CN110635838B - 一种天基通信网中多传输体制的接入方法 - Google Patents

一种天基通信网中多传输体制的接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种天基通信网中多传输体制的接入方法，属于卫星通信技术领域。本发明用于解决在卫星波束内多种接收传输体制、多种发送传输体制同时存在时的接入问题。为此，将星上各波束通过分合路器或/和中频矩阵与调制解调设备互联。按传输体制将调制解调设备进行分组。每组调制解调设备通过交换设备与业务适配设备互联，并通过业务适配连接骨干网交换设备。通过波束‑调制解调器‑体制内交换‑骨干网交换的三级交换模式，实现多传输体制的终端接入和调制解调资源的灵活调度。

Description

一种天基通信网中多传输体制的接入方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是指一种实现多传输体制接入天基通信网的方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
在卫星通信领域，随着激光链路以及中低轨高容量卫星的引入，天基高速卫星通信网开始出现,如Starlink星座、OneWeb星座、中国航天科工集团的虹云星座等。传输体制包括调制方式、编码方式、多址方式和信道分配方式等。不同的传输体制通常需要不同的调制解调器控制技术(资源分配策略等)。
不同类型的用户，通常需要不同的传输体制接入天基高速卫星通信网。例如，直升机需要的传输体制要应对旋翼遮挡问题、军事应用的传输体制需要高抗干扰能力、低轨卫星接入时需要应对的多普勒频移问题等等。在本发明中，约定下行为从卫星侧到卫星终端侧，上行则是指终端侧到卫星侧。传统的星上交换系统在单一波束内只存在单一的下行或上行传输体制，限制了不同类型用户的接入。随着星上处理技术的发展，在一个波束内，多种传输体制并存，以适应不同用户的需求，成为现实需求。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提出一种单波束内接入多种传输体制终端的方法。
本发明采用的技术方案为：
一种天基通信网中多传输体制的接入方法，包括以下步骤：
(1)接入相同卫星的两终端进行通信时，若发送终端A与目的终端B为同一传输体质，则执行步骤(2)～步骤(4)；若为不同传输体质，则执行步骤(5)～步骤(7)；
(2)同一传输体质的发送终端A到目的终端B的业务数据，接入发送终端A对应的解调设备；
(3)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经传输体制内交换设备接入目的终端B对应的调制设备；
(4)调制设备对业务数据进行调制后发往目的终端B所在的波束，经下行链路发送至目的终端B；
(5)如果目的终端B与发送终端A的传输体制不同，则发送终端A到目的终端B的业务数据，接入发送终端A对应的解调设备；
(6)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经发送端的传输体制内交换设备，经由一定路径，接入接收端的传输体制内交换设备；
(7)接收端的传输体制内交换设备将数据转往接收端传输体制的调制设备，对业务数据进行调制后发送至目的终端B。
其中，步骤(7)之后还包括以下步骤：
(8)接入不同卫星的两终端进行通信时，发送终端A到目的终端B的业务数据接入发送终端A对应的解调设备；
(9)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经发送端的传输体制内交换设备接入发送端传输体制对应的业务适配模块；
(10)发送端传输体制对应的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后接入本卫星的骨干网交换设备；
(11)本卫星的骨干网交换设备将业务数据通过卫星骨干网转发到目的卫星的骨干网交换设备；
(12)目的卫星的骨干网交换设备经星内 的接入适配设备转发至目的终端B。
其中，步骤(6)具体为：
(601)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，如果目的终端B与发送终端A的传输体制的二层帧格式兼容，则执行步骤 (602)；如果不兼容，有两种方式：经由骨干网交换机或者经由两传输体制之间的业务适配模块；经由两传输体制之间的业务适配模块的方式执行步骤(603)～(604)；经由骨干网交换机的方式执行步骤(605) ～(607)；二层帧格式兼容的含义是指数据帧能够被交换机接收并按帧中的目的地址转发。
(602)解调后的业务数据经发送端的传输体制内交换设备，直接接入接收端的传输体制内交换设备；
(603)解调后的业务数据经发送端的传输体制内交换设备接入发送端传输体制与接收端传输体制之间的业务适配模块；
(604)两种传输体制之间的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后，接入接收端的传输体制内交换设备；
(605)发送端传输体制对应的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后，转往骨干网交换设备；
(606)骨干网交换设备将业务数据转发到接收端传输体制对应的业务适配模块；
(607)接收端传输体制对应的业务适配模块解析出数据包，然后再封装到接收端传输体制的调制设备所需要的帧格式，转往接收端的传输体制内交换设备。
其中，调制设备和解调设备分别连接两个或以上传输体制内交换设备。
采用上述技术方案的有益效果在于：
(1)通过分合路器或/和中频矩阵实现波束与调制解调器的解耦合，实现了调制解调资源在波束间的按需调度；
(2)按传输体制聚类，每个Modem控制器只需要处理单一通信体制的卫星资源的分配，易于实现，并有利于将已有的卫星通信系统向星载接入网迁移；
(3)业务适配模块只需要处理两种传输体制之间的帧格式转换，如一种传输体制下的帧格式与骨干网的交换设备帧格式的转换，较适配多种传输体制更易于实现；
(4)同传输体制的调制解调设备通过体制内交换设备，使得体制内的帧交换不需要业务适配即可完成，降低了业务适配需要处理的业务量；
(5)移动卫星终端在跨波束切换时,可以不更换Modem控制器, 简化处理流程。
附图说明
图1是本发明天基骨干网和接入网关系示意图；
图2是卫星上波束通过中频矩阵或分合路器连接调制解调设备示意图；
图3是卫星上设备组成、业务流、控制流示意图；
图4是业务适配模块的组成示意图；
图5是星上调制解调设备连接多交换设备的示意图；
图6是硬件实现示意图；
图7是星内 相同传输体制终端通信示意图；
图8是二层帧格式兼容的情况星内 不同传输体制终端通信示意图；
图9是二层帧格式不兼容的情况，以不经过核心交换机的方式，执行星内 不同传输体制终端通信示意图；
图10是二层帧格式不兼容的情况，以经过核心交换机的方式，执行星内 不同传输体制终端通信示意图；
图11是终端跨星通信示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，整个天基通信网分为天基骨干网和天基接入网两部分，天基骨干网由通过激光或者高速微波链路互联的卫星节点和地面信关站组成，并通过地面信关站接入地面骨干网。每个负责接入的卫星有一种或多种下行传输体制、一种或多种上行传输体制。每种下行传输体制对应卫星的一个或者多个调制器，每种上行传输体制对应卫星的一个或者多个解调器。每个卫星终端通常在一个时间段内只使用一种下行传输体制和一种上行传输体制。天基骨干网中卫星的各种终端接入体制以及通过这些终端接入体制进行数据收发的卫星通信终端组成天基接入网。
卫星终端使用一种下行传输体制用于数据接收、一种上行传输体制进行数据发送。一个终端所使用的下行传输体制和上行传输体制可以相同，也可以不同。卫星上的每个波束覆盖地球上一定的区域。为实现一个波束内的不同传输体制的终端都能通过卫星进行数据通信，需要在一个波束内支持一种或者多种下行传输体制、一种或者多种上行传输体制。
如图2所示，本方案通过分合路器或/和中频交换矩阵实现波束与调制解调设备连接。使用中频交换矩阵时，可以实现调制解调设备资源的跨波束调度能力。例如，当一个波束内的某类用户业务需求增加时，可以通过调整波束连接的该用户对应传输体制的调制解调设备数量，增加波束内该传输体制的处理能力。当调制解调设备具有星上重构能力时，更可以按不同用户群体资源请求量，进行全局的通信体制的规划和调整。可将部分或全部调制解调设备连接两个或以上传输体制内的交换设备。调制解调器变更传输体制后，通过切换调制解调器连接的交换设备，实现调制解调设备的数据流切换和控制流切换。
本方案涉及到的星内功能模块如图3所示，对于每个卫星，有唯一的骨干网交换设备，唯一的管控模块。骨干网交换设备使用跨星统一的数据帧格式，用于跨星传输或通过信关站接入地面骨干网。
管控模块可以接收地面网管中心的配置命令，并在地面网管中心失能时，具有自主管理卫星网运行的能力。管控模块涉及多项功能，包括星间链管理、星内接入资源管理(分配频谱资源给Modem控制器)、接入及骨干网设备管理(通过配置中频交换矩阵和Modem实现冗余控制、进行设备状态监控)等等。
将卫星的调制解调设备按照传输体制进行分组。对于每一分组，配置一个传输体质内交换设备、一个Modem控制器、一个业务适配模块(可选)。
Modem控制器管理一个或者多个调制/解调设备和一定量的卫星资源，根据终端的业务请求情况，分配卫星资源，并将分配结果通知终端和调制/解调设备。在一种传输体系内，Modem控制器可以由多个软件进程组成。
传输体制内交换设备用于该传输体制内各调制解调器以及业务适配模块的数据帧传输和交换。也可以用于Modem控制器与其管理的调制解调设备的控制消息通信。可以通过体制内交换设备连接同一传输体制的所有调制解调资源。
业务适配模块在一侧通过传输体制内交换设备与各调制解调设备连接，另一侧与骨干网交换设备的一个端口连接。其功能包括：(a) 调制/解调设备所需的数据帧格式与骨干网交换设备的数据帧格式进行转换。(b)进行QoS保障及流量控制。(c)对业务通信进行访问控制。
业务适配模块的基本处理流程如图4所示，对收到的数据帧进行解帧、数据包处理、然后再重新封帧。例如，从解调设备的数据帧中解析出IP数据包，再分装成AOS帧，添加标签和端口信息后发往核心网交换机；对于下行数据，则从骨干网接收的AOS帧中解析出IP数据包，然后再封装到调制设备所需要的帧格式。当业务适配模块两侧的数据帧格式相同时，可以直接对数据帧进行处理，而不执行解帧和重新封帧操作。
业务适配模块并非必需模块。例如，如果一种传输体制只用于从终端接收数据，且解调设备所需的数据帧格式与骨干网交换设备的数据帧格式相同，则可以不使用业务适配。对于数据发送，即使帧格式相同，当需要进行流量控制和访问控制时，也需要业务适配进行处理。
为实现高可靠性和利用调制解调设备的可重构能力(更新或变更传输体制)，如图5所示，可将部分或全部调制解调设备通过连接两个或以上传输体制内交换设备。调制解调设备变更传输体制后，通过切换调制解调设备连接的交换设备，实现调制解调设备的数据流切换和控制流切换。
在硬件实现上，如图6所示，Modem控制器通过软件实现，部署在CPU上。而传输体制内交换设备和业务适配模块通过硬件实现，部署在FPGA上。
本发明一种天基通信网中多传输体制的接入方法，
具体处理过程如下：
(1)接入相同卫星的两终端进行通信时，若发送终端A与目的终端B为同一传输体质，则执行步骤(2)～步骤(4)，如图7所示；若为不同传输体质，则执行步骤(5)～步骤(7)；
(2)同一传输体质的发送终端A到目的终端B的业务数据，接入发送终端A对应的解调设备；
(3)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经传输体制内交换设备接入目的终端B对应的调制设备；
(4)调制设备对业务数据进行调制后发往目的终端B所在的波束，经下行链路发送至目的终端B；
(5)如果目的终端B与发送终端A的传输体制不同，则发送终端A到目的终端B的业务数据，接入发送终端A对应的解调设备；
(6)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经发送端的传输体制内交换设备，经由一定路径，接入接收端的传输体制内交换设备；步骤(6)具体为：
(601)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，如果目的终端B与发送终端A的传输体制的二层帧格式兼容，则执行步骤 (602)，如图8；如果不兼容，有两种方式：经由骨干网交换机或者经由两传输体制之间的业务适配模块；经由两传输体制之间的业务适配模块的方式执行步骤(603)～(604)，如图9；经由骨干网交换机的方式执行执行步骤(605)～(607)，如图10；
(602)解调后的业务数据经发送端的传输体制内交换设备，直接接入接收端的传输体制内交换设备；
(603)解调后的业务数据经发送端的传输体制内交换设备接入发送端传输体制与接收端传输体制之间的业务适配模块；
(604)两种传输体制之间的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后，接入接收端的传输体制内交换设备；
(605)发送端传输体制对应的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后，转往骨干网交换设备；
(606)骨干网交换设备将业务数据转发到接收端传输体制对应的业务适配模块；
(607)接收端传输体制对应的业务适配模块解析出数据包，然后再封装到接收端传输体制的调制设备所需要的帧格式，转往接收端的传输体制内交换设备。
(7)接收端的传输体制内交换设备将数据转往接收端传输体制的调制设备，对业务数据进行调制后发送至目的终端B。
(8)如图11，接入不同卫星的两终端进行通信时，发送终端A 到目的终端B的业务数据接入发送终端A对应的解调设备；
(9)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经发送端的传输体制内交换设备接入发送端传输体制对应的业务适配模块；
(10)发送端传输体制对应的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后接入本卫星的骨干网交换设备；
(11)本卫星的骨干网交换设备将业务数据通过卫星骨干网转发到目的卫星的骨干网交换设备；
(12)目的卫星的骨干网交换设备经星内 的接入适配设备转发至目的终端B。
业务数据的处理流程，如图1所示，假定骨干网中每个节点的骨干网交换设备为基于AOS(Advanced Orbit System)帧的标签交换设备。终端到卫星的业务数据为IP包。
骨干网标签交换设备的功能是根据AOS帧帧头的获取入标签 inLabel，替换为outLabel，从outPort发送出去。当超出限定的带宽bandWidth时，则丢弃。因此骨干网标签交换设备需要配置的表为 LFIB(Label Forwarding Information Base)，内容为inLabel到 outPort、outLabel、bandWidth的映射。骨干网交换机由两个端口类型，业务接入和交换类。与业务适配设备连接的为业务接入类型：对于从该端口收到的数据帧，会直接提取outPort值，发往该outPort 端口。对于用于和其他卫星节点或者地面信关站连接的端口，则将收到的数据帧中的inLabel，查找LFIB表，将帧中的inLabel替换为 outLabel，并从outPort端口转发出去。
业务适配模块将接入网调制设备收到的帧解析为IP数据包，并根据FIB表将IP数据包封装入AOS帧。FIB(Forwarding Information Base)表的内容为FEC->outPort,outLabel,bandWidth(可选)， dstNode(仅当连接为1对多模式)。FEC(ForwardingEquivalence Class，转发等价类)将具有相同特征(目的地相同或具有相同服务等级等)的报文归为一类，称为FEC。属于相同FEC的报文在标签交换网络中将获得完全相同的处理。当收到骨干网标签交换设备发来的 AOS帧时，则将AOS解析为IP数据包，并封装为调制解调器需要的数据帧格式，按照终端接收与调制器的映射表，发往对应的调制器。
在系统中，分为需要带宽保障的业务(如电话)和非带宽保障类业务(如普通IP数据业务)。保障类业务需要先建立端到端的连接，卫星资源采用预留的方式，在拆除链接后卫星资源才可以释放。
控制数据的处理流程，对于终端A到终端B的建链业务申请，如果终端A到卫星的传输体制与卫星到B的传输体制相同，则由体制内的 Modem控制器直接分配资源，完成A到B的业务通信。
如果终端A和卫星B都接入到同一颗卫星，但是终端A到卫星的传输体制与卫星到终端B的传输体制不同，则Modem控制器1对于终端A 到终端B的业务申请，需要先向Modem控制器2转发该申请，Modem控制器2分配卫星到终端B的下行资源后，将结果反馈给Modem控制器1， Modem控制器1分配终端A到卫星的上行资源，并将结果发送给终端A。
如果终端A与其他卫星下的终端B通信，则Modem控制器1需要向卫星1内的管控1发送申请，由管控1与终端B所在的卫星2的管控2协商星间链路，管控2还需要分配卫星2到终端B的下行资源。管控2如果允许，则与管控1通过标签分配协议，建立星间链路，管控1将结果反馈给Modem控制器1，由其分配接入资源、配置业务适配。Modem控制器1 将分配结果通过到终端A的下行信令发送给终端A，终端A获得卫星资源后，开始发送业务数据。
如果终端A需要接入地面网，则类似于跨星业务，通过地面信关站的管控程序建立星地LSP连接，终端A的业务数据通过地面信关站的业务适配进入地面网。
由此可见，星内通信不需要集中管理，而星间通信则需要集中的管控设备完成。

Claims (3)

1.一种天基通信网中多传输体制的接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接入相同卫星的两终端进行通信时，若发送终端A与目的终端B为同一传输体制，则执行步骤(2)～步骤(4)；若为不同传输体制，则执行步骤(5)～步骤(7)；
(2)同一传输体制的发送终端A到目的终端B的业务数据，接入发送终端A对应的解调设备；
(3)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经传输体制内交换设备接入目的终端B对应的调制设备；
(4)调制设备对业务数据进行调制后发往目的终端B所在的波束，经下行链路发送至目的终端B；
(5)如果目的终端B与发送终端A的传输体制不同，则发送终端A到目的终端B的业务数据，接入发送终端A对应的解调设备；
(6)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经发送端的传输体制内交换设备，经由一定路径，接入接收端的传输体制内交换设备；具体包括以下步骤：
(601)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，如果目的终端B与发送终端A的传输体制的二层帧格式兼容，则执行步骤(602)；如果不兼容，有两种方式：经由骨干网交换机或者经由两传输体制之间的业务适配模块；经由两传输体制之间的业务适配模块的方式执行步骤(603)～(604)；经由骨干网交换机的方式执行步骤(605)～(607)；
(602)解调后的业务数据经发送端的传输体制内交换设备，直接接入接收端的传输体制内交换设备；
(603)解调后的业务数据经发送端的传输体制内交换设备接入发送端传输体制与接收端传输体制之间的业务适配模块；
(604)两种传输体制之间的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后，接入接收端的传输体制内交换设备；
(605)发送端传输体制对应的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后，转往骨干网交换设备；
(606)骨干网交换设备将业务数据转发到接收端传输体制对应的业务适配模块；
(607)接收端传输体制对应的业务适配模块解析出数据包，然后再封装到接收端传输体制的调制设备所需要的帧格式，转往接收端的传输体制内交换设备；
(7)接收端的传输体制内交换设备将数据转往接收端传输体制的调制设备，对业务数据进行调制后发送至目的终端B。
2.根据权利要求1所述的一种天基通信网中多传输体制的接入方法，其特征在于，步骤(7)之后还包括以下步骤：
(8)接入不同卫星的两终端进行通信时，发送终端A到目的终端B的业务数据接入发送终端A对应的解调设备；
(9)解调设备对发送终端A发送的业务数据进行解调，然后经发送端的传输体制内交换设备接入发送端传输体制对应的业务适配模块；
(10)发送端传输体制对应的业务适配模块对业务数据帧进行解帧、数据包处理以及重新封帧后接入本卫星的骨干网交换设备；
(11)本卫星的骨干网交换设备将业务数据通过卫星骨干网转发到目的卫星的骨干网交换设备；
(12)目的卫星的骨干网交换设备经星内的接入适配设备转发至目的终端B。
3.根据权利要求1所述的一种天基通信网中多传输体制的接入方法，其特征在于，调制设备和解调设备分别连接两个或以上传输体制内交换设备。
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