CN113644962A - 一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统，其中方法包括：步骤1、协同网控中心与用户终端建立通信链路；步骤2、用户终端根据所述通信链路接入网控中心；步骤3、所述用户终端与所述网控中心根据需求进行数据回传。本发明通过采用多低速前、反向的载波、预规划时隙、和简化的封装格式来进行低速、非实时物联网数据回传方法，充分利用卫星有限物理资源实现了数据的高效传输，通过低速前反向载波的设计，降低对用户终端设备的要求，使得用户终端设备成本更低。

Description

一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统

技术领域

本发明涉及一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统，特别是涉及卫星通信技术领域。

背景技术

随着科学技术的大力发展，物联网技术开始渗透于各个领域，在历经超过十年的发展中，物联网技术的各式应用场景愈加丰富，技术和应用创新层出不穷，发展速度也越来越快。然而，在电力、水利、天然气、石油的行业的物联网终端都存在部署在无地面或移动网络覆盖的偏远地区，存在数据量小，实时性要求不高的特点。如何实现将这些偏远地区的小量、非实时物联网数据高效、可靠地回传到数据平台已成为目前待急需解决的问题。

发明内容

发明目的：提出一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：第一方面，提出了一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、协同网控中心与用户终端建立通信链路；

步骤2、用户终端根据所述通信链路接入网控中心；

步骤3、所述用户终端与所述网控中心根据需求进行数据回传。

在第一方面的一些可实现方式中，步骤1在建立通信链路的时，具体如下：

所述网控中心发送连续向前的TDM载波信号；所述TDM载波信号分为两种类型，一类用于网控中心配置广播的信息和控制信令的发送；另一类作为时钟同步信号，用于所有用户终端进行时钟同步。

所述网控中心的反向链路采用MF-TDMA传输体制，突发TDMA信号；所述TDMA信号包含用户终端发送的业务数据和控制信令。

根据TDMA信号发送的总速率按照预设速率进行时隙划分，用于进行数据回传，建立通信链路。

在第一方面的一些可实现方式中，步骤2接入网控中心的步骤具体为：

所述网控中心初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号。

所述网控中心广播用户终端所需的的时隙计划参数和密钥信息。

所述用户终端根据所述TDM载波信号，配置TDM载波频点信息，并在当前频点上接收用户终端的时隙计划参数。

根据用户终端的时隙计划参数，规划TDMA载波信号和时隙设置工作参数，并完成对应配置。

所述用户终端完成工作参数设置后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作。

所述网控中心接收到用户终端的入网信令后，发送数据通信密钥。

用户终端使用所述数据通信密钥进行数据回传。

在第一方面的一些可实现方式中，步骤3中数据在进行回传时，用户终端在接收到来自物联网数据采集设备的数据后，需首先在本地进行封装，对应的数据传输过程如下：

步骤3.1、接收来自物联网数据采集设备的数据并进行本地缓存；

步骤3.2、读取缓存中的数据进行应用层格式的封装，增加传输辅助信息；

步骤3.3、利用标准的GSE流对缓存中的数据进行封装；

步骤3.4、所述GSE流通过FPGA处理后，通过物理信道进行发送；

步骤3.5、网控中心接收到数据后进行反向解析，从而读取来自用户终端的数据。

在第一方面的一些可实现方式中，数据传输的过程中，应用层数据传输消息封装的格式包括字段名、字段类型和对应的说明，封装后的信息底层封装头长度为2字节。

在第一方面的一些可实现方式中，所述步骤2进一步包括当出现异常情况下用户终端重启时，用户终端接入网控中心的过程如下：

步骤2.1、用户终端重启开机后，读取本地保存的参数，获取工作的TDMA频点、TDM频点和TDMA频点上的可用时隙；

步骤2.2、将用户终端置于TDM频点上，接收广播消息，获取加密密钥；

步骤2.3、用户终端执行入网操作，发送加密的入网消息，所述入网消息携带其工作的TDM频点；

步骤2.4、网控中心收到用户终端入网消息，将用户终端的规划信息从定时广播中移除，并发送入网响应和业务通信密钥给用户终端进行业务传输，再次指定用户使用的TDM频点。

在第一方面的一些可实现方式中，通信过程中涉及到通信协议包括TDMA信息广播表，所述TDMA信息广播表包括：频点、时隙周期、发送功率和终端使用时隙映照表。

通信过程中用户终端使用的时隙映照表包括：终端标识和时隙列表。

在第一方面的一些可实现方式中，回传数据时，根据数据可靠性需求，采用相对应的处理方式，进一步包括：当对数据的可靠性需求不高时，采用无确认的发送方式进行数据传输，用户终端里面的业务处理程序发送完数据后即可将数据从内存中删除；当对数据的可靠性需求高时，采用滑动窗口的方式进行数据传输。

第二方面，提出一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传系统，该具体包括：

用于建立通信链路的第一模块；

用于根据第一模块实现通信数据网络建立的第二模块；

用于进行数据回传的第三模块。

在第二方面的一些可实现方式中，所述第一模块通过协同网控中心与用户站，建立两者之间的通信链路；所述第二模块通过所述第一模块建立的通信链路，完成用户终端与网控中心的连接，实现数据通信网络的组建；所述第三模块在第二模块建立的数据通信网络中进行数据回传。

第一模块实现网控中心与用户站建立通信链路的过程为：首先网控中心的初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号；其次，用户终端配置TDM载波频点信息，并开始在频点上接收用户终端时隙计划参数；再次，根据用户终端时隙计划参数选择规划的TDMA载波和时隙设置工作参数；从次，用户终端工作参数设置完成后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作；最后，网控中心收到用户终端的入网参数后，发送数据通信密钥，用户终端使用数据通信密钥进行数据回传。

第二模块包括正常状态下的数据通信网络建立和出现异常情况下的通信网路建立。正常情况下的通信链路建立过程为：首先，网控中心初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号；其次，网控中心广播用户终端的所需的时隙计划参数和密钥信息；再次，用户终端根据所述TDM载波信号，配置TDM载波频点信息，并在当前频点上接收用户终端的时隙计划参数；从次，根据用户终端的时隙计划参数，规划TDMA载波信号和时隙设置工作参数，并完成对应配置；最后，用户终端完成工作参数设置后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作。

异常情况下的通信网路建立过程为：首先，用户终端重启开机后，读取本地保存的参数，获取工作的TDMA频点、TDM频点，以及TDMA频点上的可用时隙；其次，将用户终端置于TDM频点上，并接收广播消息，获取加密密钥；再次，用户终端执行入网操作，发送加密的入网消息，所述入网消息携带其工作的TDM频点；最后，网控中心收到用户终端入网消息，将用户终端的规划信息从定时广播中移除，发送入网响应和业务通信密钥给用户终端进行业务传输，并再次指定用户使用的TDM频点。

第三模块进行数回传数据时，根据数据可靠性需求，采用相对应的处理方式，进一步包括：当对数据的可靠性需求不高时，采用无确认的发送方式进行数据传输，用户终端里面的业务处理程序发送完数据后即可将数据从内存中删除；当对数据的可靠性需求高时，采用滑动窗口的方式进行数据传输。

有益效果：本发明提出了一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统，通过采用多低速前、反向的载波、预规划时隙、和简化的封装格式来进行低速、非实时物联网终端数据回传方法，充分利用卫星有限物理资源实现了数据的高效传输，通过低速前反向载波的设计，降低对终端设备的要求，使得终端设备成本更低。另一方面，在前向TDM的利用率接近100％的情况下，通过增加新的TDM载波，可实现扩展系统容量的目的。

附图说明

图1为现有技术FDMA轮询调度示意图。

图2为现有技术TDMA卫星系统时间片示意图。

图3为本发明通信链路示意图。

图4为本发明用户终端接入流程图。

图5为本发明时隙计划配置示意图。

图6为本发明数据传输示意图。

图7为本发明终端数据回传链路建立流程图。

图8为本发明滑动窗口可靠传输实现示意图。

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。

申请人认为现有技术中，卫星通信技术是一种重要的无线通信手段，长期以来，在军事、远洋、抢险救灾、航空通信、远程医疗等众多领域都有着广泛的应用，其天生具备广覆盖的特点，是部署偏远地区物联网终端的优选方案。FDMA和TDMA是应用最广泛的两种卫星通信体制，它们具有不同的技术特点和适用场景。其中，FDMA卫星通信系统对连续的大业务量数据传输效率很高，特别适合应急通信时的视频传输、基站接续等应用。

如图1所示，FDMA系统进行物联网数据传输采用的核心思想是轮询调度，即是让一部分卫星互联网终端共享某个频点，轮流发送数据。由于没有系统的时钟同步，需要预留保护时间，以确保不同位置的终端数据发送不会给干扰，因此导致资源利用率不高的问题出现。

TDMA卫星通信系统有利于突发数据的传输，所以更适于互联网和物联网应用。如图2所示，现有的MF-TDMA系统采用的是一种为实现共享传输介质的通信技术，它允许多个用户在不同的时间片(时隙)来使用相同的频率逐个传输数据，但是其采用的是IP化链路，由于传输层、网络层和数据链路层协议封装后占用字节数据太多，无法适用于低速、小量传输的使用场景。

实施例一

针对偏远地区的小量、非实时物联网数据，提出一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，用于高效、可靠地将数据回传到数据平台，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、通过协同网控中心与用户站建立通信链路；

步骤二、用户终端根据所述通信链路接入网控中心；

步骤三、所述用户终端与所述网控中心根据需求进行数据回传。

具体的，如图3所示，通过与网控中心与用户站的协同过程，完成用户入网、工作时隙分配以建立通信链路。如图4所示，用户终端根据所述通信链路接入网控中心的过程为：首先由网控中心初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号，如图5所示并广播用户终端的时隙计划和密钥信息；其次，用户终端配置TDM载波频点信息，并开始在频点上接收用户终端时隙计划参数；再次，根据用户终端时隙计划参数选择规划的TDMA载波和时隙设置工作参数；从次，用户终端工作参数设置完成后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作；最后，网控中心收到用户终端的入网参数后，发送数据通信密钥，用户终端使用数据通信密钥进行数据回传。

在进一步的实施例中，如图6所示，用户终端在接收到来自用户终端设备的数据后，需在本地进行封装，其中数据传输的过程如下：

步骤1、接收来自用户终端设备的数据并进行本地缓存；

步骤2、读取缓存中的数据进行应用层格式的封装，增加传输辅助信息；

步骤3、利用标准的GSE流对缓存中的数据进行封装；

步骤4、所述GSE流通过FPGA处理后，通过物理信道进行发送；

步骤5、网控中心接收到数据后进行反向解析，从而读取来自用户终端的数据。

在进一步的实施例中，为了节省用户带宽，在数据传输的过程中，应用层数据传输的消息的封装的格式如表1所示，该信令的底层封装头长度为2字节。

表1应用层封装格式表

在进一步的实施例中，数据通信链路建立后，用户终端开始回传数据，根据数据的可靠性要求，可采用不同的处理方式。如对数据的可靠性要求不高，则可采用无确认的发送方式进行数据传输，用户终端里面的业务处理程序发送完数据后即可将数据从内存中删除。对数据可靠性要求高，则需借鉴如图8所示的滑动窗口的方式进行实现。

实施例二

建立通信链路的过程中，网控中心发送的连续前向TDM载波信号划分为两种类型，其中一种为正常的TDM信号数据，用于网控中心配置信息广播和控制信令的发送；另一种为时钟同步信号，用于所有用户终端的时钟同步。返向链路中采用MF-TDMA传输体质，突发包含用户终端发送的业务数据和少量控制信令的TDMA信号。

在进一步的实施例中，网控中心发送连续前向TDM载波信号，其速率为64kbps，返向链路中，突发TDMA信号的速率为16kbps。TDMA信号按照1kbps进行时隙划分，分配16个时隙，可以支持16个用户进行数据回传，每个用户可占用速率的带宽为1kb/s。通过增加TDMA载波的数量，可以支持更多的终端用户。

前向的TDM速率为64kbps，由网控中心独享，网控中心需要计算前向TDM的利用率，在利用率接近100％的情况下，通过增加新的TDM载波可以扩展系统容量。由于前、反向载波速率小，对用户终端设备的要求低，所以可以利用较小口径的天线实现用户通信，使得设备价格也可以更加便宜，从而达到降低投入成本的目的。

实施例三

为了建立业务数据回传链路，终端用户需要获取与网控交互的发送的TDMA载波的频点和接收网控中心消息数据的TDM载波频点。本实施例采用的是用户终端中预设TDM载波的方式，在预先设置的TDM频点上接收给终端用户规划使用的TDMA频点信息和时隙信息，用以设置终端的工作参数，如图7所示，其链路建立的过程如下：

步骤1、网控中心中的网管系统建立TDM载波信息和TDMA载波信息后，网管系统开始定时广播规划信息和密钥信息。

步骤2、管理人员将用户终端加入通信链路。

步骤3、网控中心与用户终端建立起通信链路后，网管系统根据用户终端所需的保障速率为其规划工作的TDMA频点与时隙，指定其接收的TDM频点；当TDM或TDMA载波剩余的资源不满足用户需求时，为了给用户提供更好的服务，则开辟新的TDM或TDMA载波。

步骤4、规划好用户终端使用的资源之后，网管系统将用户终端的规划信息纳入到定时广播的信息内容中，实现定时广播中内容的更新。

步骤5、用户终端收到属于自己的广播信息后，解析广播信息，获取工作的TDMA频点和TDM频点，以及TDMA频点上的可用时隙，并记录保存；

步骤6、用户终端执行入网操作，发送加密的入网消息，所述入网消息携带其工作的TDM频点；

步骤7、网控中心收到用户终端入网消息，将用户终端的规划信息从定时广播中移除，减少前向TDM的额外开销，发送入网响应和业务通信密钥给用户终端进行业务传输，并再次指定用户使用的TDM频点。

在进一步的实施例中，网管系统定时广播的信息内容中包括TDMA信息广播表，其预定义为如下所示：

用户终端使用的时隙映照表格式定义可以如下：

终端标识
	时隙列表

实施例四

用户终端在工作一段时间后，由于人工关机、异常断电等情况，往往会出现用户终端开机重启的情况，针对此时的特殊情况，终端用户建立通信链路的过程如下：

步骤1、用户终端重启开机后，读取本地保存的参数，获取工作的TDMA频点、TDM频点，以及TDMA频点上的可用时隙；

步骤2、将用户终端置于TDM频点上，并接收广播消息，获取加密密钥；

步骤3、用户终端执行入网操作，发送加密的入网消息，所述入网消息携带其工作的TDM频点；

步骤4、网控中心收到用户终端入网消息，将用户终端的规划信息从定时广播中移除，减少前向TDM的额外开销，发送入网响应和业务通信密钥给用户终端进行业务传输，并再次指定用户使用的TDM频点。

实施例五

提出一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传系统，该系统具体包括：

用于建立通信链路的第一模块；

用于根据第一模块实现通信数据网络建立的第二模块；

用于进行数据回传的第三模块。

具体的，所述第一模块通过协同网控中心与用户站，建立两者之间的通信链路；所述第二模块通过所述第一模块建立的通信链路，完成用户终端与网控中心的连接，实现数据通信网络的组建；所述第三模块在第二模块建立的数据通信网络中进行数据回传。

在进一步的实施例中，第一模块实现网控中心与用户站建立通信链路的过程为：首先网控中心初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号；其次，用户终端配置TDM载波频点信息，并开始在频点上接收用户终端时隙计划参数；再次，根据用户终端时隙计划参数选择规划的TDMA载波和时隙设置工作参数；从次，用户终端工作参数设置完成后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作；最后，网控中心收到用户终端的入网参数后，发送数据通信密钥，用户终端使用数据通信密钥进行数据回传。

在进一步的实施例中，第二模块包括正常状态下的数据通信网络建立和出现异常情况下的通信网路建立。

正常情况下的通信链路建立过程为：首先，网控中心初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号；其次，网控中心广播所述用户终端的时隙计划参数和密钥信息；再次，用户终端根据所述TDM载波信号，配置TDM载波频点信息，并在当前频点上接收用户终端的时隙计划参数；从次，根据用户终端的时隙计划参数，规划TDMA载波信号和时隙设置工作参数，并完成对应配置；最后，用户终端完成工作参数设置后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作。

异常情况下的通信网路建立过程为：首先，用户终端重启开机后，读取本地保存的参数，获取工作的TDMA频点、TDM频点，以及TDMA频点上的可用时隙；其次，将用户终端置于TDM频点上，并接收广播消息，获取加密密钥；再次，用户终端执行入网操作，发送加密的入网消息，所述入网消息携带其工作的TDM频点；最后，网控中心收到用户终端入网消息，将用户终端的规划信息从定时广播中移除，发送入网响应和业务通信密钥给用户终端进行业务传输，并再次指定用户使用的TDM频点。

在进一步的实施例中，第三模块进行数回传数据时，根据数据可靠性需求，采用相对应的处理方式，进一步包括：当对数据的可靠性需求不高时，采用无确认的发送方式进行数据传输，用户终端里面的业务处理程序发送完数据后即可将数据从内存中删除；当对数据的可靠性需求高时，采用滑动窗口的方式进行数据传输。

本发明基于MF-TDMA原理，通过采用多低速前、反向的载波、预规划时隙、和简化的封装格式来进行低速、非实时物联网终端数据回传。能够有效的提供带宽利用率、较小设备体积、最终有效的降低用户成本。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、协同网控中心与用户终端建立通信链路；

步骤2、用户终端根据所述通信链路接入网控中心；

步骤3、所述用户终端与所述网控中心根据需求进行数据回传。

2.根据权利要求1所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，步骤1在建立通信链路的时，具体如下：

所述网控中心发送连续向前的TDM载波信号；所述TDM载波信号分为两种类型，一类用于网控中心配置广播的信息和控制信令的发送；另一类作为时钟同步信号，用于所有用户终端进行时钟同步；

所述网控中心的反向链路采用MF-TDMA传输体制，突发TDMA信号；所述TDMA信号包含用户终端发送的业务数据和控制信令；

根据TDMA信号发送的总速率按照预设速率进行时隙划分，用于进行数据回传，建立通信链路。

3.根据权利要求1所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，步骤2接入网控中心的步骤具体为：

所述网控中心初始化建立TDM载波信号和TDMA载波信号；

所述网控中心广播用户终端的所需的时隙计划参数和密钥信息；

所述用户终端根据所述TDM载波信号，配置TDM载波频点信息，并在当前频点上接收用户终端的时隙计划参数；

根据用户终端的时隙计划参数，规划TDMA载波信号和时隙设置工作参数，并完成对应配置；

所述用户终端完成工作参数设置后，加密发送入网信令，并开始执行入网操作；

所述网控中心接收到用户终端的入网信令后，发送数据通信密钥；

用户终端使用所述数据通信密钥进行数据回传。

4.根据权利要求1所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，步骤3中数据在进行回传时，用户终端在接收到来自物联网数据采集设备的数据后，需首先在本地进行封装，对应的数据传输过程如下：

步骤3.1、接收来自物联网数据采集设备的数据并进行本地缓存；

步骤3.2、读取缓存中的数据进行应用层格式的封装，增加传输辅助信息；

步骤3.3、利用标准的GSE流对缓存中的数据进行封装；

步骤3.4、所述GSE流通过FPGA处理后，通过物理信道进行发送；

步骤3.5、网控中心接收到数据后进行反向解析，从而读取来自用户终端的数据。

5.根据权利要求4所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，

在步骤3.2数据封装过程中，应用层数据传输消息封装的格式包括字段名、字段类型和对应的说明，封装后的信息底层封装头长度为2字节。

6.根据权利要求1所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，实现步骤2接入网控中心时，在出现异常情况下，用户终端出现重启时，用户终端接入网控中心的过程如下：

步骤2.1、用户终端重启开机后，读取本地保存的参数，获取工作的TDMA频点、TDM频点和TDMA频点上的可用时隙；

步骤2.2、将用户终端置于TDM频点上，接收广播消息，获取加密密钥；

步骤2.3、用户终端执行入网操作，发送加密的入网消息，所述入网消息携带其工作的TDM频点；

步骤2.4、网控中心收到用户终端入网消息，将用户终端的规划信息从定时广播中移除，并发送入网响应和业务通信密钥给用户终端进行业务传输，再次指定用户使用的TDM频点。

7.根据权利要求3所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，

网控中心广播用户终端的时隙计划参数和密钥信息时，涉及到的通信协议中包括TDMA信息广播表，所述TDMA信息广播表包括：频点、时隙周期、发送功率和终端使用时隙映照表。

8.根据权利要求7所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，

通信过程中用户终端使用的时隙映照表包括：终端标识和时隙列表。

9.根据权利要求1所述的一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法，其特征在于，

回传数据时，根据数据可靠性需求，采用相对应的处理方式，进一步包括：当对数据的可靠性需求不高时，采用无确认的发送方式进行数据传输，用户终端里面的业务处理程序发送完数据后即可将数据从内存中删除；当对数据的可靠性需求高时，采用滑动窗口的方式进行数据传输。

10.一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传系统，其特征在于，具体包括：

用于建立通信链路的第一模块；

用于根据第一模块实现通信数据网络建立的第二模块；

用于进行数据回传的第三模块；

所述第一模块通过协同网控中心与用户站，建立两者之间的通信链路；所述第二模块通过所述第一模块建立的通信链路，完成用户终端与网控中心的连接，实现数据通信网络的组建；所述第三模块在第二模块建立的数据通信网络中进行数据回传。

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