块相关联的发射机地面站发送到一个或多个接收机地面站的请求或指令。除了包含要发送的信息及其预期的(一个或多个)目的地之外，请求或指令还可以指定传输的细节，例如传输的定时、诸如频率信道或所需服务质量之类的优选传输方案、所需的安全级别、以及通过其发送信息的优选通信星座。如果请求或指令不包含该信息，则可以由处理模块自动确定。
在步骤S2中，处理模块从与优选通信星座相关联的或者与管理模块基于预先配置的设置选择的通信星座相关联的网络管理模块请求连接数据。处理模块基于访问已知的统一资源定位符而与网络管理模块通信。所请求的连接数据包含定义在一个或多个时间点通信星座中的资产之间的可用连接的信息，并且由处理模块从网络管理模块下载。
在步骤S3中，处理模块确定通信星座中的资产的序列，该资产的序列表示通过通信星座进行从发射机地面站发送信号的最佳路线。对最佳路线的确定可以基于上述来进行，并且取决于要执行的特定优化，除了在步骤S1中接收的信息之外，使用在步骤S2中可以接收的以下信息类型中的一个或多个：在固定时间点的通信星座中的资产的位置、通信星座中的资产的投影运动、包括气象和/或干扰信息的传输特性。
在步骤S4中，在完成优化过程时，处理模块基于在步骤S1中接收的传输细节，启动所请求的信息向一个或多个接收机的传输。启动包括：发送包含所请求信息的适当信号、已经处理成由处理模块确定的传输格式、以及到发射机地面站的传输，依据其控制发射机地面站以将信号发送到在S3中识别的所确定的最佳路线上的资产的序列中的第一资产。在步骤S4中，还向接收机发送连接细节，以便它可以使自己准备好接收并提取相关信号。
取决于所使用的传输协议的要求，可以通过处理模块从接收机接收到确认消息来确认成功传输(包括延迟测量)。确认可以通过与初始信号相同的路线或者通过备选的较低优先级路线来发送。响应于确定成功确认，或者响应于在预定时间段过去之后对成功传输的推测，处理模块在进一步传输被调度时返回步骤S1、S2或S3中的任何一个。进一步调度可以表示在将来的某个点发生的新信号传输，或者可以表示与要发送的原始信息相关联的数据，该数据将以规则的间隔而不是在连续的流中发送。如果没有进一步传输被调度，则该过程结束(S5-N)。基于在步骤S1中接收的信息，在步骤S5中执行关于是否进一步传输被调度的确定。在步骤S5(S5-Y)中的肯定确定之后可用的选项以虚线示出。
对于返回步骤S1，处理模块已完成单个传输操作，并且正在等待进一步的信号传输指令。
在从步骤S4返回到步骤S2的情况下，处理模块已经接收到用于调度的传输组的指令，并且正在执行对最佳路线的确定的更新，以允许例如延迟、星座配置等的变化。对来自网络管理模块的新请求的信息执行该确定。
在从步骤S4返回到步骤S3的情况下，处理模块正在执行对最佳路线的确定的更新，但不是基于来自网络管理模块的新连接性信息，而是基于先前在步骤S2中接收的信息。这些信息可以表示星座中资产移动的投影。
在一些实施例中，附加过程可以在步骤S3和S4之间，或者作为步骤S3和S4的一部分进行，其中处理模块向网络管理模块提供与最佳路线有关的信息。这样的信息可以包括以下各项中的一个或多个：根据特定调度应用于通信星座中的再生资产的控制或切换信息、加权信息、或者用于转发到接收站的与传输细节有关的信息，例如多路复用方案。尽管在这些实施例的修改方案中，可以从处理器提供要提供给接收站的信息，而不通过网络管理模块。
在一些实施例中，处理模块可操作以同时执行图2中所示的方法的多个实例。例如，可以在执行步骤S4或S5的同时执行步骤S1、S2或S3中的任何步骤，从而可以在进行先前信号传输的同时配置新链路。
应当理解，要执行的特定路由算法取决于许多因素，包括预期的通信距离、通过其发送信号的通信星座的性质、环境条件、存在冲突的通信星座、要发送的信号的数量、接收机目的地的数量、和所需的优化参数，并且本发明的实施例可以被适配为相应地进行操作。可以组合上述实施例的兼容特征以获得落入由权利要求限定的本发明范围内的配置和操作方法。

Claims (13)

1.一种信号路由方法，所述信号路由方法由处理模块执行来配置信号通过包括多个资产的通信星座的传输，所述信号路由方法包括：
接收将信号从与所述处理模块相关联的发射机地面站经由所述通信星座发送到接收机地面站的指令；
从网络管理模块请求并获得连接数据，所述连接数据包括定义环境约束和资产位置的信息，并且所述连接数据定义所述通信星座中资产之间的可用连接；
基于定义环境约束和资产位置的信息，来确定所述资产是以转发器配置操作还是需要以再生配置操作；
使用所获得的连接数据来确定通过所述通信星座以实现从所述发射机地面站到所述接收机地面站的信号传输的最佳路线；并且
将信号从所述处理模块发送至所述发射机地面站，以便传输到表示所述最佳路线的一序列资产中的第一资产；
其中，所述通信星座中的资产的类型包括：在低地球轨道LEO中配置的卫星、和/或高空平台HAP；
其中，所述序列中以所述转发器配置操作的资产的数量被最大化，并且所述序列中以所述再生配置操作的资产的数量被最小化。
2.根据权利要求1所述的信号路由方法，还包括：所述处理模块执行分组、成帧和调制操作来准备用于通过所述通信星座进行传输的信号。
3.根据权利要求1所述的信号路由方法，其中，将信号从所述处理模块发送到所述地面站包括：使用微波传输经由一个或多个地面网络节点进行传输。
4.根据权利要求1所述的信号路由方法，其中，获得连接数据包括：获得定义资产的位置的位置数据，并基于所述资产的相对位置数据来确定资产之间的可用连接。
5.根据权利要求4所述的信号路由方法，其中，所述位置数据是根据以下各项获得的：
定义所述通信星座在预定时间段内的配置的预定信息，和/或
资产的实时位置；
并且，对所述最佳路线的确定是以考虑到所述通信星座配置随时间的变化的方式来执行的，使得响应于资产位置的变化而切换所述最佳路线。
6.根据权利要求1所述的信号路由方法，其中，获得连接数据包括：获得定义资产之间的视线连接性的信息和在具有视线连接性的资产之间存在的信号传输特性。
7.根据权利要求6所述的信号路由方法，其中，所述信号传输特性表示：干扰和/或气象影响。
8.根据权利要求1所述的信号路由方法，其中，所述最佳路线还表示以下各项中的一个或多个：
所述发射机地面站和所述接收机地面站之间的最短路径长度和/或延迟；
能提供给所述接收机地面站的最高信号强度或信噪比；以及
所述发射机地面站和所述接收机地面站之间的路径中卫星的最少数量。
9.根据权利要求8所述的信号路由方法，其中，所确定的最佳路线中的资产的序列中的资产的类型是根据该序列中的资产之间的距离确定的。
10.根据权利要求1所述的信号路由方法，包括：确定与相应的多个频率信道相关联的、用于信号传输的多个最佳路线。
11.根据权利要求1所述的信号路由方法，包括：
确定用于信号传输的多个最佳路线，并确定要对跨所述多个最佳路线中的每个路线的通信所应用的信号权重；并且
将该权重发送到所述网络管理模块以控制所述通信星座。
12.根据权利要求1所述的信号路由方法，其中，HAP被配置用于在所述发射机地面站上方2°-3°的仰角处操作和/或卫星被配置用于在所述发射机地面站上方5°的仰角处操作。
13.一种电信调制解调器，包括：
处理模块；
信号发射机，被布置为将信息发送到发射机地面站；以及
用于与网络管理模块通信的装置；
其中，所述处理模块被布置为执行计算机可实现指令以控制所述电信调制解调器执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。
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