CN113411810A - 天基物联网通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种天基物联网通信系统。所述系统包括物联网终端、卫星、地面基站和核心网；物联网终端用于通过接收卫星发送的广播信号，与卫星建立通信连接，并通过通信连接，发送鉴权信息至卫星；卫星用于将接收到的鉴权信息发送至地面基站；地面基站用于将鉴权信息转发至核心网；核心网用于根据接收到的鉴权信息对物联网终端进行鉴权，以供物联网终端在鉴权通过时，与核心网进行数据通信；物联网终端还用于根据预设的星历，确定数据通信的休眠时间和唤醒时间，并当到达休眠时间时，停止数据通信，当到达唤醒时间时，恢复数据通信。采用本系统能够降低星上处理复杂度。

Description

天基物联网通信系统

技术领域

本申请涉及物联网技术领域，特别是涉及一种天基物联网通信系统和方法。

背景技术

地面物联网通过在地面建立网关、基站，使终端接入互联网、电信网等网络，受地理环境限制，地面物联网难以在岛屿、森林、沙漠、海洋等特殊环境下实现全面覆盖，而随着物联网应用的逐渐成熟，对于物联网的连续覆盖需求也在日益增长，因此出现了卫星物联网技术。

卫星物联网通过在空间段部署星载基站(SatgNB，Satellite-generationNodeB)，并使星载基站具有完整的基站物理层与协议层信号处理功能，可以利用卫星覆盖范围广、不受地形影响的特点，克服传统基站部署受地理环境限制的不足。

然而，用星载基站代替传统地面基站来建设物联网，一方面，星载基站所载荷的数据处理量较大、处理流程较复杂，使星载基站建设存在较高的复杂度，且不利于后期星上维护，另一方面，以低轨卫星为例，卫星与地面物联网终端之间能够正常通信的时间通常只有10-15分钟(以卫星高度为800km计算)，容易导致卫星与物联网终端之间通信频繁切换。

因此，目前的卫星物联网技术存在星上处理复杂度较高的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低星上处理复杂度的天基物联网通信系统、方法、计算机设备和存储介质。

一种天基物联网通信系统，所述系统包括物联网终端、卫星、地面基站和核心网；

所述物联网终端，用于通过接收所述卫星发送的广播信号，与所述卫星建立通信连接，并通过所述通信连接，发送鉴权信息至所述卫星；

所述卫星，用于将接收到的所述鉴权信息发送至所述地面基站；

所述地面基站，用于将所述鉴权信息转发至所述核心网；

所述核心网，用于根据接收到的所述鉴权信息对所述物联网终端进行鉴权，以供所述物联网终端在鉴权通过时，与所述核心网进行数据通信；

所述物联网终端，还用于根据预设的星历，确定所述数据通信的休眠时间和唤醒时间，并当到达所述休眠时间时，停止所述数据通信，当到达所述唤醒时间时，恢复所述数据通信。

在其中一个实施例中，所述物联网终端，还用于根据所述星历，确定所述卫星的过顶时间，并在所述过顶时间的起始时刻，接收所述卫星发送的广播信号；

所述物联网终端，还用于当接收到所述广播信号时，发送随机接入信息至所述卫星；

所述卫星，还用于根据接收到的所述随机接入信息，判断是否与所述物联网终端建立通信连接。

在其中一个实施例中，所述卫星，还用于若判定不与所述物联网终端建立通信连接，则发送NACK消息至所述物联网终端；

所述物联网终端，还用于当接收到所述NACK消息时，获取所述过顶时间的剩余时间，若所述剩余时间不大于预设的时间阈值，则进入休眠状态。

在其中一个实施例中，所述物联网终端，还用于若所述剩余时间大于所述时间阈值，则重新发送所述随机接入信息至所述卫星，以供所述卫星重新判断是否与所述物联网终端建立通信连接。

在其中一个实施例中，所述物联网终端，还用于统计在所述过顶时间内连续接收到所述NACK消息的次数，若所述次数超过预设的次数阈值，则进入休眠状态。

在其中一个实施例中，所述鉴权信息包括所述物联网终端的标识，所述核心网中预先存储有授权标识集合；所述核心网，还用于当接收到所述标识时，检测所述标识是否为所述授权标识集合中的标识，若是，则判定所述物联网终端鉴权通过。

在其中一个实施例中，所述随机接入信息包括所述物联网终端的标识和优先级；所述卫星，还用于接收至少一个物联网终端发送的所述标识和优先级，根据所述标识统计所述至少一个物联网终端的数量，根据所述数量和所述优先级，从所述至少一个物联网终端中选择目标物联网终端，进行通信连接建立。

在其中一个实施例中，所述核心网，还用于与至少一个物联网终端进行数据通信；

所述卫星，还用于获取所述至少一个物联网终端的终端优先级和消息优先级，根据所述终端优先级和消息优先级确定数据通信优先级，并根据所述数据通信优先级确定所述数据通信的终端顺序。

在其中一个实施例中，所述物联网终端，还用于检测是否在所述卫星覆盖范围内，若否，则寻找切换卫星，并当寻找到所述切换卫星时，通过接收所述切换卫星发送的广播信号，与所述切换卫星建立通信连接。

在其中一个实施例中，，所述物联网终端与所述卫星之间进行双向半双工通信，上行链路为突发方式，下行链路为连续方式，所述双向半双工通信使用L频段，传输速率为2kbps，带宽为6Mhz。。

一种天基物联网通信方法，所述方法包括：

通过接收卫星发送的广播信号，与卫星建立通信连接；

通过所述通信连接，发送鉴权信息至所述卫星，以供所述卫星将所述鉴权信息通过地面基站发送至核心网进行鉴权；

当鉴权通过时，与所述核心网进行数据通信；

根据预设的星历，确定所述数据通信的休眠时间和唤醒时间；

当到达所述休眠时间时，停止所述数据通信；

当到达所述唤醒时间时，恢复所述数据通信。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

通过接收卫星发送的广播信号，与卫星建立通信连接；

通过所述通信连接，发送鉴权信息至所述卫星，以供所述卫星将所述鉴权信息通过地面基站发送至核心网进行鉴权；

当鉴权通过时，与所述核心网进行数据通信；

根据预设的星历，确定所述数据通信的休眠时间和唤醒时间；

当到达所述休眠时间时，停止所述数据通信；

当到达所述唤醒时间时，恢复所述数据通信。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

通过接收卫星发送的广播信号，与卫星建立通信连接；

通过所述通信连接，发送鉴权信息至所述卫星，以供所述卫星将所述鉴权信息通过地面基站发送至核心网进行鉴权；

当鉴权通过时，与所述核心网进行数据通信；

根据预设的星历，确定所述数据通信的休眠时间和唤醒时间；

当到达所述休眠时间时，停止所述数据通信；

当到达所述唤醒时间时，恢复所述数据通信。

上述天基物联网通信系统、方法、计算机设备和存储介质，物联网终端通过接收卫星发送的广播信号与卫星建立通信连接，可以使无蜂窝网络覆盖区域的物联网终端快速接入卫星网络，通过通信连接发送鉴权信息至卫星，卫星将接收到的鉴权信息发送至地面基站，地面基站将鉴权信息转发至核心网，核心网根据接收到的鉴权信息对物联网终端进行鉴权，物联网终端在鉴权通过时与核心网进行数据通信，物联网终端根据预设的星历确定数据通信的休眠时间和唤醒时间，并当到达休眠时间时停止数据通信，当到达唤醒时间时恢复数据通信，可以确保物联网终端在卫星过顶时间内进行数据通信，且每次通信无需重复进行接入和鉴权操作，降低了天基物联网通信的复杂度。

而且，通过对物联网终端、卫星、地面基站和核心网进行组网，可以将星载基站的信号处理卸载到地面基站，降低星上处理复杂度。

附图说明

图1为一个实施例中天基物联网通信系统的结构框图；

图2为一个实施例中天基物联网通信系统的示意图；

图3为一个实施例中物联网终端与卫星通信建立过程的流程示意图；

图4为一个实施例中天基物联网通信方法的流程示意图；

图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种天基物联网通信系统100，该天基物联网通信系统可以包括物联网终端110、卫星120、地面基站130和核心网140。

其中，物联网终端110可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。

物联网终端110，用于通过接收卫星120发送的广播信号，与卫星120建立通信连接，并通过通信连接，发送鉴权信息至卫星120；

卫星120，用于将接收到的鉴权信息发送至地面基站130；

地面基站130，用于将鉴权信息转发至核心网140；

核心网140，用于根据接收到的鉴权信息对物联网终端110进行鉴权，以供物联网终端110在鉴权通过时，与核心网140进行数据通信；

物联网终端110，还用于根据预设的星历，确定数据通信的休眠时间和唤醒时间，并当到达休眠时间时，停止数据通信，当到达唤醒时间时，恢复数据通信。

其中，鉴权信息可以为物联网终端的标识，例如，可以为物联网终端ID。

具体实现中，卫星可以不断发送广播信号，广播信号中可以包含卫星基本信息，例如，卫星经纬度、速度和波束信息，还可以在物联网终端的闪存(Flash)中预先存储卫星星历，物联网终端可以根据星历计算卫星过顶时间，并在卫星过顶时间的起始时刻开始接收卫星信号。当接收到卫星发送的广播信号时，物联网终端可以通过向卫星发送终端ID、优先级信息，以及终端收集的各种消息，请求接入卫星网络，卫星可以根据当前请求接入的终端数量，以及各个终端的优先级来允许合适的终端进行接入，并向该允许接入的终端回复ACK消息，若终端没有收到ACK消息或者收到NACK消息，则进入消息重发流程。具体地，当拥塞发生或本次数据上报后未收到消息或者收到NACK消息时，计算出物联网终端与卫星之间本次卫星过顶时间的剩余时间，若剩余时间大于1分钟，则重新进行接入，若连续3次接入未成功，则终端进入休眠状态，若剩余时间不大于1分钟，则终端进入休眠状态，并等待下一次卫星过顶。

若物联网终端在固定时间窗(过顶时间)内接收到卫星发送的ACK消息，则视为随机接入成功，可以进入鉴权流程。物联网终端可以只进行一次入网鉴权，鉴权完成后开始正常的唤醒休眠周期过程，无需再次鉴权。在鉴权认证时，物联网终端可以将携带有终端ID的数据帧发送给卫星，卫星先将终端ID下发到地面基站，再通过地面基站发送给核心网，核心网可以将终端ID发送给管理网关进行鉴权，具体地，可以在管理网关中预先对所有合法的物联网终端ID进行存储，若检测到当前物联网终端发送的ID为合法ID，则判定鉴权通过，允许该物联网终端接入，否则，若为非法ID，则判定鉴权不通过，不允许该物联网终端接入。

在判定允许物联网终端接入后，物联网终端可以加入天基物联网通信系统，并通过卫星的透明转发，与地面基站相通信，进行数据传输。物联网终端还可以将卫星过顶时间的结束时刻作为休眠时间，并将下一次卫星过顶时间的起始时刻作为唤醒时间，当本次数据传输到达休眠时间时，停止与地面基站进行数据通信，并在当到达下一次唤醒时间时，回复与地面基站进行数据通信，其中，当下一次唤醒时，无需再对物联网终端进行鉴权。

需要说明的是，当大量物联网终端同时接入时，卫星可以根据终端优先级(主优先级)和消息优先级(子优先级)联合决定最终优先级，对于最终优先级最低的物联网终端所发送的消息，可以不予回复。

还需要说明的是，当物联网终端运动到当前连接的卫星覆盖范围之外时，可以尝试连接新的卫星，当连接成功、得到新的卫星反馈的信息时，可以对该信息进行存储。

上述天基物联网通信系统、方法、计算机设备和存储介质，物联网终端通过接收卫星发送的广播信号与卫星建立通信连接，可以使无蜂窝网络覆盖区域的物联网终端快速接入卫星网络，通过通信连接发送鉴权信息至卫星，卫星将接收到的鉴权信息发送至地面基站，地面基站将鉴权信息转发至核心网，核心网根据接收到的鉴权信息对物联网终端进行鉴权，物联网终端在鉴权通过时与核心网进行数据通信，物联网终端根据预设的星历确定数据通信的休眠时间和唤醒时间，并当到达休眠时间时停止数据通信，当到达唤醒时间时恢复数据通信，可以确保物联网终端在卫星过顶时间内进行数据通信，且每次通信无需重复进行接入和鉴权操作，降低了天基物联网通信的复杂度。

而且，通过对物联网终端、卫星、地面基站和核心网进行组网，可以将星载基站的信号处理卸载到地面基站，降低星上处理复杂度。

图2提供了一个天基物联网通信系统的示意图。根据图2，物联网终端与卫星之间的通信接口为IF1；卫星接收到物联网终端的数据后，打包发送给地面基站，卫星与地面基站之间的通信接口为IF2；地面基站与核心网之间通过TCP/IP建立通信连接，接口为IF3；管理网关实现对终端进行鉴权、计费等管理功能，与核心网之间通过HTTP协议进行连接，管理网关与核心网之间的通信接口为IF5；服务网关用于开发基于终端数据的客户终端，与核心网之间同样通过HTTP协议进行连接，服务网关与核心网之间的通信接口为IF4。

其中，IF2协议可以采用现有的卫星与卫星基站之间的通信协议，地面基站接收卫星转发来的数据包，并对数据包进行存储，无需进行协议改动。

其中，IF3协议可以采用现有的基站与核心网之间的通信协议，无需进行协议改动。

其中，IF4和IF5可以采用现有的HTTP网协议，只是依据物联网终端的控制和应用方式进行对应的管理鉴权和应用层开发即可。

其中，IF1需考虑卫星和终端各自特点，创新性地进行协议开发。具体地，IF1协议需要实现以下功能：

1、星上只做透明转发，及与业务层无关的打包操作，而业务相关的处理全部在地面基站中，保证了后期软件的可维护性和卫星改动尽量小。卫星接收到地面终端发送的数据后可以进行ACK响应；在卫星下行信道上以广播方式发送星历。若同时接入的终端数量超过最大可容纳数，则对新接入的终端消息不做响应或根据消息帧中消息优先级来丢弃不重要的消息；

2、物联网终端的业务类型可以包括数据业务和管理业务，其中，数据业务为数据上报的业务，管理业务为终端自主存储卫星广播的星历并进行多普勒补偿、钟差补偿，物联网终端还可以进行时钟同步，自主计算卫星过顶时间点，以及自主调整数据上报频率和上报数据类型；

3、消息类型可以包括实时消息和非实时消息(通过帧结构区分)，当卫星接收到实时消息时，可以立刻将此消息转发到地面基站，当卫星接收到非实时消息时，可以等消息积累到一定的数量再打包统一转发到地面基站；

4、物联网终端与卫星之间的通信可以采用双向半双工通信，上行链路可以采用突发方式，下行链路可以采用连续方式，可以以单向通信和上报数据为主，接收数据为辅，可以使用L频段，传输速率可以为2kbps，带宽可以为6Mhz。

IF1协议关键过程可以包括以下内容：

A、接入流程，具体包括以下过程：

a、卫星不断发送广播信号，广播信号中包含卫星的基本信息，如：卫星经纬度、速度及波束信息；

b、天基物联网终端根据Flash中存储的星历数据信息计算出卫星过顶时间开始接收卫星信号；

c、当收到卫星的广播信号后，天基物联网终端发送终端ID信息、优先级信息、终端收集的消息；卫星端根据当前接入的数量及接入的优先级来选择合适的消息并回复ACK消息。若没有收到ACK消息或者收到NACK消息则进入消息重发流程；

d、天基物联网终端在固定时间窗内接收到卫星发送的ACK消息，视为随机接入成功，进入鉴权流程。

B、消息重发：在拥塞发生或本次数据上报后未收到消息或者收到NACK消息，计算出物联网终端与卫星之间当次通信的剩余时间，若剩余时间大于一分钟，则重新进行接入；若连续3次还未成功，则进入休眠状态；若剩余时间低于1分钟，则终端进入休眠状态，等待下一次卫星过顶。

C、入网鉴权：终端只一次入网鉴权，鉴权完成后开始正常的唤醒休眠周期过程，以后均无需鉴权。鉴权认证时，终端将携带有终端ID的数据帧发送到卫星，卫星下发到数据基站到核心网进行鉴权。

D、拥塞处理：当大量终端同时接入时，卫星根据终端优先级(主优先级)和消息优先级(子优先级)共两个优先级联合决定最终优先级，优先级最低的终端消息直接不予回复。

E、时频同步：终端自身存储卫星星历信息并根据自身运动计算合适的卫星过顶时间，并在过顶时间自动唤醒。

F、卫星波束选择：当终端自身运动到当前连接的卫星覆盖范围(终端自身存储卫星的相关信息)之外，则尝试连接新的卫星，并存储得到反馈的卫星信息。

上述天基物联网通信系统，针对低轨卫星在天基物联网终端通信范围内过顶时间短、需要具备快速连接和组网鉴权的功能，以及天基物联网终端有低功耗的要求、无法长时间开机接收卫星信号的特点，设计了低轨天基物联网协议总体设计方案，并详细阐述了其空口协议栈设计，实现了低成本、低功耗、简单快速地组网。

基于目前卫星星座主要都是透明转发，星上数据处理少，后期软件修改不易，本协议系统中卫星端的设计与已有卫星差异小，能够缩短卫星载荷设计周期。

基于物联网终端数据量小，数据传输频次相对稳定，终端数量大，且主要在森林、海洋、沙漠等无人区需要长时间待机的特点，本协议系统中尽量减小协议开销，减少冗余，从而缩减成本。

在卫星与地球站之间、地球站与核心网之间、核心网与服务网关、应用网关之间，均基于已有的卫星网络和地面网络，改动小，从而降低开发难度。

综上，上述天基物联网通信系统重点在于空口协议的设计，其中重点考虑了卫星和物联网终端的特点进行IF1空口协议设计，从而实现低成本、快速、高效地组建天基物联网。

图3提供了一个物联网终端与卫星通信建立过程的流程示意图，物联网终端与卫星建立通信连接的过程可以包括以下步骤：

步骤S310，随机接入。卫星不断发送广播信号，物联网终端根据存储的星历数据计算卫星过顶时间，并在卫星过顶时间开始时接收卫星信号，当接收到卫星广播信号时，物联网终端将自身ID和优先级信息等发送给卫星，卫星根据当前请求接入的终端数量以及各个终端的优先级决定允许接入的物联网终端，并对于允许接入的终端反馈ACK消息，对于不允许接入的终端反馈NACK消息。若物联网终端接收到ACK消息，则可以与卫星相通信，随机接入成功，否则，若物联网终端未接收到ACK消息或接收到NACK消息，则可以进行消息重发。

步骤S320，入网鉴权。物联网终端可以将携带有自身ID的数据帧发送给卫星，卫星将其下发到基站，再转发到核心网进行鉴权，完成物联网终端的鉴权认证，物联网终端可以只进行一次鉴权，鉴权通过后可以进行唤醒休眠周期过程。

步骤S330，数据交互。入网鉴权通过后，物联网终端可以加入天基物联网通信系统，通过物联网终端-卫星-地面基站-核心网-网关通信链路进行数据交互。

步骤S340，休眠。在本次过顶时间内，若过顶时间结束，则物联网终端可以进入休眠状态。此外，若拥塞发生、或上报自身ID和优先级信息后未收到反馈消息、或上报自身ID和优先级信息后收到NACK消息，则可以计算本次过顶时间的剩余时间，若剩余时间大于1分钟，则重新进行接入，若连续3次还未成功，则进入休眠状态，若剩余时间低于1分钟，则终端进入休眠状态，等待下一次卫星过顶；

步骤S350，终端自动唤醒。物联网终端在休眠时，可以计算下一次卫星过顶时间，并在到达下一次卫星过顶时间到达时自动唤醒，继续进行数据交互。

上述物联网终端与卫星通信建立过程，通过将物联网终端与卫星建立通信连接，可以实现天基物联网通信，天基物联网通信覆盖地域广，可应用于无人区数据采集、自然灾害监测、远洋运输、野生动物跟踪、野外救援等方面，通过联合地基物联网，可以实现真正的全球万物互联。

而且，通过综合考虑卫星星座高成本和物联网终端低成本、低功耗需求的特点，进行协议架构设计，能够低成本、快速地将无蜂窝网络覆盖区域的物联网终端接入卫星网络，卫星再通过地面基站接入核心网，并通过管理网关进行鉴权、控制和监测，通过服务网关进行应用开发。

进一步地，通过卫星进行透明转发，地面基站进行数据处理，可以使星上内容较为固定，降低了卫星载荷的数据处理量和数据处理复杂度，同时还降低了后期星上维护的难度，而且，由于无需制作专用的物联网卫星载荷，可以降低系统部署成本；此外，通过采用休眠和唤醒机制，可以解决卫星通信的切换问题。

在一个实施例中，上述物联网终端，还用于根据星历，确定卫星的过顶时间，并在过顶时间的起始时刻，接收卫星发送的广播信号；上述物联网终端，还用于当接收到广播信号时，发送随机接入信息至卫星；上述卫星，还用于根据接收到的随机接入信息，判断是否与物联网终端建立通信连接。

其中，随机接入信息可以为物联网终端的ID信息和/或优先级信息。

具体实现中，卫星可以不断发送广播信号，物联网终端内可以预先存储卫星星历，并根据星历计算卫星过顶时间，当到达过顶时间的起始时刻时，物联网终端可以开始接收卫星的广播信号，并在接收到广播信号时，向卫星发送自身ID和/或优先级信息，卫星可以根据接收到的ID数量统计请求接入的物联网终端数量，若请求接入的物联网终端数量在允许接入的终端数量范围内，则全部允许接入，否则，若请求接入的物联网终端数量超过允许接入的终端数量，则可以根据各个物联网终端的优先级，确定允许优先接入的物联网终端，对于其他终端则不允许接入。对于允许接入的物联网终端，卫星与其建立通信连接。

本实施例中，物联网终端根据星历确定卫星的过顶时间，并在过顶时间的起始时刻接收卫星发送的广播信号，当接收到广播信号时，发送随机接入信息至卫星，卫星根据接收到的随机接入信息判断是否与物联网终端建立通信连接，可以在卫星过顶时间到达时，使物联网终端与卫星高效、快速第建立通信连接，提高天基物联网通信效率。

在一个实施例中，上述卫星，还用于若判定不与物联网终端建立通信连接，则发送NACK消息至物联网终端；上述物联网终端，还用于当接收到NACK消息时，获取过顶时间的剩余时间，若剩余时间不大于预设的时间阈值，则进入休眠状态。

具体实现中，若请求接入的物联网终端的数量超过允许接入的终端数量，卫星可以获取物联网终端的优先级，根据优先级选择允许接入的物联网终端，对于不允许接入的物联网终端，判定不与其建立通信连接，并发送NACK消息，当物联网终端接收到NACK消息时，可以计算过顶时间的剩余时间，若剩余时间不大于预设的时间阈值，例如，剩余时间不大于1分钟，则物联网终端进入休眠状态，等待下一次卫星过顶。

本实施例中，卫星若判定不与物联网终端建立通信连接，则发送NACK消息至物联网终端，物联网终端当接收到NACK消息时，获取过顶时间的剩余时间，若剩余时间不大于预设的时间阈值则进入休眠状态，可以使物联网终端在剩余时间不足时，不进行重新接入，避免浪费数据处理资源。

在一个实施例中，上述物联网终端，还用于若剩余时间大于时间阈值，则重新发送随机接入信息至卫星，以供卫星重新判断是否与物联网终端建立通信连接。

具体实现中，若卫星判定不与物联网终端建立通信连接，并发送NACK消息，物联网终端可以在接收到NACK消息时，计算过顶时间的剩余时间，若剩余时间大于预设的时间阈值，例如，剩余时间大于1分钟，则可以重新发送自身ID和/或优先级信息至卫星，卫星可以根据接收到的ID和/或优先级信息判断是否与该物联网终端建立通信连接。

本实施例中，物联网终端若剩余时间大于时间阈值，则重新发送随机接入信息至卫星，可以使卫星重新判断是否与该物联网终端建立通信连接，以便物联网终端可以有机会获得接入天基物联网系统。

在一个实施例中，上述物联网终端，还用于统计在过顶时间内连续接收到NACK消息的次数，若次数超过预设的次数阈值，则进入休眠状态。

具体实现中，物联网终端还可以统计在过顶时间内连续接收到NACK消息的次数，若超过预设的次数阈值，例如，若连续3次接收到NACK消息，则可以使物联网终端进入休眠状态。

本实施例中，物联网终端统计在过顶时间内连续接收到NACK消息的次数，若次数超过预设的次数阈值则进入休眠状态，可以在物联网终端优先级较低或系统较为拥堵时，避免物联网终端一直尝试接入，节约数据处理资源。

在一个实施例中，上述鉴权信息包括物联网终端的标识，核心网中预先存储有授权标识集合；核心网，还用于当接收到标识时，检测标识是否为授权标识集合中的标识，若是，则判定物联网终端鉴权通过。

其中，物联网终端的标识可以为物联网终端ID。

具体实现中，可以在核心网网关预先存储所有授权的物联网终端ID，当接收到请求接入的物联网终端发送的ID时，核心网可以检测该ID是否为授权终端的ID，若不为授权终端的ID，则判定鉴权不通过，若为授权终端的ID，则判定鉴权通过。

本实施例中，核心网当接收到标识时，检测标识是否为授权标识集合中的标识，若是，则判定物联网终端鉴权通过，可以避免非法终端接入天基物联网通信系统，确保系统安全性。

在一个实施例中，上述随机接入信息包括物联网终端的标识和优先级；卫星，还用于接收至少一个物联网终端发送的标识和优先级，根据标识统计至少一个物联网终端的数量，根据数量和优先级，从至少一个物联网终端中选择目标物联网终端，进行通信连接建立。

具体实现中，卫星可以接收到一个或多个物联网终端发送的ID和优先级信息，卫星可以根据接收到的ID数量来统计请求接入的物联网终端数量，若请求接入的物联网终端数量在允许接入的终端数量范围内，则全部允许接入，否则，若请求接入的物联网终端数量超过允许接入的终端数量，则可以根据各个物联网终端的优先级，确定允许优先接入的物联网终端，将其作为目标物联网终端，并与目标物联网终端建立通信连接，对于其他物联网终端，则不允许接入，不建立通信连接。

本实施例中，卫星接收至少一个物联网终端发送的标识和优先级，根据标识统计至少一个物联网终端的数量，根据数量和优先级从至少一个物联网终端中选择目标物联网终端进行通信连接建立，可以在网络拥堵时根据优先级确定允许接入的物联网终端，有效解决网络拥堵问题。

在一个实施例中，上述核心网，还用于与至少一个物联网终端进行数据通信；上述卫星，还用于获取至少一个物联网终端的终端优先级和消息优先级，根据终端优先级和消息优先级确定数据通信优先级，并根据数据通信优先级确定数据通信的终端顺序。

其中，终端优先级可以为物联网终端的优先级，消息优先级可以为物联网终端所传输消息的优先级。

具体实现中，核心网可以与一个或多个物联网终端进行数据通信，当一个或多个物联网终端接入天基物联网通信系统时，若物联网终端数量超过允许接入的终端数量，即发生网络拥堵，卫星可以获取各个物联网终端的终端优先级和消息优先级，并将终端优先级作为主优先级，将消息优先级作为子优先级，并根据主优先级和子优先级联合确定数据通信优先级，例如，可以通过对主优先级和子优先级进行加权求和，得到数据通信优先级，卫星可以根据数据通信优先级确定进行数据通信的终端顺序，例如，可以优先与数据通信优先级最高的终端进行数据通信，对于数据通信优先级最低的终端发送的消息，可以直接不予回复。

本实施例中，核心网与至少一个物联网终端进行数据通信，卫星获取至少一个物联网终端的终端优先级和消息优先级，根据终端优先级和消息优先级确定数据通信优先级，并根据数据通信优先级确定数据通信的终端顺序，可以在网络拥堵时根据优先级确定优先进行数据通信的物联网终端，有效解决网络拥堵问题。

在一个实施例中，上述物联网终端，还用于检测是否在卫星覆盖范围内，若否，则寻找切换卫星，并当寻找到切换卫星时，通过接收切换卫星发送的广播信号，与切换卫星建立通信连接。

具体实现中，物联网终端中可以预先存储卫星运行参数，其中，卫星运行参数可以为卫星运行的高度、速度和纬度，物联网终可以根据卫星参数计算卫星覆盖范围。随着卫星运动、或物联网终端运动，物联网终端可能会到达卫星覆盖范围外，当物联网终端检测到在卫星覆盖范围外时，可以尝试连接新的卫星，即寻找切换卫星，当寻找到切换卫星时，可以通过接收切换卫星发送的广播信号，与切换卫星建立通信连接，通信连接建立的具体过程在前述实施例中已有详细说明，在此不再赘述。

本实施例中，物联网终端检测是否在卫星覆盖范围内，若否，则寻找切换卫星，并当寻找到切换卫星时，通过接收切换卫星发送的广播信号，与切换卫星建立通信连接，可以使物联网终端超出卫星覆盖范围时，重新接入新的卫星，确保物联网终端的正常通信，降低掉话率。

在一个实施例中，上述物联网终端与卫星之间进行双向半双工通信，上行链路为突发方式，下行链路为连续方式，双向半双工通信使用L频段，传输速率为2kbps，带宽为6Mhz。

具体实现中，物联网终端与卫星之间的通信可以采用双向半双工通信，其中，上行链路可以采用突发方式，下行链路可以采用连续方式，双向半双工通信可以使用L频段，传输速率可以为2kbps，带宽可以为6Mhz。

本实施例中，通过对物联网终端与卫星之间通信进行参数配置，可以确保物联网终端与卫星之间通信的正常运行，提高通信效率和通信可靠性。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种天基物联网通信方法，以该方法应用于图1中的物联网终端110为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S410，通过接收卫星发送的广播信号，与卫星建立通信连接；

步骤S420，通过所述通信连接，发送鉴权信息至所述卫星，以供所述卫星将所述鉴权信息通过地面基站发送至核心网进行鉴权；

步骤S430，当鉴权通过时，与所述核心网进行数据通信；

步骤S440，根据预设的星历，确定所述数据通信的休眠时间和唤醒时间；

步骤S450，当到达所述休眠时间时，停止所述数据通信；

步骤S460，当到达所述唤醒时间时，恢复所述数据通信。

具体实现中，卫星可以不断发送广播信号，广播信号中可以包含卫星基本信息，例如，卫星经纬度、速度和波束信息，还可以在物联网终端的闪存(Flash)中预先存储卫星星历，物联网终端可以根据星历计算卫星过顶时间，并在卫星过顶时间的起始时刻开始接收卫星信号。当接收到卫星发送的广播信号时，物联网终端可以通过向卫星发送终端ID、优先级信息，以及终端收集的各种消息，请求接入卫星网络，卫星可以根据当前请求接入的终端数量，以及各个终端的优先级来允许合适的终端进行接入，并向该允许接入的终端回复ACK消息，若终端没有收到ACK消息或者收到NACK消息，则进入消息重发流程。具体地，当拥塞发生或本次数据上报后未收到消息或者收到NACK消息时，计算出物联网终端与卫星之间本次卫星过顶时间的剩余时间，若剩余时间大于1分钟，则重新进行接入，若连续3次接入未成功，则终端进入休眠状态，若剩余时间不大于1分钟，则终端进入休眠状态，并等待下一次卫星过顶。

若物联网终端在固定时间窗(过顶时间)内接收到卫星发送的ACK消息，则视为随机接入成功，可以进入鉴权流程。物联网终端可以只进行一次入网鉴权，鉴权完成后开始正常的唤醒休眠周期过程，无需再次鉴权。在鉴权认证时，物联网终端可以将携带有终端ID的数据帧发送给卫星，卫星先将终端ID下发到地面基站，再通过地面基站发送给核心网，核心网可以将终端ID发送给管理网关进行鉴权，具体地，可以在管理网关中预先对所有合法的物联网终端ID进行存储，若检测到当前物联网终端发送的ID为合法ID，则判定鉴权通过，允许该物联网终端接入，否则，若为非法ID，则判定鉴权不通过，不允许该物联网终端接入。

在判定允许物联网终端接入后，物联网终端可以加入天基物联网通信系统，并通过卫星的透明转发，与地面基站相通信，进行数据传输。物联网终端还可以将卫星过顶时间的结束时刻作为休眠时间，并将下一次卫星过顶时间的起始时刻作为唤醒时间，当本次数据传输到达休眠时间时，停止与地面基站进行数据通信，并在当到达下一次唤醒时间时，回复与地面基站进行数据通信，其中，当下一次唤醒时，无需再对物联网终端进行鉴权。

由于物联网终端的处理过程在前述实施例中已有详细说明，在此不再赘述。

上述天基物联网通信方法，通过接收卫星发送的广播信号与卫星建立通信连接，可以使无蜂窝网络覆盖区域的物联网终端快速接入卫星网络，通过通信连接发送鉴权信息至卫星，卫星将鉴权信息通过地面基站发送至核心网进行鉴权，当鉴权通过时与核心网进行数据通信，根据预设的星历确定数据通信的休眠时间和唤醒时间，当到达休眠时间时停止数据通信，当到达唤醒时间时恢复数据通信，可以确保物联网终端在卫星过顶时间内进行数据通信，且每次通信无需重复进行接入和鉴权操作，降低了天基物联网通信的复杂度。

而且，通过对物联网终端、卫星、地面基站和核心网进行组网，可以将星载基站的信号处理卸载到地面基站，降低星上处理复杂度。

应该理解的是，虽然图3-4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3-4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种天基物联网通信方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行上述一种天基物联网通信方法的步骤。此处一种天基物联网通信方法的步骤可以是上述各个实施例的一种天基物联网通信方法中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行上述一种天基物联网通信方法的步骤。此处一种天基物联网通信方法的步骤可以是上述各个实施例的一种天基物联网通信方法中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种天基物联网通信系统，其特征在于，所述系统包括物联网终端、卫星、地面基站和核心网；

所述物联网终端，用于通过接收所述卫星发送的广播信号，与所述卫星建立通信连接，并通过所述通信连接，发送鉴权信息至所述卫星；

所述卫星，用于将接收到的所述鉴权信息发送至所述地面基站；

所述地面基站，用于将所述鉴权信息转发至所述核心网；

所述核心网，用于根据接收到的所述鉴权信息对所述物联网终端进行鉴权，以供所述物联网终端在鉴权通过时，与所述核心网进行数据通信；

所述物联网终端，还用于根据预设的星历，确定所述数据通信的休眠时间和唤醒时间，并当到达所述休眠时间时，停止所述数据通信，当到达所述唤醒时间时，恢复所述数据通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物联网终端，还用于根据所述星历，确定所述卫星的过顶时间，并在所述过顶时间的起始时刻，接收所述卫星发送的广播信号；

所述物联网终端，还用于当接收到所述广播信号时，发送随机接入信息至所述卫星；

所述卫星，还用于根据接收到的所述随机接入信息，判断是否与所述物联网终端建立通信连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述卫星，还用于若判定不与所述物联网终端建立通信连接，则发送NACK消息至所述物联网终端；

所述物联网终端，还用于当接收到所述NACK消息时，获取所述过顶时间的剩余时间，若所述剩余时间不大于预设的时间阈值，则进入休眠状态。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述物联网终端，还用于若所述剩余时间大于所述时间阈值，则重新发送所述随机接入信息至所述卫星，以供所述卫星重新判断是否与所述物联网终端建立通信连接。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述物联网终端，还用于统计在所述过顶时间内连续接收到所述NACK消息的次数，若所述次数超过预设的次数阈值，则进入休眠状态。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述鉴权信息包括所述物联网终端的标识，所述核心网中预先存储有授权标识集合；所述核心网，还用于当接收到所述标识时，检测所述标识是否为所述授权标识集合中的标识，若是，则判定所述物联网终端鉴权通过。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述随机接入信息包括所述物联网终端的标识和优先级；所述卫星，还用于接收至少一个物联网终端发送的所述标识和优先级，根据所述标识统计所述至少一个物联网终端的数量，根据所述数量和所述优先级，从所述至少一个物联网终端中选择目标物联网终端，进行通信连接建立。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述核心网，还用于与至少一个物联网终端进行数据通信；

所述卫星，还用于获取所述至少一个物联网终端的终端优先级和消息优先级，根据所述终端优先级和消息优先级确定数据通信优先级，并根据所述数据通信优先级确定所述数据通信的终端顺序。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物联网终端，还用于检测是否在所述卫星覆盖范围内，若否，则寻找切换卫星，并当寻找到所述切换卫星时，通过接收所述切换卫星发送的广播信号，与所述切换卫星建立通信连接。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物联网终端与所述卫星之间进行双向半双工通信，上行链路为突发方式，下行链路为连续方式，所述双向半双工通信使用L频段，传输速率为2kbps，带宽为6Mhz。

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