CN111405578A - 一种广域空基无线通信网络架构 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种广域空基无线通信网络架构。所述架构包括：地面终端(1)，空基无线接入子系统(2)，空天扩展子系统(3)和网络服务子系统(4)；所述地面终端(1)连接空基无线接入子系统(2)，所述空基无线接入子系统(2)连接空天扩展子系统(3)，所述空天扩展子系统(3)连接网络服务子系统(4)。本发明利用民航客机组成的空基无线通信网络作为核心，利用卫星和其他空中平台对通信盲区进行补充，共同构建天空地一体化网络，能够实现全球范围的宽带无线通信覆盖。民航客机秉承“无感捎带”原则，在其飞行过程中提供宽带无线互联网接入服务，与此同时不影响其正常完成飞行任务。

Description

一种广域空基无线通信网络架构
技术领域
本发明涉及无线通信架构技术领域，是一种广域空基无线通信网络架构。
背景技术
天空地一体化网络是当今世界各国发展建设所需的重要基础设施，它能够将地基、空基和空间信息网络系统进行融合，构成广域全时多维度的网络系统。天空地一体化网络具有重要战略前景，在定位导航、遥感遥测、应急通信、深空资源开发和科学探索等方面具有巨大的潜能。然而，现阶段提出的天空地一体化网络架构，都是将由卫星构成的空间信息网络作为核心，将飞机、气球等空中平台作为网络的扩展进行组网。美国一网公司OneWeb计划利用648颗低轨卫星，在距离地面约1200公里高处构建太空互联网，为全球各个角落提供互联网服务。美国太空探索技术公司SpaceX则是更为大胆，他们提出发射约1.2万低轨卫星构建太空互联网的方案，并将之命名为“星链Starlink”。
由于卫星通信额优势，此类方案的确能够实现全球无缝的通信覆盖和互联网服务。但是，应用此类方案面临着诸多限制。首先，利用低轨卫星构建空间信息网，需要的卫星数量巨大，这意味着很高的网络成本和维护费用；其次，大量的低轨卫星需要占用大量的地外轨道资源，不利于未来对空间资源的探索和研究；再次，低轨卫星寿命有限，需要不断更新，而废弃的卫星残骸会成为“太空垃圾”，对未来的科学探索带来阻碍；最后，卫星的有效载荷有限，负载的通信设备受到重量、体积和功率的限制，通信能力受限。
发明内容
本发明为解决现有卫星的有效载荷有限，负载的通信设备受到重量、体积和功率的限制，通信能力受限的问题，本发明提供了一种广域空基无线通信网络架构，本发明提供了以下技术方案：
一种广域空基无线通信网络架构，所述架构包括：地面终端1，空基无线接入子系统2，空天扩展子系统3和网络服务子系统4；
所述地面终端1连接空基无线接入子系统2，所述空基无线接入子系统2连接空天扩展子系统3，所述空天扩展子系统3连接网络服务子系统4；
所述空基无线接入子系统2包括第一民航客机201和第二民航客机202，所述第一民航客机201和第二民航客机202进行无线通信连接，所述第一民航客机201由阵列天线12011、SPU1 2012和缓存1 2013组成；所述阵列天线1 2011、SPU1 2012和缓存1 2013集成在一起；
第二民航客机202由阵列天线2 2021、SPU2 2022和缓存2 2023组成；所述阵列天线2 2021、SPU2 2022和缓存2 2023集成在一起。
优选地，所述地面终端1包括手持移动终端101、车载台102和固定台103，所述手持移动终端101、车载台102和固定台103与第一民航客机201进行无线通信连接。
优选地，所述空天扩展子系统3包括空中平台网络301和通信卫星302，所述空中平台网络301和地面终端1直接连接，所述通信卫星302与地面终端1进行无线通信连接。
优选地，所述通信卫星302与第一民航客机201进行无线通信连接。
优选地，所述网络服务子系统4包括第一基站401、地面站402、第二基站403和第三基站404，所述第一基站401与空中平台网络301进行无线通信连接，所述地面站402与通信卫星302进行无线通信连接，所述第二基站403与第二民航客机202进行无线通信连接，所述第三基站404与第一民航客机201进行无线通信连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用民航客机组成的空基无线通信网络作为核心，利用卫星和其他空中平台对通信盲区进行补充，共同构建天空地一体化网络，能够实现全球范围的宽带无线通信覆盖。民航客机秉承“无感捎带”原则，在其飞行过程中提供宽带无线互联网接入服务，与此同时不影响其正常完成飞行任务。
本发明能够大量减少网络中所需的卫星数量，进而降低网络构建的成本和维护费用。利用民航客机进行组网，并以此为核心构建通信网络，将卫星放在辅助地位对通信盲区进行补充扩展。由此一来，新型网络架构中的卫星星座只需对地球表面某一时刻的若干个信号盲区进行通信覆盖，而不用全天候全球范围的进行通信覆盖，由此能够减少卫星网络的压力，缩小卫星星座的规模，从而降低成本和维护费用。
本发明充分利用对流程的空中资源，减少太空资源的占用，有利于未来的太空探索和可持续发展。考虑到全球范围内，空中实时有超过一万架民航飞机正在飞行中，飞行高度基本在8-12km范围内，因此可以将这些飞行中的飞机看作是一个数量庞大的超低轨卫星星座。利用民航客机实现全球通信覆盖，不仅有效地保护了地外资源不被过度开发，同时提升了对于空基资源的开发利用。
本发明对民航客机能够重复使用，不会造成“太空垃圾”。搭建大规模卫星星座需要发射大量卫星，当卫星到达使用寿命后只能直接被遗弃在其轨道上，这将会产生大量的太空垃圾。太空垃圾漂浮在地外，不仅对正在使用中的其他卫星是潜在的威胁，同时更是限制着人类发射新的卫星，从而影响到了对太空的进一步探索和资源的开发。而民航客机在执行完飞行任务后终将降落，并不存在“污染”问题，十分利于可持续发展的思想。
本发明民航飞机上装载能源充足，能够为通信设备提供充足的能量，从而获得更高的通信能力。卫星上搭载的通信设备，受到卫星的重量、体积、能源等诸多因素的限制，通信能力有限。相比于卫星场景，飞机上装载有燃料和动力设备，能够为通信设备提供更为充足的能量。同时，飞机的装载能力更强，对通信设备的限制相对宽松，因此能够获得更强大的通信能力。
附图说明
图1为广域空基无线通信网络架构原理图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1所示，本发明提供一种广域空基无线通信网络架构，一种广域空基无线通信网络架构，所述架构包括：地面终端1，空基无线接入子系统2，空天扩展子系统3和网络服务子系统4；
所述地面终端1连接空基无线接入子系统2，所述空基无线接入子系统2连接空天扩展子系统3，所述空天扩展子系统3连接网络服务子系统4；
所述空基无线接入子系统2包括第一民航客机201和第二民航客机202，所述第一民航客机201和第二民航客机202进行无线通信连接，所述第一民航客机201由阵列天线12011、SPU1 2012和缓存1 2013组成；所述阵列天线1 2011、SPU1 2012和缓存1 2013集成在一起；
第二民航客机202由阵列天线2 2021、SPU2 2022和缓存2 2023组成；所述阵列天线22021、SPU2 2022和缓存2 2023集成在一起。
所述地面终端1包括手持移动终端101、车载台102和固定台103，所述手持移动终端101、车载台102和固定台103与第一民航客机201进行无线通信连接。SPU为SignalProcess Unit的缩写，为信号处理单元。地面终端1在空中没有可以进行数据传输的民航客机201时，可以选择向可见的通信卫星302传输数据。对于没有航线经过的地面终端1，则直接将数据传输向通信卫星302
地面终端1在接收到第一民航客机201发送的广播信号之后，可以向第一民航客机201发起接入请求，第一民航客机201通过机载信号处理单元SPU12012对地面终端1的接入请求进行确认、管理和资源分配，并通过阵列天线2011与地面终端1相连。第一民航客机201可以将优先级较低的业务放入缓存2013中
所述空天扩展子系统3包括空中平台网络301和通信卫星302，所述空中平台网络301和地面终端1直接连接，所述通信卫星302与地面终端1进行无线通信连接。
空中平台网络301具有灵活便捷的优点，但是使用寿命较短，可以直接同地面终端1相连，用于临时、应急场景。通信卫星302作为空基无线接入子系统2的扩展，对没有民航客机201覆盖的地区进行补盲
所述通信卫星302与第一民航客机201进行无线通信连接。
所述网络服务子系统4包括第一基站401、地面站402、第二基站403和第三基站404，所述第一基站401与空中平台网络301进行无线通信连接，所述地面站402与通信卫星302进行无线通信连接，所述第二基站403与第二民航客机202进行无线通信连接，所述第三基站404与第一民航客机201进行无线通信连接。
第一基站401建造在第一民航客机201的沿线，负责在第一民航客机201经过时，将数据传输向核心网。地面站402负责将通信卫星的数据传输向核心网。
第一民航客机201在无法将数据及时传输给第一基站401时，可以将数据放入缓存1 2013当中，也可以选择将数据经由第二民航客机201传输给第三基站404，第三基站404进而将数据传输向核心网。
第一民航客机201装配的阵列天线2011不仅要能够实现与地面终端1的数据通信，同时需要具备与通信卫星302进行数据通信的能力。通信卫星302不仅作为空基无线接入子系统2的扩展，同时要作为中继节点，与第一民航客机201进行数据通信。
地面终端1在接收到第一民航客机201发送的广播信号之后，可以向第一民航客机201发起接入请求，第一民航客机201通过机载信号处理单元SPU1 2012对地面终端1的接入请求进行确认、管理和资源分配，并通过阵列天线1 2011与地面终端1相连第一民航客机201可以将优先级较低的业务放入缓存1 2013中。
第一民航客机201会将接收到的数据传输到基站401，进而将数据传输向核心网。
第一民航客机201在无法与基站401直接进行数据通信时，可以将实时性要求低的数据存入缓存1 2013中；对于实时性要求高的业务数据，第一民航客机201则通过机身上部的阵列天线1 2011传输给通信卫星302，经由地面站402传输到核心网。
地面终端1在无法通过第一民航客机201接入无线网络时，会选择与空中平台网络301，或者通信卫星302进行数据通信。通信卫星302通过地面站402将数据传输向核心网。
以上所述仅是一种广域空基无线通信网络架构的优选实施方式，一种广域空基无线通信网络架构的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种广域空基无线通信网络架构，其特征是：所述架构包括：地面终端(1)，空基无线接入子系统(2)，空天扩展子系统(3)和网络服务子系统(4)；
所述地面终端(1)连接空基无线接入子系统(2)，所述空基无线接入子系统(2)连接空天扩展子系统(3)，所述空天扩展子系统(3)连接网络服务子系统(4)；
所述空基无线接入子系统(2)包括第一民航客机(201)和第二民航客机(202)，所述第一民航客机(201)和第二民航客机(202)进行无线通信连接，所述第一民航客机(201)由阵列天线1(2011)、SPU1(2012)和缓存1(2013)组成；所述阵列天线1(2011)、SPU1(2012)和缓存1(2013)集成在一起；
第二民航客机(202)由阵列天线2(2021)、SPU2(2022)和缓存2(2023)组成；所述阵列天线2(2021)、SPU2(2022)和缓存2(2023)集成在一起。
2.根据权利要求1所述的一种广域空基无线通信网络架构，其特征是：所述地面终端(1)包括手持移动终端(101)、车载台(102)和固定台(103)，所述手持移动终端(101)、车载台(102)和固定台(103)与第一民航客机(201)进行无线通信连接。
3.根据权利要求1所述的一种广域空基无线通信网络架构，其特征是：所述空天扩展子系统(3)包括空中平台网络(301)和通信卫星(302)，所述空中平台网络(301)和地面终端(1)直接连接，所述通信卫星(302)与地面终端(1)进行无线通信连接。
4.根据权利要求3所述的一种广域空基无线通信网络架构，其特征是：所述通信卫星(302)与第一民航客机(201)进行无线通信连接。
5.根据权利要求1所述的一种广域空基无线通信网络架构，其特征是：所述网络服务子系统(4)包括第一基站(401)、地面站(402)、第二基站(403)和第三基站(404)，所述第一基站(401)与空中平台网络(301)进行无线通信连接，所述地面站(402)与通信卫星(302)进行无线通信连接，所述第二基站(403)与第二民航客机(202)进行无线通信连接，所述第三基站(404)与第一民航客机(201)进行无线通信连接。
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