CN110932772A - 基于卫星的数据通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于卫星的数据通信系统及方法，数据通信系统，包括卫星、卫星通信终端、控制中心，卫星配置有接收器，接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率；卫星广播接收器对传输速率的预设信息至控制中心及卫星通信终端；卫星通信终端发送一包括第一期望速率的接入请求至控制中心；控制中心第一期望速率分配一接收器至一卫星通信终端以建立第一通信链路；当卫星通信终端的第一期望速率变化至第二期望速率时，控制中心建立第二通信链路。采用上述技术方案后，子频带的划分使得在复杂卫星通信环境中具有更强的频段干扰感知能力和抗干扰通信能力，且使得SCT能根据业务传输时延和数据量特征，灵活地选择较优的通信速率。

Description

基于卫星的数据通信系统及方法

技术领域

本发明涉及数据通信领域，尤其涉及一种基于卫星的数据通信系统及方法。

背景技术

目前，卫星的应用已经渗透到世界各个国家和地区的社会、军事和经济建设等各个方面。我国卫星通信技术所取得的巨大成就，实现了覆盖全球的通信服务。

一般而言，卫星在应用时，位于地面的卫星通信终端(SCT)与卫星通信接入，向卫星发送数据，反之，卫星也向地面的其他SCT发送数据，实现不同SCT或SCT与地面其它终端的通信交互。

现有许多方法向SCT提供通信卫星的随机接入，即仅当SCT有信息要发送时，才提供卫星通信接入。SCT与低轨卫星星座通信时，与周期性确定访问窗口接入相比，随机接入的复杂性显著增加。分布在全球的多个SCT同时访问同一颗卫星时，卫星需对接收的信息进行差异化处理，从而遵守各国的通信频段规则和规避频段干扰。对于大量具有突发性业务的SCT，分配固定通信信道和固定通信速率增加了通信开销量和浪费了通信容量，容易受到频谱干扰。因此该方式具有以下缺陷：

1)处理突发业务的复杂度高：突发业务本质上是一种间歇性业务，而不是长时间持续业务。当SCT有要发送的信息时，这些系统仅在SCT有信息需要发送时才提供SCT的卫星通信接入。由于业务的突发性质和大量SCT使得为每个SCT分配固定通信时隙是不现实的，因此在随机接入通信系统中发送消息需要一定量的通信开销。

2)处理来自不同国家不同频谱许可的终端业务时灵活性差：各国对此类通信的监管要求各不相同。例如，有些频段在一些国家允许使用，而在另一个国家可能禁止用于商业通信，在不同国家的SCT会同时访问同一颗卫星时，难以同时遵守每个国家的通信规则，并避免频率干扰。

3)处理多样化业务数据时通信效率低：传送大量信息时，采用发送多条固定长度消息的方法，比发送单条长度增长的消息，增加了通信开销量。因此，似乎简单地设计消息长度可增加的系统可能是有效的解决方案。然而，增加系统的预定消息长度通常是低效的，特别是当其他SCT等待发送消息时。

因此，需要有一种允许SCT选择不同速率向卫星发送的通信系统，能有效地通信，并在多样化业务传输中具有更强的差异化通信服务能力。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于卫星的数据通信系统及方法，子频带的划分使得在复杂卫星通信环境中具有更强的频段干扰感知能力和抗干扰通信能力，此外，变速率功能的实现，使得SCT能根据业务传输时延和数据量特征，灵活地选择较优的通信速率。

本发明公开了一种基于卫星的数据通信系统，包括至少一个卫星、接入任意卫星的至少一个卫星通信终端、设于地面与卫星及卫星通信终端通信连接的控制中心，其特征在于，

每一卫星配置有至少两个接收器，每一接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率；

卫星广播接收器对传输速率的预设信息至控制中心及每一卫星通信终端；

卫星通信终端基于预设信息，发送一接入请求至控制中心，其中接入请求包括与卫星通信时的第一期望速率；

控制中心根据预设信息及第一期望速率分配一接收器至一卫星通信终端以建立第一通信链路；

接收器调谐至一通信信道，以接收卫星通信终端的通信数据；

当卫星通信终端的第一期望速率变化至第二期望速率时，卫星通信终端重发接入请求至控制中心，控制中心重分配同一接收器的另一子频带或另一接收器至卫星通信终端以建立第二通信链路。

优选地，卫星监测接入的卫星通信终端的期望通信速率和数量；

当多个卫星通信终端对于期望通信速率的接入请求的接入数量大于一预设阈值时，改变接收器内的一个或多个未处于期望通信速率的其他速率的子频带的传输速率为期望通信速率。

优选地，卫星包括控制器，与接收器连接，控制器切换接收器的基带FPGA的工作模式以改变接收器的通信速率。

优选地，子频带由接收器与卫星通信终端间的通信信道分配形成，且子频带定义一组离散频率，每一离散频率对应于一传输速率，且不同离散对应不同的传输速率，改变接收器与卫星通信终端的通信信道的子频带以改变传输速率。

优选地，卫星通信终端向控制中心发送一预约请求，其中预约请求包括数据量、期望速率、期望传输时间、数据类型中的任意一种或多种；

控制中心解析预约请求，并生成一预约指令至接收器；

接收器基于预约指令于期望传输时间预留一传输速率对应于期望速率的子频带至卫星通信终端。

优选地，卫星通信终端向控制中心发送一切换请求，其中切换请求包括期望速率、数据量、数据类型中的一种或多种；

控制中心验证切换请求，并反馈一反馈指令至卫星通信终端，允许或拒绝卫星通信终端切换传输速率及通信频率。

本发明还公开了一种基于卫星的数据通信方法，包括以下步骤：

对每一卫星配置有至少两个接收器，每一接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率；

卫星广播接收器对传输速率的预设信息至控制中心及每一卫星通信终端；

卫星通信终端基于预设信息，发送一接入请求至控制中心，其中接入请求包括与卫星通信时的第一期望速率；

控制中心根据预设信息及第一期望速率分配一接收器至一卫星通信终端以建立第一通信链路；

接收器调谐至一通信信道，以接收卫星通信终端的通信数据；

当卫星通信终端的第一期望速率变化至第二期望速率时，卫星通信终端重发接入请求至控制中心，控制中心重分配同一接收器的另一子频带或另一接收器至卫星通信终端以建立第二通信链路。。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.SCT与卫星间的数据发送可以根据SCT的消息业务特点选择速率，通过动态地重新配置高速信道和低速信道，针对高速通信需求的消息分配高速信道，针对低速通信需求的消息分配低速信道，可作差异化配置；

2.可实现突发业务动态预约功能，当SCT请求一个信道来访问卫星上的指定卫星接收器时，仅在允许时，SCT在指定的时间段内将消息按该信道速率发送到卫星接收器，不影响用户使用SCT作紧急型的数据传送；

3.频谱子频带化处理可为警察或军事通信保留频率，提高消息数据的传送安全性。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例中数据通信系统的结构示意图；

图2为符合本发明一优选实施例中数据通信方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参阅图1，为符合本发明一优选实施例中数据通信系统的结构示意图。在该实施例中，基于卫星的数据通信系统包括至少一个卫星，卫星围绕地球运动，自地球表面输入或输出数据；设于地面的卫星通信终端(简称“SCT”)，如类似于智能终端的军用通信器、放置于车辆上并利用卫星传输数据的通信设备、固定安装在管道、泵内的通信设备等，卫星通信终端通过向卫星发送数据，并从卫星处接收数据，或由卫星向其他卫星通信终端转发数据，以实现不同卫星通信终端间的数据交互；在地面，还设有控制中心，分别与卫星及卫星通信终端通信连接，起到网关的作用，一方面控制卫星通信终端与卫星间的通信验证，另一方面也控制卫星的通信信道及通信链路。

在每一卫星内，配置有至少两个接收器，用于接收来自卫星通信终端的消息，由于卫星内具有一个以上的接收器，每个接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率，及可调谐到所选定的频率，向用户提供适于向卫星与卫星通信终端双向通信的子频带。子频带是基于例如信道间隔，硬功率阈值来定义的。在接收器预设有子频带的划分情况即子频带对应的传输速率后，将广播该接收器对传输速率的预设信息，从而设立在地面的控制中心和卫星通信终端将接收到该预设信息。通过对预设信息的获取，卫星通信终端和控制中心将了解每一卫星内接收器的子频带的划分情况，哪些通信信道已开放，消息可通过哪些频率作传输，以及，了解卫星内接收器的传输速率，如1kbps、100kbps等，可以理解的是，若传输速率预设为两种，则可分别定义为低速通信信道和高速通信信道。卫星通信终端基于预设信息，将发送一接入请求至控制中心，接入请求的发出，一般可由用户对卫星通信终端的操作，或是对卫星通信终端的设定向外发出。生成接入请求时，卫星通信终端将第一期望速率写入接入请求，以告知控制中心，后续对消息发送时，发送消息数据时所需要的速率，例如期望通过1kpbs的低速通信信道与接收器连接，或是通过100kbps的高速通信信道与接收器连接。控制中心接收到接入请求后，首先将判断第一期望速率是否与所接受到的接收器预设有的预设信息内的传输速率匹配，可以理解的是，若第一期望速率无法与任意传输速率匹配时，如第一期望速率为1mbps，而所有接收器预设有的传输速率不具有1mbps时，则不允许接入请求，或发送一新建具有1mbps的传输速率的子频带的请求至接收器，以要求接收器形成有可与该接入请求匹配的子频带；若第一期望速率与传输速率匹配时，控制中心将分别向接收器及卫星通信终端发送与子频带和传输速率相对应的业务许可识别号信息，以及允许接入的指令至接收器和卫星通信终端。若具有多个接收器可与卫星通信终端匹配时，控制中心可任意择一或选择与卫星通信终端地理上最为接近的接收器。接收器与卫星通信终端经控制中心匹配后，两者将建立第一通信链路，且接收器调谐至一通信信道，以互相发送数据。

若卫星通信终端根据用户的操作，需要改变传输速率时，例如第一期望速率为低速，仅发送文本类、指令类数据，而发送一定时间后，需要发送图片类、视频类流媒体时，低速类的期望速率已无法满足要求，则需要提高传输速率至高速传输模式，及从第一期望速率请求变化至第二期望速率时，卫星通信终端将重新发送一接入请求至控制中心，控制中心对新的接入请求解析后，获取第二期望速率，并重新与接收器的子频带的传输速率匹配，在匹配时，可选择同一个接收器的另一子频带，或是另一接收器至卫星通信终端，从而建立第二通信链路。也就是说，在卫星通信终端变速率的实际应用时，可使用一个接收器处理不同传输速率的消息传送，也即占用接收器的不同通信信道，避免接收器的通信信道被长时间占用，造成负载过高的问题。

在上述实施例中，一般来说，卫星通信终端与接收器之间通信的被选频率称为“通信信道”。通信信道是从分配给该接收器的子频带的频率中选择的。可选地，可以将多个子频带分配给一个接收器。多个子频带具有足够多的频率，每个子频带拥有足够数量的公共通信信道，可以将消息从卫星通信终端发送到接收器。而接收器的当前通信信道(频率)是卫星从当前分配给该接收器的子频带的可用频率中选择的，且优先基于功率采样因数和信道信噪比质量而选择。随着时间的推移，对于低地球轨道卫星而言，则可以将卫星通信终端分配给不同卫星上的不同卫星接收器。卫星将每个接收器正在使用的当前通信信道的信息直接广播到卫星通信终端时，卫星通信终端便可知晓在哪些频率上以哪种速率发送消息。当卫星绕地球运行时，控制中心可以连续地与不同卫星上的接收器相关联和解除关联。因此，随着时间的推移，分配给卫星接收器的子频带可以改变。随着时间的推移，每个卫星通信终端最好可以分配给不同的接收器，这些接收器可以位于不同的卫星上。

一优选实施例中，卫星将监测接入的卫星通信终端的所希望的期望通信速率，当多个卫星通信终端发出的具有期望通信速率的接入请求的接入数量大于一预设阈值时，改变接收器内的一个或多个其他通信速率(即与期望通信速率不同的通信速率)子频带的传输速率为通信速率。具体地，接收器内预先设有多个传输速率，如上文所述的，1kbps或100kbps通信信道的两种速率配置在接收器内，使得接收器可接收1kbps的消息业务，对于其他配置有100kbps通信信道的接收器而言，可接收100kbps的消息业务。根据接入的卫星通信终端的通信速率，且在卫星通信终端的通信速率在不断动态变化下，如当前时刻下对于1kbps消息业务有较大的需求，即大部分的卫星通信终端将通过1kbps的通信信道传输，所有接收器的配置为1个接收器设置为100kbps通信信道和多个接收器设置为1kbps通信信道，当随着卫星通信终端的通信速率变化，且通信速率的数量大于一预设阈值，或预设比例时，接收器的配置将发生变化，如一半的接收器设置为100kbps通信信道和一半接收器设置为1kbps通信信道。在通信信道的传输速率变化后，卫星将接收器的当前信道速率配置更新广播到卫星通信终端，以便卫星通信终端连接在向接收器发送消息时使用的消息速率。

可以理解的是，本发明的实施例可应用在具有大量卫星通信终端和低地球轨道卫星星座的系统中。卫星通信终端可以是移动的，同时在某些其他应用中也可能。例如，用于监视诸如管道，泵等的远程设备。遍布世界各地的数万个卫星通信终端可以通过卫星多个网关地球站和网关控制中心相互通信。在优选实例中，每个卫星具有六个卫星接收器。

为实现对通信速率的变化，卫星内包括控制器，与接收器连接，切换接收器的基带FPGA的工作模式，以改变接收器的通信速率。可以理解的是，基带FPGA采用数字解扩解调的技术，在不同的通信频点上实现不同速率的通信信道，同时通信频点可以通过AD处理器，以直接配置基带FPGA的工作模式，适应不同的业务速率需求。

如上文所述的，子频带由接收器与卫星通信终端间的通信信道分配形成，由于每个子频带定义一组离散频率，其中任何一个频率都可能被卫星通信终端选用来向接收器发送消息。且优选地，每一离散频率对应于一传输速率，且不同离散对应不同的传输速率，改变接收器与卫星通信终端的通信信道的子频带便可改变传输速率。

频谱子频带化处理后，相当于在频谱网格信道根据允许距离定义了每个网格信道的频带，在该频带内可以选择任意信道作为通信信道。子频带的配置，将可根据需要排除子频带中的某些网格信道在通信信道的选择之外。排除可以是一个国家为警察或军事通信保留的频率，即第一个和最后一个可选网格通道限定的连续带。此外，对有效频段进行子频带信道划分，卫星通信终端可以通过广播信息解析和信道预约的方式，能灵活地选择较优的高信噪比信道进行通信。该方法比传统的固定信道分配的方法，能够在复杂卫星通信环境中具有更强的频段干扰感知能力和抗干扰通信能力。

在通过卫星通信终端实时地与接收器交互数据的基础上，为优化通信信道的占用和负载，一优选实施例中，还配置有预约使用功能。具体地，卫星通信终端向控制中心发送一预约请求，该预约请求包括数据量、期望速率、期望传输时间、数据类型中的任意一种或多种，数据量为卫星通信终端后续需要发送的数据总量，或是预估可能的数据总量，期望速率，如20kbps、50kbps的传输速率，期望传输时间，如在未来的某一或某些时刻作为起始时刻，欲与接收器建立通信链路以交互数据，数据类型，如文本类、视频类数据等。控制中心接收到预约请求后对其解析，并生成一预约指令至接收器，该预约指令中，同样包括数据量、期望速率、期望传输时间、数据类型中的任意一种或多种，从而基于预约指令于期望传输时间到达时，预留一传输速率对应于期望速率的子频带至卫星通信终端。也就是说，通过预约功能，在接收器侧，可提前配置子频带及其传输速率，节省内部资源以分析卫星通信终端的实时所需传输速率，而在卫星通信终端侧，基于可预见的消息发送请求，可保证通信链路的畅通，不会出现在真正需要占用时，通信信道已被占用的情况。

此外，可以理解的是，预约型需求可与突发型需求分割，在接收器侧，针预约请求划分一部分的子频带，且预留如20％的子频带供突发型消息发送请求传输数据，实现如接收器在低速信道上从卫星通信终端接收许多预约请求包，预约信道外的时间段内接收器从卫星通信终端接收通信突发包。自然可以理解的是，若经控制中心对预约请求解析时，不具有与期望速率匹配的接收器、期望传输时间内某些接收器已被满负荷预约占用时，控制中心可控制接收器新划分子频带以与期望速率匹配，满足预约请求，或是检索空闲接收器，同样以满足预约请求。预约形成后，每个接收器在任意给定时间被调谐到一个中心频率。当接收器接收到预约请求时，确定预约请求的中心频率，进而调整接收器相应信道的子频带。

另一实施例中，卫星通信终端在自身侧需要改变传输速率时，将向控制中心发送一切换请求，该切换请求包括期望速率、数据量、数据类型中的一种或多种；控制中心验证切换请求后，将并反馈一反馈指令至卫星通信终端，允许或拒绝卫星通信终端切换传输速率及通信频率。具体地，该预设置模式的配置，使得控制中心在卫星通信终端的实时数据传输过程中了解各卫星通信终端的工作情况，以作出对卫星通信终端的传输速率变化时在接收器带来的影响，以及相应的接收器子频带变速的响应。也就是说，结合上文所述的实施例，既实现了从接收器至卫星通信终端的正方向的传输速率告知和匹配，也实现了从卫星通信终端的反方向的传输速率告知和适应。

参阅图2，本发明还公开了一种基于卫星的数据通信方法，包括以下步骤：

S100：对每一卫星配置有至少两个接收器，每一接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率；

S200：卫星广播接收器对传输速率的预设信息至控制中心及每一卫星通信终端；

S300：卫星通信终端基于预设信息，发送一接入请求至控制中心，其中接入请求包括与卫星通信时的第一期望速率；

S400：控制中心根据预设信息及第一期望速率分配一接收器至一卫星通信终端以建立第一通信链路；

S500：接收器调谐至一通信信道，以接收卫星通信终端的通信数据；

S600：当卫星通信终端的第一期望速率变化至第二期望速率时，卫星通信终端重发接入请求至控制中心，控制中心重分配同一接收器的另一子频带或另一接收器至卫星通信终端以建立第二通信链路。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于卫星的数据通信系统，包括至少一个卫星、接入任意所述卫星的至少一个卫星通信终端、设于地面与所述卫星及卫星通信终端通信连接的控制中心，其特征在于，每一卫星配置有至少两个接收器，每一所述接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率；

所述卫星广播所述接收器对传输速率的预设信息至所述控制中心及每一卫星通信终端；所述卫星通信终端基于所述预设信息，发送一接入请求至所述控制中心，其中所述接入请求包括与卫星通信时的第一期望速率；

所述控制中心根据所述预设信息及第一期望速率分配一接收器至一卫星通信终端以建立第一通信链路；

所述接收器调谐至一通信信道，以接收所述卫星通信终端的通信数据；

当所述卫星通信终端的第一期望速率变化至第二期望速率时，所述卫星通信终端重发所述接入请求至所述控制中心，所述控制中心重分配同一接收器的另一子频带或另一接收器至卫星通信终端以建立第二通信链路。

2.如权利要求1所述的数据通信系统，其特征在于，

所述卫星监测接入的卫星通信终端的期望通信速率和数量；

当多个卫星通信终端对于期望通信速率的接入请求的接入数量大于一预设阈值时，改变接收器内的一个或多个未处于期望通信速率的其他速率的子频带的传输速率为期望通信速率。

3.如权利要求2所述的数据通信系统，其特征在于，

所述卫星包括控制器，与所述接收器连接，所述控制器切换所述接收器的基带FPGA的工作模式以改变所述接收器的通信速率。

4.如权利要求1所述的数据通信系统，其特征在于，

所述子频带由接收器与卫星通信终端间的通信信道分配形成，且子频带定义一组离散频率，每一所述离散频率对应于一传输速率，且不同离散对应不同的传输速率，改变接收器与卫星通信终端的通信信道的子频带以改变所述传输速率。

5.如权利要求1所述的数据通信系统，其特征在于，

所述卫星通信终端向所述控制中心发送一预约请求，其中所述预约请求包括数据量、期望速率、期望传输时间、数据类型中的任意一种或多种；

所述控制中心解析所述预约请求，并生成一预约指令至所述接收器；

所述接收器基于所述预约指令于所述期望传输时间预留一传输速率对应于所述期望速率的子频带至所述卫星通信终端。

6.如权利要求1所述的数据通信系统，其特征在于，

所述卫星通信终端向所述控制中心发送一切换请求，其中所述切换请求包括期望速率、数据量、数据类型中的一种或多种；

所述控制中心验证所述切换请求，并反馈一反馈指令至所述卫星通信终端，允许或拒绝所述卫星通信终端切换传输速率及通信频率。

7.一种基于卫星的数据通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

对每一卫星配置有至少两个接收器，每一接收器预设有至少一个对应于一子频带的传输速率；

卫星广播接收器对传输速率的预设信息至控制中心及每一卫星通信终端；

卫星通信终端基于预设信息，发送一接入请求至控制中心，其中接入请求包括与卫星通信时的第一期望速率；

控制中心根据预设信息及第一期望速率分配一接收器至一卫星通信终端以建立第一通信链路；

接收器调谐至一通信信道，以接收卫星通信终端的通信数据；

当卫星通信终端的第一期望速率变化至第二期望速率时，卫星通信终端重发接入请求至控制中心，控制中心重分配同一接收器的另一子频带或另一接收器至卫星通信终端以建立第二通信链路。

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