CN110753405A - 一种卫星通信系统随机快速接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信系统随机快速接入方法，属于电子与通信工程领域，包括以下步骤：首先将可选前导码分为竞争前导码和专用前导码，每过一个保护间隔对发生碰撞的数据通过退避算法处理后进行传输，该用户通信设备发送数据之后，若发送成功则结束退避算法，若不成功则用户通信设备将现在的退避窗口值作为二倍放大并重新进行退避算法，从新的退避窗口中选择一个新的k值来重新发送这个数据，最后当退避窗口被放大预定次数后数据仍未成功发送，此时退避窗口不在放大，重新执行退避算法；本发明通过分配可选前导码，设置合理的保护间隔，对发生碰撞的数据执行退避算法处理提高了数据的接入速度和发送成功率。

Description

一种卫星通信系统随机快速接入方法

技术领域

本发明属于电子与通信工程领域，具体是一种卫星通信系统随机快速接入方法。

背景技术

卫星通讯因其通信距离远、覆盖面积大、组网灵活的特点，在某些重要的通信领域，如航空通信、航海通信、军事通信、抢险救灾、导航定位、气象监控以及遥测遥感等，卫星通信系统是可以说是首选的通信方式。

现有卫星通信系统的整体网络架构由空间段、地面段和用户段三部分组成。用户站在整个低轨道卫星移动通信系统中处于用户终端和信关站之间，主要作用是卫星跟踪与通信、用户终端数据预处理和存储、用户终端的接入和切换控制、网关功能等。

当两个用户站连接同一个信关站进行相互通信时，用户站与信关站之间的通信由卫星透明转发。当两个用户站连接不同信关站时，信关站通过地面通信网Internet连接，信关站通过中心站存储信息获取新的位置信息进行通信。

但是这种结构存在以下缺陷，由于通信中往返时延大的特点决定了卫星系统与地面通信系统的巨大差异，在随机接入过程中不同用户存在选择相同前导码的情况下会出现碰撞，增加系统负荷，影响用户接入的成功率。在用户数据的产生碰撞后缺乏有效的手段以解决碰撞用户应当以何种方法进行再次的接入。

发明内容

发明目的：提供一种卫星通信系统随机快速接入方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种卫星通信系统随机快速接入方法包括以下步骤：步骤1、将卫星通信系统中固有的64个可选前导码分为竞争前导码和专用前导码，用户通信设备所发送的特定数据使用专用前导码进行数据的传输，对于发生碰撞的数据通过退避算法处理后进行传输。

步骤2、在用户通信设备发送数据前先侦听信道，侦听到信道忙时通过退避算法将该数据退避一段时间后继续侦听信道的使用情况。

步骤3、在执行数据退避的过程中，在退避算法的退避窗口中随机选择一个整数k值，此时步骤2中的数据发送前需要等待k个保护间隔。

步骤4、用户通信设备每过一个保护间隔就会侦听一次信道状态，同时退避算法执行减1的操作，直到减小到0时，该用户通信设备发送数据之后，对所发送的数据设置定时器。

步骤5、若定时器减为0前，用户通信设备收到ACK数据表明发送成功，否则用户通信设备将现在的退避窗口值作为二倍放大并重新进行退避算法，从新的退避窗口中选择一个新的k值来重新发送这个数据。

步骤6、当退避窗口被放大预定次数后数据仍未成功发送，此时退避窗口不在放大，重新执行退避算法进行步骤2至5的操作。

在进一步的实施例中，所述步骤1中的可选前导码分为6个专用前导码，和58个竞争前导码。仅将6个可选前导码作为用于特定数据传输使用的专用前导码，剩余58个可选前导码作为普通数据传输使用的竞争前导码，可以最大程度的保证使用竞争前导码的普通数据的快速接入。

在另一实施例中，所述步骤1中的可选前导码分为18个专用前导码，和46个竞争前导码。将18个可选前导码作为用于特定数据传输使用的专用前导码，剩余46个可选前导码作为普通数据传输使用的竞争前导码，可以在保证使用竞争前导码的普通数据的快速接入，大程度的保证使用专用前导码的特定数据的快速接入。

在另一实施例中，所述步骤1中的可选前导码分为6个专用前导码，46个竞争前导码，以及剩余12个可选前导码作为备用前导码。将6个可选前导码作为特定数据传输使用的专用前导码，46个可选前导码作为普通数据传输使用的竞争前导码，剩余的12个可选前导码作为备用前导码，能够在保证使用专用前导码传输的特定数据和使用竞争前导码传输的普通数据的传输的基础上额外的增加了12个备用前导码，专用前导码和竞争前导码任意一方不够使用时将12个备用前导码进行分配来保证数据的传输。

在进一步的实施例中，所述步骤3至5中的保护间隔的时长设置在1.07ms至2.14ms之间。因为基于卫星通信系统的波束最大的传输时延差为2.14ms，所以将保护间隔的时长设置在1.07ms至2.14ms之间，每过一个保护间隔对信道进行一次侦听，能够保证侦听到每个信道传输的周期忙碌状态，合理的执行退避算法，使退避算法能够尽可能的达到理想接入状态，提高数据的接入速度。

在进一步的实施例中，所述步骤1至6中的退避窗口根据发生碰撞的次数在区间[Lmin，Lmax]中选取集合L_n，L_n为包含0的集合{0，1，2，……，2ⁿ}，n为竞争前导码发生碰撞次数，n为大于等于0的自然数。

在开始发送数据前对退避窗口L进行初始化为Lmin，既碰撞次数n＝0，退避窗口Lmin为集合{0，1}，然后发送数据后，当发生碰撞时k从集合{0，1}中随机取值执行步骤3至5的工作，然后竞争前导码在执行步骤3至5的工作后再次发生碰撞时，n进行加1，既L₁为集合{0，1，2}，k从集合{0，1，2}中取值，直至n达到预定值，既L_n为集合{0，1，2，......，2ⁿ}，k从集合{0，1，2，……，2ⁿ}中取值后再次发生数据碰撞时，执行步骤6。

通过退避算法避免数据传输过程中发生碰撞，提高数据接入速度和发送成功率。

在进一步的实施例中，对所述退避算法进行改进，在侦听信道时通过引入碰撞率和发送成功率对信道的忙碌状态进行预判，根据忙碌状态值将退避窗口调整为相应的范围；

其中，碰撞率为i′_n：

f_n＝2/(t_n+t_n-1)

f′_n＝(f_n-f_n-1)/f_n-1

发送成功率为F′_n：

F_n＝2/(T_n+T_n-1)

F′_n＝(F_n-F_n-1)/F_n-1

然后采用EWMA模型进行平滑处理，平滑处理过程如下：

f′_n＝af′_n+(1-a)f′_n-1

F′_N＝bF′_n+(1-b)F′_n-1

其中，公式中n为数据发生碰撞的次数，t_n为发生碰撞的时间周期，T_n为发送成功的时间周期.a、b分别为平滑系数：

数据在执行退避计算时，通过计算碰撞率和发送冲功率两个参数值，对退避窗口的大小进行调整，在第n次数据碰撞后或发送成功后，下一次数据的退避窗口L调整的算法为：

其中，公式中n为数据发生碰撞的次数，既退避窗口的迭代次数，

和(η＞0)为乘数因子。

虽然采用退避算法能够降低数据的碰撞率和提高数据的发送速度，但是在信道的使用处于忙碌状态时要一次次的进行退避窗口的迭代才能成功发送数据，因此在执行退避算法前先侦听信道的忙碌状态，根据忙碌状态值将退避窗口调整为相应的范围从而进一步的提高数据的发送速度。

有益效果：对卫星系统中的可选前导码资源进行合理分配为竞争前导码和专用前导码，减小了用户数据发生碰撞的概率，从而达到提高用户数据成功接入的速度和概率；通过设置合理的保护间隔，每过一个保护间隔的时间段对信道进行一次侦听，从而合理的执行退避算法，使退避算法尽可能的接近理想接入状态；通过优化退避算法，根据数据的碰撞率和发送成功率调整退避算法的退避窗口大小，降低了数据碰撞率，进一步的提高了数据的接入速度和发送成功率。

附图说明

图1是本发明的数据传输流程示意图。

图2是本发明的数据传输设备连接示意图。

图3是本发明的竞争前导码接入成功率仿真结果示意图。

图4是本发明的退避算法时延示意图。

图5是本发明的退避算法吞吐率示意图。

图1至图5所示附图标记为：用户通信设备1、网关2、空间通信加速设备3、调制解调器4、卫星5。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

经申请人研究分析，在随机接入过程中不同用户存在选择相同前导码的情况下会出现碰撞，增加系统负荷，影响用户接入的成功率，以及在用户数据的产生碰撞后缺乏有效的手段以解决碰撞用户应当以何种方法进行再次的接入，这两个问题出现的原因是卫星系统支持的业务类型包括会话业务、数据流业务、交互类业务和后台类业务四大类。每个类型的业务进行优先级划分，共分为8类优先级，大部分业务需要在标准时延中建立连接，其中会话类和交互类的部分业务需要在低时延中完成通信的建立，卫星系统要求对入网时间和切换时间都有着严格的要求，为了满足会话类和交互类中的部分通信业务的低时延的建立要求，卫星系统往往优先从64个固有可选前导码中随机选取大量的可选前导码分配给会话类和交互类中的部分通信业务，这不仅影响到会话业务、数据流业务、交互类业务和后台类业务四大类中的其他普通优先级业务的数据传输，而且在普通优先级业务的数据传输过多时，没有足够的可选前导码分配给通信业务的数据时，对通信业务数据的传输也会造成影响。

而可选前导码不足容易出现为数据分配重复的前导码从而出现数据碰撞这样的问题，而出现数据碰撞问题后没有合适的手段以解决碰撞用户应当以何种方法进行再次的接入的问题。

为了解决卫星系统为了保证通信业务数据传输而优先从64个固有可选前导码中随机选取大量的可选前导码分配给通信业务，造成的不仅影响到会话业务、数据流业务、交互类业务和后台类业务四大类中的其他普通优先级业务的数据传输，而且在普通优先级业务的数据传输过多时，没有足够的可选前导码分配给通信业务的数据时，对通信业务数据的传输也会造成影响这一问题，以及在数据发生碰撞后没有合适的手段以解决碰撞用户应当以何种方法进行再次的接入的问题，本发明的申请人提供了一种卫星5通信系统随机快速接入方法。

如图2所示，在卫星系统中数据的传输需要经过用户通信设备1与网关2的电连接，网关2与空间通信加速设备3的电连接，空间通信加速设备3与调制解调器4的电连接，调制解调器4与卫星5的电连接这一上行数据的传输，卫星5在收到用户的上行数据后，将相应的数据作为下行数据从卫星5经过调制调节器、空间通信加速设备3和网关2最终到达相应的用户通信设备1。其中，一个网关2与多个用户通信设备1电连接，一个卫星5与多个调制调节器电连接，为一对多的连接关系，网关2、空间通信加速设备3和调制调节器为一一对应的连接关系。

在用户通过用户通信设备1向卫星5发送上行数据时，会根据数据的种类将可选前导码分配给数据，本发明一种卫星5通信系统随机快速接入方法的第一步就是将卫星5通信系统中固有的64个可选前导码分为竞争前导码和专用前导码，用户通信设备1所发送的特定数据使用专用前导码进行数据的传输，对于发生碰撞的数据通过退避算法处理后进行传输，其中使用专用前导码的特定数据为会话类和交互类中的通信业务的数据，其余种类的数据使用竞争前导码进行数据传输，使用专用前导码进行通信业务数据的传输能够避免为通信业务数据分配前导码时与竞争前导码发生竞争关系，避免了通信业务数据发生数据碰撞的情况，保证了通信业务低时延的需要，在低时延中完成通信的建立。

第二步，在用户通信设备发送数据前先侦听信道，侦听到信道忙时通过退避算法将该数据退避一段时间后继续侦听信道的使用情况。

第三步，在执行数据退避的过程中，在退避算法的退避窗口中随机选择一个整数k值，此时步骤2中的数据发送前需要等待k个保护间隔。

第四步，用户通信设备每过一个保护间隔就会侦听一次信道状态，同时退避算法执行减1的操作，直到减小到0时，该用户通信设备发送数据之后，对所发送的数据设置定时器。

第五步，若定时器减为0前，用户通信设备收到ACK数据表明发送成功，否则用户通信设备将现在的退避窗口值作为二倍放大并重新进行退避算法，从新的退避窗口中选择一个新的k值来重新发送这个数据。

第六步，当退避窗口被放大预定次数后数据仍未成功发送，此时退避窗口不在放大，重新执行退避算法进行步骤2至5的操作。

其中，第二步至第六步的流程如图1所示。其中，退避算法中的退避窗口根据发生碰撞的次数在区间[Lmin，Lmax]中选取集合L_n，L_n为包含0的集合{0，1，2，……，2ⁿ}，n为竞争前导码发生碰撞次数，n为大于等于0的自然数；

在开始发送数据前对退避窗口L进行初始化为Lmin，既碰撞次数n＝0，退避窗口Lmin为集合{0，1}，然后发送数据后，当发生碰撞时k从集合{0，1}中随机取值执行步骤3至5的工作，然后竞争前导码在执行第三步至第五步的工作后再次发生碰撞时，n进行加1，既L₁为集合{0，1，2}，k从集合{0，1，2}中取值，直至n达到预定值，既L_n为集合{0，1，2，……，2ⁿ}，k从集合{0，1，2，……，2ⁿ}中取值后再次发生数据碰撞时，执行第六步。

在如图4和图5所示的实施例中，BEB8为n＝0时，退避窗口的初始集合Lmin为{0，1，2，4，8}，然后发送数据后，当发生碰撞时k从集合{0，1，2，4，8}中随机取值执行步骤3至5的工作，然后竞争前导码在执行第三步至第五步的工作后再次发生碰撞时，n进行加1，既L₁为集合{0，1，2，4，8，16}，k从集合{0，1，2，4，8，16}中取值，直至n达到预定值，既L_n为集合{0，1，2，4，8，……，2ⁿ⁺³}，k从集合{0，1，2，4，8，……，2ⁿ⁺³}中取值后再次发生数据碰撞时，执行第六步。

其中，对退避算法的仿真效果如图4和图5所示的退避算法时延示意图和退避算法吞吐率示意图所示，其中optimal为理想退避算法，BEB8为初始窗长度为8的二进制指数退避算法，BEB16为初始窗长度为16的二进制指数退避算法，UB8为窗长度为8的均匀退避算法。从图4和图5中可以看出不同退避算法在一定的系统负载情况下，吞吐率的大小相差不大，都能够在一个比较理想的范围内。

在进一步的实施例中，第一步中的可选前导码分为6个专用前导码，和58个竞争前导码。可以最大程度的保证使用竞争前导码的普通数据的快速接入。

在另一实施例中，第一步中的可选前导码分为18个专用前导码，和46个竞争前导码。可以在保证使用竞争前导码的普通数据的快速接入，大程度的保证使用专用前导码的特定数据的快速接入。

在另一实施例中，第一步中的可选前导码分为6个专用前导码，46个竞争前导码，以及剩余12个可选前导码作为备用前导码。能够在保证使用专用前导码传输的特定数据和使用竞争前导码传输的普通数据的传输的基础上额外的增加了12个备用前导码，专用前导码和竞争前导码任意一方不够使用时将12个备用前导码进行分配来保证数据的传输。

以上三个对第一步中的可选前导码进行分配后进行仿真得到的竞争前导码接入成功率如图3所示，图3中方法一为将可选前导码分为6个专用前导码，和58个竞争前导码；方法二为将可选前导码分为18个专用前导码，和46个竞争前导码；方法三为将可选前导码分为6个专用前导码，46个竞争前导码，以及剩余12个可选前导码作为备用前导码；其中，方法一和方法二均为专用优选方案，方法三位备用前导码方案。x_d为专用前导码负载率、X_n为竞争前导码负载率。图3中接入成功率那一列表示接入成功率最大为1，即100％。

由图3可知当卫星系统负载较小时，如X_d＝0.4ms^-1，X_n＝0.4ms^-1时，三种分配方法分配的前导码均较为充足，可以很好地满足不同用户的接入需要，成功率较高；在x_d＝0.4ms^-1，x_n＝1.5ms^-1时，因为竞争前导码负载率过大而方法二的竞争前导码不足，导致方法二相较方法一和方法三无法满足用户的接入需要，成功率较低，而方法三因为有备用前导码可以分配给竞争前导码所以依然有较高的成功率可以满足用户的接入需要；在X_d＝0.8ms^-1，X_n＝0.8ms^-1时，因为专用前导码的负载率过大而方法二的专用前导码多于方法一和方法三，所以方法二的接入成功率大于方法一和方法二的成功率，但是三个接入方法依然可以满足用户的接入需要。

在进一步的实施例中，第三步至第五步中的保护间隔的时长设置在1.07ms至2.14ms之间，计算保护间隔就是计算波束内的最大传输时延差，即是计算波束内卫星转发器距离波束的最远和最近距离，所以将保护间隔设置为时长为在1.07ms至2.14ms之间。进一步地因为基于卫星通信系统的波束最大的传输时延差为2.14ms，所以将保护间隔设置为时长为在2.14ms。

在进一步的实施例中，虽然采用退避算法能够降低数据的碰撞率和提高数据的发送速度，但是在信道的使用处于忙碌状态时要一次次的进行退避窗口的迭代才能成功发送数据，因此在执行退避算法前先侦听信道的忙碌状态，根据忙碌状态值将退避窗口调整为相应的范围从而进一步的提高数据的发送速度。

所以对退避算法进行了优化改进，在侦听信道时通过引入碰撞率和发送成功率对信道的忙碌状态进行预判，根据忙碌状态值将退避窗口调整为相应的范围；

其中，碰撞率为f′_n：

f_n＝2/(t_n+t_n-1)

f′_n＝(f_n-f_n-1)/f_n-1

发送成功率为F′_n：

F_n＝2/(T_n+T_n-1)

F′_n＝(F_n-F_n-1)/F_n-1

然后采用EWMA模型进行平滑处理，平滑处理过程如下：

f′_n＝af′_n+(1-a)f′_n-1

F′_N＝bF′_n+(1-b)F′_n-1

其中，公式中n为数据发生碰撞的次数，t_n为发生碰撞的时间周期，T_n为发送成功的时间周期；a、b分别为平滑系数；

数据在执行退避计算时，通过计算碰撞率和发送冲功率两个参数值，对退避窗口的大小进行调整，在第n次数据碰撞后或发送成功后，下一次数据的退避窗口L调整的算法为：

其中，公式中n为数据发生碰撞的次数，既退避窗口的迭代次数，

和(η＞0)为乘数因子。

n作为数据发生碰撞的次数，既退避窗口的迭代次数，可粗略反映信道当前的忙碌状态，N_th为计数器的门限值。

在算法中，当传输数据时发生冲突且n＞N_th时，认为网络处在十分繁忙状态，当发送成功且n≤N_th时，认为网络是空闲的。

具体算法表示如下：1)对算法参数等初始化，用户通信设备发送的数据处于竞争周期时，对数据执行退避算法处理并时n自加1操作。

2)当发生数据帧传输失败时，首先计算瞬时碰撞率f_n和碰撞变化率f′_n，并作相应的平滑处理，若n小于N_th时，且小于L_max时，将L调整为否则取L_max值。

3)当发生数据帧传输成功时，首先计算瞬时发送率F_n和发送成功率F′_n，并作相应的平滑处理，若退避计数器小于N_th时，且L_n-1(1-ηF′_n)小于L_max时，将L调整为L_n-1(1-ηF′_n)，否则取L_max值。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将卫星通信系统中固有的64个可选前导码分为竞争前导码和专用前导码，用户通信设备所发送的特定数据使用专用前导码进行数据的传输，对于发生碰撞的数据通过退避算法处理后进行传输；

步骤2、在用户通信设备发送数据前先侦听信道，侦听到信道忙时通过退避算法将该数据退避一段时间后继续侦听信道的使用情况；

步骤3、在执行数据退避的过程中，在退避算法的退避窗口中随机选择一个整数k值，此时步骤2中的数据发送前需要等待k个保护间隔；

步骤4、用户通信设备每过一个保护间隔就会侦听一次信道状态，同时退避算法执行减1的操作，直到减小到0时，该用户通信设备发送数据之后，对所发送的数据设置定时器；

步骤5、若定时器减为0前，用户通信设备收到ACK数据表明发送成功，否则用户通信设备将现在的退避窗口值作为二倍放大并重新进行退避算法，从新的退避窗口中选择一个新的k值来重新发送这个数据；

步骤6、当退避窗口被放大预定次数后数据仍未成功发送，此时退避窗口不在放大，重新执行退避算法进行步骤2至5的操作。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，所述步骤1中的可选前导码分为6个专用前导码，和58个竞争前导码。

3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，所述步骤1中的可选前导码分为18个专用前导码，和46个竞争前导码。

4.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，所述步骤1中的可选前导码分为6个专用前导码，46个竞争前导码，以及剩余12个可选前导码作为备用前导码。

5.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，所述步骤3至5中的保护间隔的时长设置在1.07ms至2.14ms之间。

6.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，所述步骤1至6中的退避窗口根据发生碰撞的次数在区间[Lmin，Lmax]中选取集合L_n，L_n为包含0的集合{0，1，2，……，2ⁿ}，n为竞争前导码发生碰撞次数，n为大于等于0的自然数；

在开始发送数据前对退避窗口L进行初始化为Lmin，既碰撞次数n＝0，退避窗口Lmin为集合{0，1}，然后发送数据后，当发生碰撞时k从集合{0，1}中随机取值执行步骤3至5的工作，然后竞争前导码在执行步骤3至5的工作后再次发生碰撞时，n进行加1，既L₁为集合{0，1，2}，k从集合{0，1，2}中取值，直至n达到预定值，既L_n为集合{0，1，2，......，2ⁿ}，k从集合{0，1，2，……，2ⁿ}中取值后再次发生数据碰撞时，执行步骤6。

7.根据权利要求6所述的一种卫星通信系统随机快速接入方法，其特征在于，对所述退避算法进行改进，在侦听信道时通过引入碰撞率和发送成功率对信道的忙碌状态进行预判，根据忙碌状态值所在阀值的区间选取相应的n值对退避窗口进行调整；

其中，碰撞率为f′_n：

f_n＝2/(t_n+t_n-1)

f′_n＝(f_n-f_n-1)/f_n-1

发送成功率为F′_n：

F_n＝2/(T_n+T_n-1)

F′_n＝(F_n-F_n-1)/F_n-1

然后采用EWMA模型进行平滑处理，平滑处理过程如下：

f′_n＝af′_n+(1-a)f′_n-1

F′_N＝bF′_n+(1-b)F′_n-1

其中，公式中n为数据发生碰撞的次数，t_n为发生碰撞的时间周期，T_n为发送成功的时间周期；a、b分别为平滑系数；

数据在执行退避计算时，通过计算碰撞率和发送冲功率两个参数值，对退避窗口的大小进行调整，在第n次数据碰撞后或发送成功后，下一次数据的退避窗口L调整的算法为：

其中，公式中n为数据发生碰撞的次数，既退避窗口的迭代次数，

和(η＞0)为乘数因子。

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