CN110572199B - 一种卫星通信组网系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星通信组网系统及其工作方法，该系统中的中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通卫星站相互之间通过异步时分多址网络进行通信；异步时分多址网络采用无中心、异步接入方式，前向链路采用时分复用的方式，异步时分多址网络适用于星形网络和网状网络拓扑结构组网形式；小口径天线卫星站与其他卫星站之间通过小口径天线卫星站回传网络进行通信；小口径天线卫星站回传网络接收异步时分多址网络的前向载波数据，用于小口径天线卫星站的前向通信和高速大容量数据的接收，反向链路使用单独载波回传，反向链路支持码分多址、频分多址、时分多址网络实现多址接入。该系统能够根据传输业务数据的变化而对系统资源进行动态调整管理。

Description

一种卫星通信组网系统及其工作方法

本申请是申请日为2017年2月10日，申请号为201710072863.3，发明名称为“一种卫星通信组网系统及其工作方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种卫星通信组网系统及其工作方法。

背景技术

卫星通信相比其他通信方式最大的优势为与距离无关，而且，基本不受地面环境限制，在某些领域有广泛的应用，如跨国集团管理、政府部门专网通信、大区域野外作业(矿产资源探测等)、军事通信等，而这些应用场景的特点就是分级管理，如总公司下设多个分公司、每个分公司下有设置多个子公司、每个子公司可能又有多个工程项目组，在跨区域、甚至跨国管理的时候，通过卫星通信网络实现每个节点之间的信息互通，网络拓扑关系如图1所示，在该系统中，每个位置节点都需要配置一个卫星通信设备终端节点，以完成位置节点之间的数据通信，但由于空间卫星、尤其是地球同步轨道卫星距离地面较远，无线传输链路信号衰减较大，在卫星通信网络建设过程中，需要进行严格的链路计算，针对实际业务传输要求，需配置对应的卫星通信站点设备。比如，总公司位置节点汇聚整个网络系统的信息数据量，需要占用较宽的物理带宽，而且该节点需要具备与系统内任意节点通信的能力，需要大口径天线配置；项目组位置节点一般只传输与本项目相关的信息，信息量较少，而且项目组一般在野外等环境恶劣的地方，基础设施落后，一般会限制卫星通信终端的配置能力，而采用小口径天线站点配置。

现有卫星通信网络系统一般采用“对等”通信设计，即处于同一级别的站点之间相互通信采用形状网络或网状网络拓扑结构，而不同级别的站点之间通过分级通信实现信息传输，如图1所示的通信场景中，所有分公司或者子公司的节点之间构成一个卫星通信网络，在该卫星通信网络中实现节点之间的数据传输，而其下面的项目组节点则归属相应的分/子公司，一般情况下，分/子公司只能与归属与自己的项目组节点通信。但是，当今随着传输数据业务类型的多样化，归属不同分/子公司下的项目组之间有时也需进行数据通信，而现有卫星网络是无法满足该要求的。

同时，随着网络技术的发展，“扁平化”是通信网络发展的主要趋势之一，即，信源与信宿之间减少处理节点，在现有卫星通信系统中，为了实现对不同卫星站点通信业务的管理，一般采用分级管理的模式，这样的网络结构效率低下，而且不够灵活，与“扁平化”的要求也相矛盾。

目前，卫星通信组网技术主要基于时分多址、频分多址和码分多址，典型的系统有TDM/MF-TDMA(时分复用/多频时分多址)、SCPC-DAMA(单路单载波按需分配多址)、TDMA-MESH(多频时分多址网络)、TDM/CDMA(时分复用码分多址) 等几种类型。

TDM/MF-TDMA系统由一个大的TDM(时分多路复用)出向载波和若干频点的TDMA(时分多址)入向载波组成。主站点发射小站点接收的载波为出向载波，小站点发射主站点接收的载波为入向载波，它具有星型拓扑结构，系统的控制和传输都集中在主站点，网络内所有小站点只与主站点建立卫星链路，但小站点与小站点之间不建立直接卫星链路，小站点与小站点之间的通信需要经过主站点转发实现，适合组建建设以主站点为关口站点的卫星专网(接入网)，通过关囗站点的转发，可以实现专网(接入网)与任何网络的互联互通，从而为专网用户，提供多样性的服务。 TDM/MF-TDMA系统的优点是小站点成本低，维护管理简单，信道利用率高。 TDM/MF-TDMA网络是使用最多，最成熟的卫星通信网络，缺点是小站点之间不能直接建立通信链路，需要通过主站点两跳转发，传输延时会增大，另外组网方式不够灵活，抗毁性较差，一旦主站点失效，整个网络瘫痪。TDMA/CDMA是一种有主站点的卫星星状网络。通过前向时分复用和反向扩频码分多址组网。它的网络结构与 TDM/MF-TDMA网络类似，由一个较大的TDM出向载波和若干同频率CDMA载波叠加而成的入向载波组成。它与TDM/MF-TDMA的区别在于对小站点发送能力要求不高，适合小口径天线小站点。优点是小站点天线小，成本低，可有效抑制临星干扰，维护管理简单。缺点是频率利用率低，小站点回传速率低，可以支持的业务种类有限，而且不利于业务升级和系统扩展。

SCPC(单路单载波)是基于点对点通信技术的网络。SCPC技术与DAMA技术结合，可实现任意两个站点间的直接通信，另外，由主站点网管可实现动态SCPC，既dSCPC，根据用户申请实现频率资源按需动态分配，但这一般需要小站点和主站点配置专门网管通道设备和相应网管软件。SCPC的优点是每个站点独立占用一个载波，通信质量有保证，适用于应急通信。缺点是信道利用率低，网内所有站点不可能实时在线，不适合连网业务，不适用于接入系统。目前应急通信以及动中通系统大多使用SCPC方式。

TDMA MESH是一种无主站点的卫星网状网，通过时分复用和多频技术，支持卫星网中所有站点间的实时通信。卫星链路全部是一跳。TDMA-MESH优点是小站点和小站点可直接建设卫星链路,传输延时小，信道利用率高。缺点是技术复杂，所有站点都使用突发解调器，同时对站点型能力要求高，全网时钟同步要求高，设备成本也高。

单一拓扑网络结构的卫星通信网络一般针对单一传输业务而设计，缺点是不能承载复合传输业务，缺乏灵活性，整个系统的有效性比较低，尤其是面对当前更为灵活的业务传输需求，无法满足实际应用的需要。

星状网络结构的卫星通信网络中一般具有一个主站点节点，其最大的特点是通过提高主站点设备的复杂性，而降低其他小站点终端的设备要求，使得星状网络主要支持主站点与小站点之间的业务传输，小站点节点之间的业务传输一般需要通过主站点节点进行转发，如要实现小站点节点之间的直接数据传输，需要大大提高系统复杂度、以及成本。

网状结构的卫星通信网络一般是无主站点节点，各卫星站之间通过时分或者其他复用和多址接入技术实现各节点之间的业务数据传输，该网状结构尽管提高了整个网络的灵活性，但节点之间的传输容量受到一定限制，即无法支持大容量数据传输。

点对点的卫星通信网络虽然可以满足大容量数据的传输要求，但其结构固定，应用场景比较单一。

针对当前复杂传输业务的需要，现有方案网络管理采用分级模式，不同子网之间的业务数据传输仍然通过中间节点来转发，使得网络结构系统不仅复杂、而且技术所要成本和系统维护难度都较高。在整个网络结构系统中，各小站点终端为了防止多址接入过程中突发数据发生碰撞，尤其是在时分多址接入系统中，要求较为严格的网络同步。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种卫星通信组网系统及其工作方法。

本发明提供一种卫星通信组网系统，包括：中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通卫星站和小口径天线卫星站；

所述中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通卫星站相互之间通过异步时分多址网络进行通信；所述异步时分多址网络采用无中心、异步接入方式，前向链路采用时分复用的方式，所述异步时分多址网络适用于星形网络和网状网络拓扑结构组网形式；

所述小口径天线卫星站与所述中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通卫星站之间通过小口径天线卫星站回传网络进行通信；所述小口径天线卫星站回传网络接收异步时分多址网络的前向载波数据，用于所述小口径天线卫星站的前向通信和高速大容量数据的接收，反向链路使用单独载波回传，所述反向链路支持码分多址、频分多址、时分多址网络实现多址接入。

其中，所述中心卫星主站用于全网广播数据的下发、对整个系统进行管理、以及与所述系统内的各其他卫星站之间进行通信数据业务的传输；所述中心卫星主站配置大口径卫星天线，同时支持连续与突发两种数据通信模式。

本发明又提供一种卫星通信组网系统的工作方法，包括：

步骤A1：中心卫星主站启动后，发送参考时隙与接入竞争时隙，当接收到其他卫星站发送的入网申请消息时，将系统数据库中对应站点的状态标识设为激活状态；所述其他卫星站包括：分布式中心卫星站、普通卫星站、小口径天线卫星站；

步骤A2：其他卫星站以参考时隙为基准通过接入竞争时隙向所述中心卫星主站发送业务数据传输申请消息，所述中心卫星主站根据业务申请消息的类型分配相应的时隙资源和频带资源，当业务数据传输结束后，所述中心卫星主站回收时隙资源和频带资源。

其中，所述中心卫星主站根据业务申请消息的类型分配相应的传输资源，包括：

当分布式中心站点、普通站点之间进行业务数据传输申请，则中心卫星主站将为提出申请的站点分配相应的时分多址时隙资源；

当分布式中心站点、普通站点向小口径天线卫星站发送业务数据传输申请，则中心卫星主站将为分布式中心站点、普通站点分配相应的时分复用时隙资源；

当小口径天线卫星站提出向中心卫星主站、分布式中心站点、普通站点发送业务数据传输申请，则中心卫星主站将根据业务类型和申请要求分配独立频带资源。

其中，所述步骤A1包括：

所述中心卫星主站启动后，发送包括参考时隙和接入竞争时隙；

其他卫星站接收所述中心卫星主站发送的参考时隙和接入竞争时隙，根据参考时隙调整设备参数；

其他卫星站以所述参考时隙为基准，通过所述接入竞争时隙向所述中心卫星主站发送入网申请消息；

当所述中心卫星主站接收到正确的入网申请消息时，将数据库中对应站点的状态标识设为在线激活，并给其他卫星站返回入网申请成功信息。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明技术方案采用“时分复用”方式，中心卫星主站调整参考时隙的长度和发送时刻，进而主动调整全网内各卫星站之间的时钟误差值，使得全网并不需要严格的时钟同步；不同类型业务数据传输的时隙长度相同，为不同业务量分配不同个数的时隙；该系统包括的两个子网络之间能够无缝融合，比如，分布式中心站点与小口径天线卫星站可直接通信，不需要中间站点转发，既实现网络的分区/分级管理，也实现了整个网络的“扁平化”优化，大大提高了整个系统的效率；系统实现了不同通信能力的站点组网进行通信，而且能够根据传输业务数据的变化而对系统资源进行动态调整管理，尤其是针对跨区域、多分枝、分级管理的集团公司、政府部门的卫星通信需求，该方案在灵活性、便利性、以及高效性等方面具有创新性优势。

附图说明

图1为现有技术中的通信场景示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种卫星通信组网系统结构图；

图3为本发明实施例二提供的一种卫星通信组网系统的业务流程图；

图4为本发明实施例三提供的一种卫星通信组网系统的工作方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例一

本发明实施例一提供一种卫星通信组网系统，如图2所示，包括：中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通卫星站、小口径天线卫星站，中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通卫星站站点相互之间通过异步时分多址网络进行通信；异步时分多址 (TDMA)网络通过各卫星站之间的优先级高低进行数据通信和高速大容量数据分发，为骨干传输链路，站点类型包括地面固定站点、大口径车载站点等。异步时分多址网络采用无中心、异步接入方式，前向链路采用时分复用的方式，异步时分多址网络适用于星形网络和网状网络拓扑结构组网形式。小口径天线卫星站分别与中心卫星主站、分布式中心卫星站、普通固定卫星站之间通过小口径天线卫星站回传网络进行通信；小口径天线卫星站回传网络接收异步时分多址网络的前向载波数据，用于小口径天线卫星站的前向通信和高速大容量数据的接收，反向链路使用单独载波回传，反向链路支持码分多址、频分多址、时分多址网络实现多址接入。

各个站点的设备配置如下：

在该系统中具有一个中心卫星主站，中心卫星主站能与该系统内所有站点进行数据通信，其主要作用是全网广播数据的下发、对整个系统进行管理、以及与系统内的各卫星站之间进行通信数据业务的传输，中心卫星主站配置大口径卫星天线，支持多种速率数据的传输，同时支持连续与突发两种数据通信模式，该站点配置完备的网络管理功能模块，一般设置在网络系统的最高级；

在该系统中分布式中心卫星站可包括分布式固定卫星站和分布式移动卫星站，其中分布式固定卫星站可与该系统内的所有站点进行通信。在本系统中，其主要角色为负责某一区域内多个通信站点之间的数据传输，因此，分布式固定卫星站一般布置在目的性较强的区域内。分布式移动卫星站在整个系统中的角色与分布式固定卫星站相似，只是针对不同的应用环境，分布式移动卫星站通过车载方式，可以实现移动，在多个不同的地理环境下与系统中的其他卫星站进行通信，而分布式固定卫星站则只能固定在某一地点。

普通卫星站包括普通固定卫星站和普通中通车载卫星站，其中普通固定卫星站为整个系统中最主要的应用通信站点，数量最多，同时承担全系统主要的数据业务传输任务，同样，该普通固定卫星站也可与系统内的其他卫星站进行数据通信，但其主要与分布式中心卫星站进行数据通信。普通中通车载卫星站在整个系统中的角色与功能与普通固定卫星站类似，只是普通中通车载卫星站是可移动的，而普通固定卫星站是固定的。

小口径天线卫星站在整个系统中属于最基本的通信站点，它具有设备结构简单，生存能力强的特点。其相当于图1卫星通信应用场景中的“项目组”站点，数量最多，需要通信的数据量较少，站点类型包括便携卫星站点、小口径车/机载卫星站点等。

如图2所示，在本系统中，中心卫星主站、分布式站点、以及普通站点构成一个无中心的异步TDMA(时分多址)网络，其特点是该网络内的各卫星站之间可以互联互通，数据传输速率较高，同时具备与小口径天线卫星站之间的通信能力。该网络内各卫星站链路采用相同频率的频谱资源，通过时分多址接入方式解决发送数据冲突问题，而发送至小口径天线卫星站的数据则通过时分复用的方式来实现。在该网络中，中心卫星主站具备与系统内能力最弱的站点进行通信的能力。

小口径天线卫星站可以接收本系统内所有中心站点和普通站点发送的数据，而反向链路则支持通过多种多址接入方式实现数据回传，根据回传数据量的大小，决定选用的多址接入方式，一般情况下小口径天线卫星站只向所属中心卫星站或普通卫星站发送回传数据。

本实施例的系统是网状网和星形网混合网络，通过将大数据广播下发和指挥通信合并到一个载波下，可以充分利用下行频带资源，解调门限低，解调同步快，在异步突发通信中，有效利用时隙资源；抗频偏能力强，适用于窄带通信；支持甚小口径天线卫星站以及便携站点回传；可调整扩频方式，防止临星干扰，平衡功率带宽比。异步时分多址网络为高速数据分发网，有效利用卫星资源，实现分布式高速数据上传和高速数据分发，速率最高可达60Mbps；多模式动态反向回传通道，可实现小口径天线接入，支持不同口径天线分组接入方式，有效保证资源利用率和系统可靠性；实现动态用户分区切换，支持跨中心组网通信。

实施例二

本发明实施例二提供一种卫星通信组网系统的业务流程如图3所示，包括：

本系统包括两个子网络，即异步无中心时分多址网络和小口径天线卫星站回传网络，异步无中心时分多址网络前向链路采用时分复用的方式，所有不同类型的站点共用一个载波，通过不同的时隙划分防止站点前向链路发送数据发生碰撞。在该系统中，中心卫星主站具有前向链路的时隙分配与管理功能，对时隙资源进行动态分配，即根据每个子网内的卫星站点通信速率要求不同而分配不同的时隙资源。

本系统中的时隙类型分为四种，初始参考时隙、接入竞争时隙、双向时分多址时隙和前向时分复用时隙，整个时隙周期长度为560ms。

参考时隙：一个完整时隙周期的开始标志，由中心卫星主站发送，作为整个时隙结构的起始参考。其他卫星站通过接收参考时隙校准自己的发送时隙时刻，另外，参考时隙中还包括小站点的网控信息、时隙分配以及站点状态信息，每个时隙周期内只有一个参考时隙；

接入竞争时隙：用于站点设备开机后入网申请和数据传输的业务申请，每个周期内只有一个接入竞争时隙；

时分多址时隙：用于中心卫星主站和其他普通站点发送突发数据，从而构成一个无中心的网状网络，在本系统中一个完整时隙周期最多包含不超过180个时分多址时隙；

时分复用时隙：用于中心卫星主站向小口径天线卫星站点发送数据，在本系统中一个完整时隙周期最多包含不超过20个时分复用时隙。

实施例三

本发明实施例三提供一种卫星通信组网系统的工作方法，中心卫星主站为该系统的核心，管理控制着整个网络，而且能够与系统内每个站点实现直接数据传输，中心卫星主站管理与分配全网前向时隙资源，接收每个站点的入网申请突发时隙数据和业务传输资源申请突发数据，并且根据全网资源状态，动态分配时隙资源和频谱资源。

如图4所示，本实施例的方法包括：

步骤A1：中心卫星主站启动后，发送参考时隙与接入竞争时隙，当接收到其他卫星站发送的入网申请消息时，将系统数据库中对应站点的状态标识设为激活状态；其他卫星站包括：分布式中心卫星站、普通卫星站、小口径天线卫星站；

具体的，步骤A1包括：

中心卫星主站启动后，发送包括参考时隙和接入竞争时隙；

其他卫星站接收中心卫星主站发送的参考时隙和接入竞争时隙，根据参考时隙调整设备参数；

其他卫星站以参考时隙为基准，通过接入竞争时隙向中心卫星主站发送入网申请消息；

当中心卫星主站接收到正确的入网申请消息时，将数据库中对应站点的状态标识设为在线激活，并给其他卫星站返回入网申请成功信息；

步骤A2：其他卫星站以参考时隙为基准通过接入竞争时隙向中心卫星主站发送业务数据传输申请消息，中心卫星主站根据业务申请消息的类型分配相应的时隙资源和频带资源，当业务数据传输结束后，中心卫星主站回收时隙资源和频带资源。

在本实施例中，中心卫星主站根据业务申请消息的类型分配相应的时隙资源和频带资源，具体包括：

当分布式中心站点、普通站点之间进行业务数据传输申请，则中心卫星主站将为提出申请的站点分配相应的时分多址时隙资源；

当分布式中心站点、普通站点向小口径天线卫星站发送业务数据传输申请，则中心卫星主站将为分布式中心站点、普通站点分配相应的时分复用时隙资源；

当小口径天线卫星站提出向中心卫星主站、分布式中心站点、普通站点发送业务数据传输申请，则中心卫星主站将根据业务类型和申请要求分配独立频带资源；

本系统中，小口径天线卫星站点之间不能直接进行数据通。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种卫星通信组网系统的工作方法，其特征在于，包括：

步骤A1：中心卫星主站启动后，发送参考时隙与接入竞争时隙，当接收到其他卫星站发送的入网申请消息时，将系统数据库中对应站点的状态标识设为激活状态；所述其他卫星站包括：分布式中心卫星站、普通卫星站、小口径天线卫星站；

步骤A2：其他卫星站以参考时隙为基准通过接入竞争时隙向所述中心卫星主站发送业务数据传输申请消息，所述中心卫星主站根据业务申请消息的类型分配相应的时隙资源和频带资源，当业务数据传输结束后，所述中心卫星主站回收时隙资源和频带资源；

所述中心卫星主站根据业务申请消息的类型分配相应的传输资源，包括：

当分布式中心站点、普通站点之间进行业务数据传输申请，则中心卫星主站将为提出申请的站点分配相应的时分多址时隙资源；

当分布式中心站点、普通站点向小口径天线卫星站发送业务数据传输申请，则中心卫星主站将为分布式中心站点、普通站点分配相应的时分复用时隙资源；

当小口径天线卫星站提出向中心卫星主站、分布式中心站点、普通站点发送业务数据传输申请，则中心卫星主站将根据业务类型和申请要求分配独立频带资源；

小口径天线卫星站点之间不能直接进行数据通信。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A1包括：

所述中心卫星主站启动后，发送包括参考时隙和接入竞争时隙；

其他卫星站接收所述中心卫星主站发送的参考时隙和接入竞争时隙，根据参考时隙调整设备参数；

其他卫星站以所述参考时隙为基准，通过所述接入竞争时隙向所述中心卫星主站发送入网申请消息；

当所述中心卫星主站接收到正确的入网申请消息时，将数据库中对应站点的状态标识设为在线激活，并给其他卫星站返回入网申请成功信息。

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