CN111464234A

CN111464234A - 基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法及系统

Info

Publication number: CN111464234A
Application number: CN202010523336.1A
Authority: CN
Inventors: 沈庆国; 高西奇
Original assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: CN111464234B

Abstract

本发明实施例公开了基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法及系统，涉及卫星通信网领域，能够解决多颗卫星交叠覆盖的边界终端数据接收性能较差问题。本发明包括：将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数；各颗卫星将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送；终端从n颗卫星收到传输块TB后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送；各颗卫星接收到所述综合应答后，向所述终端进行分段重发。本发明适用于低轨通信卫星的多星协作传输。

Description

基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信网领域，尤其涉及基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法及系统，尤其是可以应用于对边界终端的性能增强。

背景技术

目前的低轨通信卫星一般通过电磁波束覆盖地面终端。而由于低轨道卫星的运动速度非常快，一般电磁波束持续覆盖一个地面终端的时间通常在10分钟之内，当终端频繁处于两颗或更多颗卫星电磁波束覆盖区域边界，其接收到的原有卫星通信信号不仅较弱，而且还会受到另一颗卫星发射信号的干扰，严重影响终端数据接收质量。

目前提出的一种可能的解决方案是，通过多星协作传输，从两颗或更多颗相邻卫星同时向交叠覆盖的边界终端发送数据信号，终端对两路或多路信号进行分集接收，解调各路数据后进行软合并，从而提高通信性能。

但是由于各卫星信道性能不均衡且动态变化，如果各卫星链路发送完全相同的数据流，会超过某颗卫星链路容量导致其出现阻塞，连简单的单路传输也无法完成，更无法完成复杂的多星协作传输。

发明内容

本发明的实施例提供的基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法及系统，至少能够解决多颗卫星交叠覆盖的边界终端数据接收性能较差问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供的基于多星协作的低轨卫星通信方法，包括：将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数；各卫星将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送；从n颗卫星收到传输块（TB）后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送；各颗卫星接收到所述综合应答后，向所述终端进行分段重发。

具体的，所述更新n个子流的比例，包括：信关站利用卫星轨迹、用户链路的当前信道数据、用户链路的历史信道数据和卫星的数据缓冲区状态，确定当前所述n个子流的比例。

所述确定当前所述n个子流的比例，包括：所述信关站根据卫星轨迹、用户链路的当前信道数据和用户链路的历史信道数据，获取未来的时间段内各颗卫星至地面终端通信链路信道状态的估计结果，并根据所述估计结果确定所述时间段内各条链路承担的流量比例；其中，对于数据缓冲区平均长度持续超过预设门限的卫星，暂停数据传输。

所述将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，包括：针对一颗卫星，在MAC层将这一颗卫星所属子流的分段，与协作卫星的待重传分组的一部分分段拼装为传输块，并发向终端；其中，所属子流的分段，包括：首发分组的各分段，或者，重传分组中的部分分段；分段被编码形成编码块（CB），由编码块拼装得到传输块，且每个编码块上添加循环冗余校验字段（CRC）。

所述通过星间链路向其它卫星发送，包括：针对一颗卫星，通过星间链路，将首发分组的各分段数据和结构描述，传给协作卫星，作为所述协作卫星的协作子流。

在所述终端根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送的过程中，包括：所述终端生成n个综合应答并向所述n颗卫星发送，其中，所述综合应答包括：对一颗卫星所属的子流分组的各分段的应答，和对其他卫星的子流分组的出错分段的应答。

所述终端在生成综合应答时，根据传输块的解码成功率，确定卫星链路的信道质量，其中，解码成功率大于预设值或相对最高的卫星链路，则判定为信道质量好；其中，对于信道质量被判定为好的卫星，调整卫星的协作子流包含：其他卫星的子流分组中全部待重传分段；对于信道质量被判定为差的卫星，调整卫星的协作子流包含：一部分卫星的子流分组中的一部分待重传分段。

第二方面，本发明的实施例提供的基于多星协作的低轨卫星通信系统，包括：信关站、卫星集群和终端，其中，所述卫星集群包括至少2颗卫星（这些卫星位于同一轨道或相邻轨道平面的，在某段时间内其波束都能覆盖到所述终端）；所述信关站，用于将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数；所述卫星集群，用于将接收到的数据分组按分段进行编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送；所述终端，用于从n颗卫星收到传输块（TB）后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送；所述卫星集群，还用于接收到所述综合应答后，向所述终端进行分段重发。

所述信关站，具体用于利用卫星轨迹、用户链路的当前信道数据、用户链路的历史信道数据和卫星的数据缓冲区状态，确定当前所述n个子流的比例；所述确定当前所述n个子流的比例，包括：所述信关站根据卫星轨迹、用户链路的当前信道数据和用户链路的历史信道数据，获取未来的时间段内各颗卫星至地面终端通信链路信道状态的估计结果，并根据所述估计结果确定所述时间段内各条链路承担的流量比例；其中，对于数据缓冲区平均长度持续超过预设门限的卫星，暂停数据传输。

所述卫星集群中的一颗卫星，具体用于，在MAC层将这一颗卫星所属子流的分段，与协作卫星的待重传分组的一部分分段拼装为传输块，并发向终端；其中，所属子流的分段，包括：首发分组的各分段，或者，重传分组中的部分分段；分段被编码形成编码块（CB），由编码块拼装得到传输块，且每个编码块上添加循环冗余校验字段（CRC）；还包括：通过星间链路，将首发分组的各分段数据和结构描述，传给协作卫星，作为所述协作卫星的协作子流。

本实施例中，通过信关站将分组数据流分成n个子流分别发向n颗卫星，n个子流的比例根据卫星信道状态决定并定期更新。卫星用HARQ（混合自动重传请求）协议向终端发送分组，它们之间具体交互过程为：各星将分组分段编码后发向终端（首发分组同时经星间链路发向其他卫星），终端收到后回送n个综合应答给n颗星。给某星的综合应答包含对其子流分组各分段的应答，以及对其他卫星子流分组出错分段按一定比例的选择应答（具体比例由各星信道质量相对优劣决定）。各星根据综合应答拼装综合传输块TB，在规定的时间发向终端；终端收到这些TB后进行各分段解码和软合并处理。

通过对多颗卫星通信信号交叠覆盖的边界终端，具体采用多颗卫星协作地向该终端发送重传数据，使边界终端下行数据传输性能得到很大提高，解决了多颗卫星交叠覆盖的边界终端数据接收性能较差问题。并且实现了通过多星对同一边界终端以动态负载均衡方式进行协作传输，解决对多星传输时延差动态变化和信道质量动态变化的自适应等问题，有效提高边界终端通信速率和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的多星协作传输示意图；

图2为本发明实施例提供的双星自适应协作传输的基本流程；

图3为本发明实施例提供的系统协议栈结构和协作传输分工示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在地面蜂窝移动通信系统中，协同多点传输CoMP（Coordinated Multi-PointTransmission）技术被用来改善蜂窝小区边缘用户服务质量，提升系统整体性能。该技术的核心思想是通过多个基站之间的合作来避免基站之间的干扰，以合作的方式实现用户性能的改善。CoMP技术有多种实现模式，其中联合传输JT（Joint Transmission）模式通过多个基站在同一时频资源块上为同一个用户发送数据，将相互间的干扰信号转换为有用信号来明显提升小区边缘用户的性能。JT模式又分为相干传输和非相干传输两种方式。相干传输时，参与CoMP的各传输节点采用联合设计的天线预编码矩阵向终端传输完全相同的数据（无论是首发或重发），可针对终端实现联合波束赋形，性能优于非相干传输，但要求各传输节点共享信道信息且多路信号同步到达终端，系统控制更复杂，终端反馈和基站间交互信息也更多。非相干传输时，各CoMP传输节点采用独立的预编码矩阵传输完全相同的数据（无论是首发或重发），终端分别接收、解调多路信号后实现比特级合并，可获得分集增益，且系统实现简单，但吞吐量和频谱效率不如相干传输。

由于卫星到终端的距离远大于地面蜂窝系统，不同卫星传输时延差较大（对高度为1000km的低轨星，时延差可达2ms左右），且随低轨卫星运动而变化，因此低轨卫星系统既不能采用上述相干传输方式，也难以直接照搬非相干传输方式（因两星信号到达终端时延差很难控制在较小范围，数据软合并操作时序控制难度很大、效能较低）。如图1所示，卫星1和卫星2是位于同一轨道或相邻轨道平面的两颗低轨卫星，它们相对地面的运动速度是V，可向地面终端转发信关站传来的用户数据。卫星之间的链路称为星间链路，卫星和信关站间的链路称为馈电链路，卫星和终端间的链路称为用户链路。在某段时间内，某地面终端处于它们覆盖区域的边界，即它们的电磁波束都能覆盖到该终端，但受卫星功率限制，通信信号都比较弱，使得通过任一卫星单独给该终端传输数据的性能都比较差。为此，需要采用联合传输技术，通过两颗或更多颗卫星同时向该终端发送数据，以提高通信性能。由于卫星1和卫星2到地面终端的传输时延差较大且动态变化，只能部分借鉴非相干传输方式的联合传输技术，吞吐量提升有限且频谱效率不高。这是因为，即使非相干传输不要求两路信号严格同步，两颗或更多颗卫星发送时间配合上仍较复杂--如果两路信号到达终端时延差任意变化，会加大终端数据缓存占用、数据软合并处理时延和控制复杂度，降低协同传输性能，甚至造成数据软合并操作错误。由于各卫星信道性能不均衡且动态变化，如果各卫星链路发送完全相同的数据流，会超过某颗卫星链路容量导致其出现阻塞，连简单的单路传输也无法完成，更无法完成复杂的多星协作传输。信关站如何依据多颗卫星和地面终端的位置以及用户链路信道状态，动态控制各星发送比例、时序和参数，是保障多星协作发送有效性的关键技术，也是需要解决的难点问题。

本实施方案的设计思路在于：低轨卫星通信系统采用星上处理模式，物理层、MAC层、RLC层在星上实现，更高层协议可选择在星上或地面实现。卫星通过天线阵列形成多个波束，每个波束覆盖一个地面区域，为地面终端提供无线接入服务。那些处于两颗或更多颗卫星波束交叠覆盖区域的边界终端（即处于卫星波束交叠覆盖区域的边界位置的终端设备），接收信号较弱、干扰较大，通信质量差。为减小两颗或更多颗卫星通信信号相互干扰，两颗或更多颗卫星可采用不同的频率或电磁波极化方式。为此，本实施例中通过地面信关站动态调节多星流量比例、多星协作对终端进行HARQ重发等方式，提高多星协作发送效能和可靠性。本实施例在实际应用中，可以同星间切换、大规模天线阵列等技术配合使用，极大提高用户服务质量和系统性能。本实施例的方案可应用于卫星4G或5G等通信系统。

需要说明的是，本实施例中所述的终端、卫星，都具有GPS或北斗等全球定位功能，即知道自己的位置坐标，且时钟同步。处于多星交叠覆盖区域的终端能够同时接收多星的信号。终端进入两星以上交叠覆盖区域后，周期性地将其位置和对各星信号的测量结果上报给地面信关站。信关站依据终端上报结果，判断并标记其为边界终端，且将其数据无线承载DRB连接状态（假设该终端已建立DRB连接）设置为协作发送状态。

基于上述设计思路，本发明实施例提供一种基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法，包括：将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数。各卫星将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送。终端从n颗卫星收到传输块（TB）后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送。各颗卫星接收到所述综合应答后，向所述终端进行分段重发。需要说明的，本实施例中所述的“分组”可以理解为一个名词，而“数据分组”则是一种传输单位，“数据分组传输和交换”是一种常用的通信技术，比如IP分组通信网络。被业内所熟知的，一个分组又可分成多个分段进行编码，形成多个编码块。

具体的，所述更新n个子流的比例，包括：信关站利用卫星轨迹、用户链路的当前信道数据、用户链路的历史信道数据和卫星的数据缓冲区状态，确定当前所述n个子流的比例。例如：通过信关站进行数据流的分流过程中，信关站将发向终端的数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星。其中，n个子流的比例根据卫星信道状态决定并定期更新，n个子流的比例r₁、r₂、…r_n，由信关站依据卫星轨迹、当前/历史用户链路信道数据以及卫星数据缓冲区状态决定，并定期更新。从而可在n条卫星链路间实现动态负载均衡，有效提高边界终端下行传输吞吐量。

具体的，所述确定当前所述n个子流的比例，包括：所述信关站根据卫星轨迹、用户链路的当前信道数据和用户链路的历史信道数据，获取未来的时间段内各颗卫星至地面终端通信链路信道状态的估计结果，并根据所述估计结果确定所述时间段内各条链路承担的流量比例。其中，对于数据缓冲区平均长度持续超过预设门限的卫星，暂停数据传输。

例如：对于多颗卫星信道性能不均衡且动态变化导致某颗卫星链路可能阻塞的问题。在信关站上依据基于卫星运动轨迹的信道状态统计规律，结合卫星数据缓冲区状态报告，确定协作卫星集合为{卫星1，卫星2，…，卫星n}，动态调节各星发送流量比例，实现动态负载均衡，有效提高边界终端下行传输吞吐量。

信关站依据卫星轨迹和当前/历史信道数据，分别预测未来一段时间各星至地面终端通信链路信道状态，确定该时间段各条链路承担发向该终端流量比例分别为r₁、r₂、…r_n（r₁+r₂+…+r_n=1）。如果某条卫星链路出现数据缓冲区平均长度持续超过一定门限，则暂停通过该卫星发送。将发向该终端的数据分组添加顺序编号，并按比例r₁、r₂、…r_n分别发向卫星1、卫星2、…、卫星n。假设发向卫星1的分组依次为p1、p3、…，形成分组子流1。发向卫星1的分组依次为p2、p4、…，形成分组子流2。…。发向卫星n的分组形成分组子流n。分组子流1、子流2、子流n分别由卫星1、卫星2、卫星n通过HARQ（混合自动重传请求）协议发向终端。终端收到分组并进行软合并处理后，对n个子流进行合流，将其中分组重新排序，然后提交给上层应用。

具体的，所述将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，包括：针对一颗卫星，在MAC层将这一颗卫星所属子流的分段，与协作卫星的待重传分组的一部分分段拼装为传输块，并发向终端。其中，所属子流的分段，包括：首发分组的各分段，或者，重传分组中的部分分段。分段被编码形成编码块（CB），由编码块拼装得到传输块，且每个编码块上添加循环冗余校验字段（CRC）。例如：在各卫星拼装传输块的环节中，卫星用HARQ协议向终端发送分组，各星将分组分段编码后发向终端，同时经星间链路发向其他卫星。各卫星在MAC层将所属子流首发分组各分段（或重传分组中一些分段）与协作卫星待重传分组某些分段拼装为综合传输块TB发向终端。对分组中各分段进行编码形成编码块CB以拼装TB，每个CB上都附有CRC。

进一步的，所述通过星间链路向其它卫星发送，包括：针对一颗卫星，通过星间链路，将首发分组的各分段数据和结构描述，传给协作卫星，作为所述协作卫星的协作子流。其中，立即通过星际链路将其中的子流首发分组分段数据和结构描述传给协作卫星，成为协作卫星上的协作子流。而TB本身则将在调度器安排好的时刻发向终端。例如：在终端进行软合并的环节中，终端从n颗卫星收到TB后进行解码，对其中重传分段进行软合并处理。终端从n颗卫星收到TB后取出其中各分段进行解码，其中重传分段将与缓存的、以前由各卫星发来的对应分段进行软合并。

具体的，在所述终端根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送的过程中，包括：所述终端生成n个综合应答并向所述n颗卫星发送，其中，所述综合应答包括：对一颗卫星所属的子流分组的各分段的应答，和对其他卫星的子流分组的出错分段的应答。例如：终端收到后，回送n个综合应答给n颗星的过程中，给某星的综合应答包含对其子流分组各分段的应答，以及对其他卫星子流分组出错分段按一定比例的选择应答（具体比例由各星信道质量相对优劣决定）。各星根据综合应答拼装综合传输块TB，在规定的时间发向终端。终端收到这些TB后进行各分段解码和软合并处理。其中，终端根据所收TB中各分段解码情况，形成n个综合应答分别发向n颗卫星。发向某颗卫星的综合应答包含对该卫星子流分组分段的应答，以及对其他卫星子流分组某些出错分段的应答。

进一步的，还包括：所述终端在生成综合应答时，根据传输块的解码成功率，确定卫星链路的信道质量，其中，解码成功率大于预设值或相对最高的卫星链路，则判定为信道质量好。其中，对于信道质量被判定为好的卫星，调整卫星的协作子流包含：其他卫星的子流分组中全部待重传分段。对于信道质量被判定为差的卫星，调整卫星的协作子流包含：一部分卫星的子流分组中的一部分待重传分段。

例如：在终端向多星回送综合应答的环节中，终端根据TB中各分段解码情况形成综合应答，并发向n颗卫星；其中，终端收到后回送n个综合应答给n颗星的过程中，给某星的综合应答包含对其子流分组各分段的应答，以及对其他卫星子流分组出错分段按一定比例的选择应答（具体比例由各星信道质量相对优劣决定）。各星根据综合应答拼装综合传输块TB，在规定的时间发向终端；终端收到这些TB后进行各分段解码和软合并处理。其中，终端根据所收TB中各分段解码情况，形成n个综合应答分别发向n颗卫星；发向某颗卫星的综合应答包含对该卫星子流分组分段的应答，以及对其他卫星子流分组某些出错分段的应答；其中，终端在形成综合应答时，将根据各TB解码成功比例，评估n条卫星链路信道质量相对好坏，以决定各卫星协作子流所包含重发分段数量。信道质量较好的卫星，其协作子流包含其他卫星子流分组中全部待重传分段；信道质量较差的卫星，其协作子流只包含某些卫星子流分组中部分待重传分段（这些分段的解码状态信息DSI劣于一定门限，重传时需要分配更多无线资源以提高解码质量）。这种方法，既可通过多路分集实现高效纠错，又可避免消耗过多无线资源。

在多颗卫星协作重发的环节中，各卫星收到综合应答后协作地向终端重发相关分段。其中，各卫星收到综合应答后，根据应答所指定的重发分段以及重发时刻要求，拼装新的综合传输块TB，协作地发向终端；终端收到这些TB后进行解码和软合并处理。这种方法，以较低的实现复杂度将n颗卫星重发数据到达终端时刻控制在一定间隔内，有效降低了重传次数和时延。

在本实施例中，关于多颗卫星到边界终端的传输时延差动态变化、不便于协作传输时序控制的问题的处理方式：可以采用在HARQ过程中向多颗卫星并发回送综合Ack，以触发出错编码块CB的协作重发，使多路重发数据到达终端的时刻控制在一定间隔内，降低重传次数和时延。为叙述方便，本文后面以双星协作场景为例进行具体流程说明。图2给出了双星自适应协作传输的基本流程，该流程同样适用于更多卫星协作场景，从时序上来说：在t1时刻，卫星1收到发自信关站的p1，将p1和MirrBuff中待重传分段编码为subTB11和subTB12，组装成TB1。将subTB11放入TxBuff。在t2时刻，卫星2收到发自信关站的p2，将p2和MirrBuff中待重传分段编码为subTB21和subTB22，组装成TB2。将subTB21放入TxBuff。在调度安排的时刻t3将TB2发向终端。在调度安排的时刻t4将TB1发向终端。在时刻t5，地面终端陆续收到TB1和TB2。在t6时刻，卫星1收到卫星2发来subTB21，将其放入MirrBuff。在t7时刻，卫星2收到卫星1发来subTB11，将其放入MirrBuff。在t8时刻，卫星1收到终端发来的对subTB11应答和subTB21选发指示。在t9时刻，卫星2收到终端发来的对subTB21应答和subTB11选发指示。在t10时刻，卫星2根据重发要求从TxBuff和MirrBuff分别取出相应编码块组成subTB21re和subTB11re_select，拼装成TB4，发向终端。在t11时刻，卫星1根据重发要求从TxBuff和MirrBuff分别取出相应编码块组成subTB11re和subTB21re_select，拼装成TB3，发向终端。在时刻t12，地面终端陆续收到TB3和TB4，取出编码块进行解码，并与缓存的TB1、TB2数据软合并。下面具体说明：

1）如图2所示，假设在t1时刻，卫星1收到分组p1后，将p1放入RLC层缓冲区，然后进行RLC、MAC、物理层处理，物理层信道编码之后所形成的传输块放入主发送缓存区TxBuff。卫星1上还设有镜像缓存区MirrBuff，用于缓存其他卫星传来的待协作重发的分组分段数据。

2）卫星1的调度器基于缓存状态和信道预测进行调度决策后，对p1进行信道编码（假设采用类似于5G的LDPC编码方法，将传输数据块分成多个分段，对每个分段进行编码形成编码块CB，每个CB上都附有校验码CRC）形成subTB11，并将subTB11放入主发送缓存区TxBuff；再从MirrBuff取出待重传分段进行编码形成subTB12（如果不存在则不取），和subTB11一起组装成综合传输块TB1。同时将subTB11对应的分段数据和结构描述，经星间链路发向卫星2等协作卫星，在t7时刻卫星2收到后将其存入MirrBuff。

在调度器安排的时刻t4，卫星1将TB1发向终端。发送前，根据subTB11和subTB12分别对应的编码冗余版本、CB数量和调制编码方案，形成下行控制信息DCI并通过控制信道发给地面终端，然后通过业务信道将TB1发向终端。

3）卫星2采用同样原理发送其分组。具体行为参见图2中t2、t3时刻发送过程说明。在其调度器安排的时刻t3，卫星2将由subTB21和subTB22组成的综合传输块TB2发向终端。同时将subTB21对应的分段数据和结构描述，经星间链路发向卫星1等协作卫星，在t6时刻卫星1收到后将其存入MirrBuff。

4）在时刻t5及其附近一小段时间内，地面终端陆续收到上述卫星发来的TB1和TB2。终端从TB1中取出subTB11，根据其对应的DCI中新发或重发标识进行译码和软合并处理，并形成能表达其各CB译码正确或错误状态的应答变量AckMAP11；取出subTB12进行译码，与缓存的、以前由协作卫星发来的分组相关分段的CB进行软合并（为叙述方便，我们假设软合并后这些分段全部译码成功，这不影响MirrBuff中分段后续重发处理的一般性；因为如果这些分段未全部译码成功，则只需在后面综合Ack中增加对应的AckMAP或select(RetxMAP)即可）。

对TB2也做相同处理，并形成能表达其各CB译码正确或错误状态的应答变量AckMAP21。卫星1和卫星2将分别根据AckMAP11和AckMAP21重发分组p1和p2的相关分段对应的CB。

终端仍旧使用原有的单星HARQ应答时序。终端将AckMAP11和从AckMAP21按一定规则算出的select(RetxMAP21)发向卫星1。为叙述方便，我们假设TB1和TB2到达终端的时间差小于HARQ中收到分组后回送应答的间隔，AckMAP11和select(RetxMAP21)可以拼装在一个上行控制信息UCI中发送；如果该假设不成立，AckMAP11和select(RetxMAP21)将由不同UCI分别发送，不影响后续协作重发操作流程的一般性。

同样，终端将AckMAP21和从AckMAP11算出的select(RetxMAP11)发向卫星2。

5）在t8时刻，卫星1收到终端发来的应答AckMAP11和select(RetxMAP21)以及重发时刻要求，根据重发要求从TxBuff和MirrBuff分别获取相应分段编码而形成subTB11re和subTB21re_select，拼装成TB3，经调度安排后，在t11时刻发向终端。

在t9时刻，卫星2收到终端发来的应答AckMAP21和select(RetxMAP11)以及重发时刻要求，从TxBuff和MirrBuff分别获取相应分段编码而形成subTB21re和subTB11re_select，拼装成TB4，经调度安排后，在t10时刻发向终端（当卫星2离终端相对较远时，t10-t9取值小于t11-t8，以使TB4比TB3晚到终端的时间小于终端收到分组后回送应答的间隔）。

6）在t12及其邻近时刻，地面终端陆续收到TB3和TB4，取出各分段的编码块进行解码，并与缓存的TB1、TB2相关编码块进行软合并，根据对应分组各编码块是否全部解码成功，进行类似于时刻t5的应答处理。

7）当终端在其MAC层控制下从TB1/TB3/TB4和TB2/TB3/TB4等中成功解码出分组p1和p2后，将p1和p2交给上层协议程序进行处理和排序。

在进行p1（或p2）中各分段软合并译码时，既用到原有单星重发分段，也用到来自协作星的部分或全部重发分段，有效提高了译码成功率，减小了单星重发次数，降低了传输时延，显著提高了边界终端数据传输稳定性和吞吐量。比如双星协作情况下，经历同样的2个RTT（往返传输时延）且误码块率BLER=10%情况下，误分组率可从1%降低至0.1%。

在本实施例中，关于多星简单重复发送存在吞吐量提升有限和频谱效率不高问题的处理方式：采用仅仅由协作星有选择地重发数据分组某些出错CB，而非在数据分组首次发送时在两颗或更多颗卫星重复发送全部CB，以实现高效纠错，且降低无线资源的消耗。

1）在图2中的时刻t5，终端根据TB1和TB2解码成功比例，评估并标识各卫星链路信道质量相对好坏。信道质量较好的卫星，将被要求重发协作卫星全部待重传CB（这些CB已缓存于其MirrBuff）；信道质量较差的卫星，将只重发协作卫星部分待重传CB（这些CB的解码状态信息DSI劣于一定门限）。

根据上述原则，发向卫星1的综合应答Ack1由两部分组成：Ack1=AckMAP11+select(RetxMAP21)，其中select(RetxMAP21)表示重发其MirrBuff所缓存subTB21的全部或部分待重传CB；

发向卫星2的综合应答Ack2由两部分组成：Ack2=AckMAP21+select(RetxMAP11)，其中select(RetxMAP11)表示重发其MirrBuff所缓存subTB11的全部或部分待重传CB。

终端根据原有的单星HARQ应答时序，分别将Ack1和Ack2发向卫星1和卫星2。

2）在t8时刻，卫星1收到终端发来的应答Ack1后，根据其中的select(RetxMAP21)对subTB21中分段进行选择重发，如果select(RetxMAP21)=null，则表示无需做任何重发（这表明或者TB21已接收正确，可将其从MirrBuff中删除；或者TB21即分组p2就不存在，从未发送过）。

在t9时刻，卫星2收到终端发来的应答Ack2，进行同样原理的选择重发操作。

相对于目前已知的技术方案，本实施例的优势在于：目前基于节点选择的卫星移动通信自适应协作方案，需要对1个源节点(卫星S)和地面上1个目的节点(D)间，采用N个地面协作节点进行通信中继转发。而本实施例中则是多个卫星之间直接进行协作通信，不需要地面其他协作节点做中继转发等辅助，因此本实施例对沙漠、山地等边远地区更具可行性和实用价值。目前多个低轨星协同采集同一事件的方案中，对于卫星的资源占用大，成本高。本实施例则是多个低轨星协作进行分段重发以增强通信性能，只需消耗些许资源完成分段重发即可。目前还有通过一种多颗LEO（低轨）卫星向多颗GEO（高轨）卫星发送信息的异步协同多址接入的方案，该方法通过（收方）多颗高轨星之间的协作提高通信性能，而（发方）多颗低轨星之间并无协作。本实施例既不需经高轨星转发，也无需多个收方节点协作，实现成本低，且低轨卫星具有快速发射、通信时延小的特性，便于维护和灾后快速恢复。

本实施例还提供一种如图3所示的协议栈总体结构示意图。不失一般性，假设卫星接入网采用5G接入网协议栈架构，信关站和卫星组成分布式基站。信关站实现RRC和PDCP层等高层协议，卫星实现RLC和MAC、物理层等底层协议，其中MAC层采用HARQ协议提高分组传输可靠性。终端通过卫星1/卫星2等以多连接方式接入信关站。整个过程具体包含以下步骤：

①如图3所示，信关站在PDCP层将拟发向用户的分组流按比例r1和r2分成两个子流。各PDCP分组头部包含序号。信关站将子流分组分别发向两颗或更多颗卫星。对高度为1000km的低轨星, 比例r1和r2更新周期大约为100ms左右。

卫星收到边界终端的下行流分组后，进行RLC/MAC/物理层等处理。卫星设有前面“发明内容”所述RLC层缓冲区和TxBuff/MirrBuf两个重发缓冲区。MAC层调度器根据RLC层缓冲区（或TxBuff）中待首发（或重发）数据长度，以及MirrBuff中待协作重发数据长度，优先为边界终端分配相应无线资源，对应的传输块长度分别为LenSubTB11和LenSubTB12。

由此，在图2中t1时刻，卫星1从RLC层缓冲区和MirrBuff各取出一些分组分段进行编码形成subTB11和subTB12，从而组装成综合传输块TB1；同时将subTB11的分段数据和结构组成，经星间链路（若馈电链路带宽更充裕，也可由信关站转发）发向卫星2，在t7时刻卫星2收到后将其存入MirrBuff。

作为一个实例，我们假设subTB11由4个个编码块组成：subTB11=CB111+CB112+CB113+CB114；而subTB12=null，即不存在。

在调度安排的时刻t4，卫星1通过业务信道将TB1发向终端。在其原有下行控制信息DCI格式上进行扩展，形成专用DCI格式，以包含subTB11和subTB12分别对应的编码冗余版本、CB数量和调制编码方案。

卫星2采用同样原理形成综合传输块TB2=subTB21+subTB22，并发向终端。具体行为参见图2中t2、t3、t6时刻对应过程说明。作为一个实例，我们假设subTB21=CB211+CB212+CB213+CB214, subTB22=null。

终端实现RRC、PDCP、RLC、MAC、物理层等协议。在其MAC层中，设置两个或n个MAC实体分别和两颗或n颗卫星交互，在原有单星HARQ协议基础上扩展协作重发功能。当图2中t5时刻终端陆续收到两颗卫星发来的TB1和TB2后，由两个MAC实体分别进行解码和软合并，并根据TB1和TB2解码成功比例，形成发向卫星1和卫星2的综合应答Ack1和Ack2，其中Ack1=AckMAP11+select(RetxMAP21)，Ack2=AckMAP21+select(RetxMAP11)。

对于前述TB1和TB2实例，假设AckMAP11=0001（即4个CB中只有最后1个解码正确），AckMAP21=1100（即4个CB中前2个解码正确），则经评估和决策后可有select(RetxMAP21)=(AckMAP21,0010)（即只协作重发TB2第3个CB），select(RetxMAP11)=(AckMAP11,1110)（即协作重发TB1全部3个出错CB）。

在其原有上行控制信息UCI格式上进行扩展，形成专用UCI格式，以在所表达Ack内容中新增的select(RetxMAP)，以及重发时刻说明。

各MAC实体基于原有的单星HARQ应答时序，分别将Ack1和Ack2以专用UCI格式通过上行控制信道发向卫星1和卫星2。

卫星MAC层在原有单星HARQ程序上扩展实现HARQ协作重发功能，可根据select(RetxMAP11/21)获取相关编码块进行重发，并将MirrBuff中已成功接收编码块删除。由此，当图2中t8时刻卫星1收到应答Ack1，可根据重发要求从TxBuff和MirrBuff分别获取相应编码块组成subTB11re和subTB21re_select，拼装成TB3，并在t11时刻发向终端；当t9时刻卫星2收到应答Ack2时，也可完成相同的功能并拼装出TB4=subTB21re+subTB11re_select。

对于前述TB1和TB2实例，两星上对应的重传数据分别为：

TB3=（CB111+CB112+CB113）+(CB213)；

TB4=（CB213+CB214）+（CB111+CB112+CB113）。

当终端从TB1/TB3/TB4或TB2/TB3/TB4等中成功解码出某个分组后，其MAC层将数据分组交给RLC和PDCP层处理。如图3所示，终端在PDCP层，对来自两颗或更多颗卫星的分组子流进行合并、排序，然后交给上层。

本实施还提供一种基于多星协作的低轨卫星通信性能增强系统，包括：信关站、卫星集群和终端，其中，所述卫星集群包括至少2颗卫星；

所述信关站，用于将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数；

所述卫星集群，用于将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送；

所述终端，用于从n颗卫星收到传输块（TB）后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送；

所述卫星集群，还用于接收到所述综合应答后，向所述终端进行分段重发。

具体的，所述信关站，具体用于信关站利用卫星轨迹、用户链路的当前信道数据、用户链路的历史信道数据和卫星的数据缓冲区状态，确定当前所述n个子流的比例；

本实施例中，通过信关站将分组数据流分成n个子流分别发向n颗卫星，n个子流的比例根据卫星信道状态决定并定期更新。卫星用HARQ协议向终端发送分组。各星将分组分段编码后发向终端（同时经星间链路发向其他卫星），终端收到后回送n个综合应答给n颗星。给某星的综合应答包含对其子流分组各分段的应答，以及对其他卫星子流分组出错分段按一定比例的选择应答（具体比例由各星信道质量相对优劣决定）。各星根据综合应答拼装综合传输块TB，在规定的时间发向终端；终端收到这些TB后进行各分段解码和软合并处理。

通过对多颗卫星通信信号交叠覆盖的边界终端，具体采用多颗卫星协作地向该终端发送重传数据，使边界终端下行数据传输性能得到很大提高，解决了多颗卫星交叠覆盖的边界终端数据接收性能较差问题。并且实现了通过多星对同一边界终端进行协作传输，解决对多星传输时延差动态变化和信道质量动态变化的自适应等问题，有效提高边界终端通信速率和可靠性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，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

1.一种基于多星协作的低轨卫星通信性能增强方法，其特征在于，包括：将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数；各卫星将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送；终端从n颗卫星收到传输块TB后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送；各颗卫星接收到所述综合应答后，向所述终端进行分段重发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述更新n个子流的比例，包括：信关站利用卫星轨迹、用户链路的当前信道数据、用户链路的历史信道数据和卫星的数据缓冲区状态，确定当前所述n个子流的比例。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定当前所述n个子流的比例，包括：所述信关站根据卫星轨迹、用户链路的当前信道数据和用户链路的历史信道数据，获取未来的时间段内各颗卫星至地面终端通信链路信道状态的估计结果，并根据所述估计结果确定所述时间段内各条链路承担的流量比例；其中，对于数据缓冲区平均长度持续超过预设门限的卫星，暂停数据传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，包括：针对一颗卫星，在MAC层将这一颗卫星所属子流的分段，与协作卫星的待重传分组的一部分分段拼装为传输块，并发向终端；其中，所属子流的分段，包括：首发分组的各分段，或者，重传分组中的部分分段；分段被编码形成编码块CB，由编码块拼装得到传输块，且每个编码块上添加循环冗余校验字段CRC。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过星间链路向其它卫星发送，包括：针对一颗卫星，通过星间链路，将首发分组的各分段数据和结构描述，传给协作卫星，作为所述协作卫星的协作子流。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述终端根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送的过程中，包括：所述终端生成n个综合应答并向所述n颗卫星发送，其中，所述综合应答包括：对一颗卫星所属的子流分组的各分段的应答，和对其他卫星的子流分组的出错分段的应答。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述终端在生成综合应答时，根据传输块的解码成功率，确定卫星链路的信道质量，其中，解码成功率大于预设值或相对最高的卫星链路，则判定为信道质量好；其中，对于信道质量被判定为好的卫星，调整卫星的协作子流，使其包含其他卫星的子流分组中全部待重传分段；对于信道质量被判定为差的卫星，调整卫星的协作子流，使其只包含一部分卫星的子流分组中的一部分待重传分段。

8.一种基于多星协作的低轨卫星通信性能增强系统，其特征在于，包括：信关站、卫星集群和终端，其中，所述卫星集群包括至少2颗卫星；所述信关站，用于将数据流按比例分成n个子流并分别发向n颗卫星，且定期更新n个子流的比例，其中，n为大于或等于2的正整数；所述卫星集群，用于将接收到的数据分组进行分段编码后发向终端，并通过星间链路向其它卫星发送；所述终端，用于从n颗卫星收到传输块TB后进行解码，并对其中的重传分段进行软合并处理；根据传输块中各分段解码的结果，生成综合应答，并向所述n颗卫星发送；

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述信关站，具体用于信关站利用卫星轨迹、用户链路的当前信道数据、用户链路的历史信道数据和卫星的数据缓冲区状态，确定当前所述n个子流的比例；所述确定当前所述n个子流的比例，包括：所述信关站根据卫星轨迹、用户链路的当前信道数据和用户链路的历史信道数据，获取未来的时间段内各颗卫星至地面终端通信链路信道状态的估计结果，并根据所述估计结果确定所述时间段内各条链路承担的流量比例；其中，对于数据缓冲区平均长度持续超过预设门限的卫星，暂停数据传输。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述卫星集群中的一颗卫星，具体用于，在MAC层将这一颗卫星所属子流的分段，与协作卫星的待重传分组的一部分分段拼装为传输块，并发向终端；其中，所属子流的分段，包括：首发分组的各分段，或者，重传分组中的部分分段；分段被编码形成编码块CB，由编码块拼装得到传输块，且每个编码块上添加循环冗余校验字段CRC；还包括：通过星间链路，将首发分组的各分段数据和结构描述，传给协作卫星，作为所述协作卫星的协作子流。