CN114257296B - 适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法，包括以下步骤：当用户遭遇险情时，用户终端根据位置信息获取情况，在波束预分配的反向ALOHA频点发送遇险呼叫信息；信关站持续监听所有ALOHA频点，在收到遇险呼叫信息后，立即在该波束内广播TDM信道，并发送应答信息；若用户终端在指定时间内未收到应答，则在ALOHA频点上循环发送遇险呼叫信息，直至接收到信管站应答，进行应急救生通信。本发优点为：应急救生全过程中用户终端和信关站之间不需进行信令交互，能够适应应急通信场景对时效性的严苛要求；前向链路与反向链路均采用Turbo编码方式进行数据编码，抗衰落、抗干扰能力强，能够适用于低信噪比条件下的救生信息传输。

Description

适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法。

背景技术

卫星通信具有广域覆盖、不受地形条件和地面基础设施建设条件限制的特点，能够支持深林、远洋、荒漠、高山、无人区等传统移动通信网络无法覆盖地域的信息传输，因此，适用于自然灾害、极端环境等条件下的应急救生通信。应急救生过程对于通信时效性具有较高要求，如何实现卫星移动通信用户终端遇险呼叫信息的高速高效接入，是卫星应急救生通信中必须解决的重要问题。此外，当灾害险情发生时，用户所处环境可能存在通信条件较差的情况，如何在低信噪比条件下完成卫星应急救生通信，同样是亟待解决的关键问题。

发明内容

针对应急救生环境中如何实现低信噪比条件下的高速高效的通信接入的问题，本发明公开了一种适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法，利用卫星通信系统来实现，该卫星通信系统由用户终端、通信卫星和信关站组成，当用户遭遇险情时，使用其用户终端向信关站进行应急救生通信，卫星通信系统应急救生通信所使用的信道包括ALOHA救生反向传输信道、TDM信道和广播信道，其中，ALOHA救生反向传输信道和TDM信道为应急救生通信专用信道，广播信道为常规通信和应急救生通信共用信道；该方法的步骤具体包括：

S1，每个通信卫星的波束预先分配ALOHA救生反向传输信道，并由信关站持续监听所有波束的ALOHA救生反向传输信道的频点上的信号，ALOHA救生反向传输信道的频点简称反向ALOHA频点；每个通信卫星的波束预留TDM信道所需频带，当无应急救生通信需求时，波束中不设置TDM信道，当存在应急救生通信需求时，在波束预留频带上设置TDM信道用于应急救生通信；

S2，当用户遭遇险情时，将其用户终端设置为应急救生模式，利用其用户终端进行遇险呼叫通信；

S3，用户终端通过其内置的定位系统获取其位置信息，若能成功获取其位置信息，则执行步骤S4，否则，执行步骤S5；

S4，用户终端根据其位置信息，确定自身所在的通信卫星的波束，再利用所在波束预分配的ALOHA救生反向传输信道的频点，向信关站发送遇险呼叫信息，并在该波束内监听信关站广播的TDM信道信息及应答信息，执行步骤S6；

所述的步骤S4，其具体为：

S41，用户终端将包含遇险呼叫信息的短消息数据封装为数据包；信关站将包含TDM信道信息及应答信息的短消息数据封装为数据包；

所述的短消息数据的字节长度为L，L应小于卫星通信系统所支持的最大短消息字节数，封装后得到的数据包字节长度为L+M，M为封装增加的字节长度；

S42，对于封装后得到的数据包，首先通过对其添加空闲码，将其补齐为卫星通信系统所设置的数据帧长的整数倍，进而根据该数据帧长将其分解为多个子数据包；

S43，利用Turbo编码对各子数据包中的数据进行编码，其中Turbo编码采用并行级联卷积方案，通过两个8状态的递归系统卷积码子码和一个交织器来实现，8状态的递归系统卷积码子码的生成多项式为：

其中，g₀(D)＝1+D²+D³，g₁(D)＝1+D+D³，D为延迟算子；

S44，在Turbo编码后的子数据包中插入独特码，并形成包含遇险呼叫信息或TDM信道信息的数据帧；独特码用于标注子数据包的起始位置；

S45，对步骤S44得到的数据帧进行调制，用户终端将调制后的数据帧发送至ALOHA救生反向传输信道，信关站将调制后的数据帧发送至广播信道。

S5，用户终端在预先设定的N个波束的反向ALOHA频点上循环发送遇险呼叫信息，同时在N个波束内循环扫描接收信关站广播的TDM信道信息及应答信息；

S6，信关站持续监听所有波束的反向ALOHA频点，在收到某波束上用户终端发送的遇险呼叫信息后，立即确定TDM信道信息并在该波束内广播TDM信道信息，并发送相应的应答信息，同时根据TDM信道中时隙的分配情况进行预扩容TDM信道频段分配；

所述的步骤S6，其具体包括：

S601，信关站接收到来自波束B的在反向ALOHA频点上用户终端发送的遇险呼叫信息后，根据波束B预留频带使用情况，判断该反向ALOHA频点是否已设置有TDM信道，若未设置有TDM信道，则执行步骤S602，若已设置有TDM信道，执行步骤S603；

S602，信关站在波束B预留频带上设置TDM信道，TDM信道的每帧包含T个时隙，设置未分配时隙集合A，并将每帧包含的全部时隙存入A；

S603，信关站读取未分配时隙集合A，A中存储的时隙个数为N，若N＞0，则按时隙序号从小到大的顺序，从A中选取时隙τ用于该用户终端的应急救生通信，若N＝0，执行步骤S606；

S604，判断N与

的大小，其中δ为预扩容系数，若

判断是否已设置预扩容TDM信道频段，若已设置，则取消设置该预扩容TDM信道频段，执行步骤S607，若未设置，则直接执行步骤S607；若

执行步骤S605；

S605，判断是否已设置预扩容TDM信道频段，若已设置，则执行步骤S607，否则，从波束B用于常规通信的频段中，选择未占用的频段作为预扩容TDM信道频段，执行步骤S607；

信关站以最小化预扩容TDM信道频段与波束B用于常规通信的频段的边界距离为第一目标函数，记为g1，以最小化未占用频段宽度与预扩容TDM信道频段宽度的比值为第二目标函数，记为g2，构建预扩容TDM信道频段的选择模型，其表达式为：

其中，f_u、f_l、w分别为预扩容TDM信道频段的频率上限、频率下限和频段宽度，F_u、F_l分别为波束B用于常规通信的频段的频率上限和频率下限，W_avb为预扩容TDM信道频段所处常规通信频段中的未占用频段的宽度；

通过对波束B的未占用频段进行遍历，确定满足上述选择模型的频段，作为预扩容TDM信道频段；预扩容TDM信道频段选定后，信关站将不再将波束B上的上述频段用作常规通信，直至预扩容TDM信道频段取消；

S606，在预扩容TDM信道频段上，设置新的包含T个时隙的TDM信道和未分配时隙集合A，并将上述全部时隙存入A，执行S603；

S607，信关站将所选取时隙τ从已分配时隙集合A中删除，根据选取的时隙，形成TDM信道信息，并在该波束内广播应答信息和TDM信道信息；

S608，信关站在TDM信道的时隙τ上等待用户终端发送的应急救生通信信息，若在预先设定的时长内收到应急救生通信信息，则正常进行应急救生通信，反之，则将τ从集合A中删除，并判断A是否为空，若是，则释放该TDM信道，反之，不进行操作。

S7，如果用户终端在设定的时间阈值内没有收到信关站广播的TDM信道信息或应答信息，则返回步骤S5，若用户终端在设定的时间阈值内收到信关站广播的TDM信道信息或应答信息，用户终端根据TDM信道信息设定TDM信道所对应的频点和时隙，并与信关站在该TDM信道上进行应急救生通信。

本发明具有如下优点：

1、本发明的应急救生通信方法采用反向ALOHA突发与前向TDM信道广播的方式进行通信，全过程中用户终端和信关站之间不需进行信令交互，能够适应应急通信场景对时效性的严苛要求；

2、本发明的应急救生通信方法的前向链路与反向链路均采用Turbo编码方式进行数据编码，抗衰落、抗干扰能力强，能够适用于低信噪比条件下的救生信息传输。

附图说明

图1为本发明中卫星应急救生通信传输流程示意图。

具体实施方式

下面给出了本发明的一个实施例，对其进行详细描述。

如图1所示，本发明公开了一种适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法，利用卫星通信系统来实现，该卫星通信系统由用户终端、通信卫星和信关站组成，当用户遭遇险情时，使用其用户终端向信关站进行应急救生通信，卫星通信系统应急救生通信所使用的信道包括ALOHA救生反向传输信道、TDM信道和广播信道，其中，ALOHA救生反向传输信道和TDM信道为应急救生通信专用信道，广播信道为常规通信和应急救生通信共用信道；该方法的步骤具体包括：

S1，每个通信卫星的波束预先分配ALOHA救生反向传输信道，并由信关站持续监听所有波束的ALOHA救生反向传输信道的频点上的信号，ALOHA救生反向传输信道的频点简称反向ALOHA频点；每个通信卫星的波束预留TDM信道所需频带，当无应急救生通信需求时，波束中不设置TDM信道，当存在应急救生通信需求时，在波束预留频带上设置TDM信道用于应急救生通信；

S2，当用户遭遇险情时，将其用户终端设置为应急救生模式，利用其用户终端进行遇险呼叫通信；

S3，用户终端通过其内置的定位系统获取其位置信息，若能成功获取其位置信息，则执行步骤S4，否则，执行步骤S5；

S4，用户终端根据其位置信息，确定自身所在的通信卫星的波束，再利用所在波束预分配的ALOHA救生反向传输信道的频点，向信关站发送遇险呼叫信息，并在该波束内监听信关站广播的TDM信道信息及应答信息，执行步骤S6；

所述的步骤S4，其具体为：

S41，用户终端将包含遇险呼叫信息的短消息数据封装为数据包；信关站将包含TDM信道信息及应答信息的短消息数据封装为数据包；

所述的短消息数据的字节长度为L，L应小于卫星通信系统所支持的最大短消息字节数，封装后得到的数据包字节长度为L+M，M为封装增加的字节长度；

S42，对于封装后得到的数据包，首先通过对其添加空闲码，将其补齐为卫星通信系统所设置的数据帧长的整数倍，进而根据该数据帧长将其分解为多个子数据包；

S43，利用Turbo编码对各子数据包中的数据进行编码，其中Turbo编码采用并行级联卷积方案，通过两个8状态的递归系统卷积码子码和一个交织器来实现，8状态的递归系统卷积码子码的生成多项式为：

其中，g₀(D)＝1+D²+D³，g₁(D)＝1+D+D³，D为延迟算子；

S44，在Turbo编码后的子数据包中插入独特码，并形成包含遇险呼叫信息或TDM信道信息的数据帧；独特码用于标注子数据包的起始位置；

S45，对步骤S44得到的数据帧进行调制，用户终端将调制后的数据帧发送至ALOHA救生反向传输信道，信关站将调制后的数据帧发送至广播信道。

S5，用户终端在预先设定的N个波束的反向ALOHA频点上循环发送遇险呼叫信息，同时在N个波束内循环扫描接收信关站广播的TDM信道信息及应答信息；

S6，信关站持续监听所有波束的反向ALOHA频点，在收到某波束上用户终端发送的遇险呼叫信息后，立即确定TDM信道信息并在该波束内广播TDM信道信息，并发送相应的应答信息，同时根据TDM信道中时隙的分配情况进行预扩容TDM信道频段分配；

所述的步骤S6，其具体包括：

S601，信关站接收到来自波束B的在反向ALOHA频点上用户终端发送的遇险呼叫信息后，根据波束B预留频带使用情况，判断该反向ALOHA频点是否已设置有TDM信道，若未设置有TDM信道，则执行步骤S602，若已设置有TDM信道，执行步骤S603；

S602，信关站在波束B预留频带上设置TDM信道，TDM信道的每帧包含T个时隙，设置未分配时隙集合A，并将每帧包含的全部时隙存入A；

S603，信关站读取未分配时隙集合A，A中存储的时隙个数为N，若N＞0，则按时隙序号从小到大的顺序，从A中选取时隙τ用于该用户终端的应急救生通信，若N＝0，执行步骤S606；

S604，判断N与

的大小，其中δ为预扩容系数，若

判断是否已设置预扩容TDM信道频段，若已设置，则取消设置该预扩容TDM信道频段，执行步骤S607，若未设置，则直接执行步骤S607；若

执行步骤S605；

S605，判断是否已设置预扩容TDM信道频段，若已设置，则执行步骤S607，否则，从波束B用于常规通信的频段中，选择未占用的频段作为预扩容TDM信道频段，执行步骤S607；

信关站以最小化预扩容TDM信道频段与波束B用于常规通信的频段的边界距离为第一目标函数，记为g1，以最小化未占用频段宽度与预扩容TDM信道频段宽度的比值为第二目标函数，记为g2，构建预扩容TDM信道频段的选择模型，其表达式为：

其中，f_u、f_l、w分别为预扩容TDM信道频段的频率上限、频率下限和频段宽度，F_u、F_l分别为波束B用于常规通信的频段的频率上限和频率下限，W_avb为预扩容TDM信道频段所处常规通信频段中的未占用频段的宽度；

通过对波束B的未占用频段进行遍历，确定满足上述选择模型的频段，作为预扩容TDM信道频段；预扩容TDM信道频段选定后，信关站将不再将波束B上的上述频段用作常规通信，直至预扩容TDM信道频段取消；

S606，在预扩容TDM信道频段上，设置新的包含T个时隙的TDM信道和未分配时隙集合A，并将上述全部时隙存入A，执行S603；

S607，信关站将所选取时隙τ从已分配时隙集合A中删除，根据选取的时隙，形成TDM信道信息，并在该波束内广播应答信息和TDM信道信息；

S608，信关站在TDM信道的时隙τ上等待用户终端发送的应急救生通信信息，若在预先设定的时长内收到应急救生通信信息，则正常进行应急救生通信，反之，则将τ从集合A中删除，并判断A是否为空，若是，则释放该TDM信道，反之，不进行操作。

S7，如果用户终端在设定的时间阈值内没有收到信关站广播的TDM信道信息或应答信息，则返回步骤S5，若用户终端在设定的时间阈值内收到信关站广播的TDM信道信息或应答信息，用户终端根据TDM信道信息设定TDM信道所对应的频点和时隙，并与信关站在该TDM信道上进行应急救生通信。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法，其特征在于，利用卫星通信系统来实现，该卫星通信系统由用户终端、通信卫星和信关站组成，当用户遭遇险情时，使用其用户终端向信关站进行应急救生通信，卫星通信系统应急救生通信所使用的信道包括ALOHA救生反向传输信道、TDM信道和广播信道，其中，ALOHA救生反向传输信道和TDM信道为应急救生通信专用信道，广播信道为常规通信和应急救生通信共用信道；该方法的步骤具体包括：

S1，每个通信卫星的波束预先分配ALOHA救生反向传输信道，并由信关站持续监听所有波束的ALOHA救生反向传输信道的频点上的信号，ALOHA救生反向传输信道的频点简称反向ALOHA频点；每个通信卫星的波束预留TDM信道所需频带，当无应急救生通信需求时，波束中不设置TDM信道，当存在应急救生通信需求时，在波束预留频带上设置TDM信道用于应急救生通信；

S2，当用户遭遇险情时，将其用户终端设置为应急救生模式，利用其用户终端进行遇险呼叫通信；

S3，用户终端通过其内置的定位系统获取其位置信息，若能成功获取其位置信息，则执行步骤S4，否则，执行步骤S5；

S4，用户终端根据其位置信息，确定自身所在的通信卫星的波束，再利用所在波束预分配的ALOHA救生反向传输信道的频点，向信关站发送遇险呼叫信息，并在该波束内监听信关站广播的TDM信道信息及应答信息，执行步骤S6；

S5，用户终端在预先设定的N个波束的反向ALOHA频点上循环发送遇险呼叫信息，同时在N个波束内循环扫描接收信关站广播的TDM信道信息及应答信息；

S6，信关站持续监听所有波束的反向ALOHA频点，在收到某波束上用户终端发送的遇险呼叫信息后，立即确定TDM信道信息并在该波束内广播TDM信道信息，并发送相应的应答信息，同时根据TDM信道中时隙的分配情况进行预扩容TDM信道频段分配；

S7，如果用户终端在设定的时间阈值内没有收到信关站广播的TDM信道信息或应答信息，则返回步骤S5，若用户终端在设定的时间阈值内收到信关站广播的TDM信道信息或应答信息，用户终端根据TDM信道信息设定TDM信道所对应的频点和时隙，并与信关站在该TDM信道上进行应急救生通信。

2.如权利要求1所述的适用于低信噪比的信令免交互卫星应急救生通信方法，其特征在于，

所述的步骤S4，其具体为：

S41，用户终端将包含遇险呼叫信息的短消息数据封装为数据包；信关站将包含TDM信道信息及应答信息的短消息数据封装为数据包；

所述的短消息数据的字节长度为L，L应小于卫星通信系统所支持的最大短消息字节数，封装后得到的数据包字节长度为L+M，M为封装增加的字节长度；

S42，对于封装后得到的数据包，首先通过对其添加空闲码，将其补齐为卫星通信系统所设置的数据帧长的整数倍，进而根据该数据帧长将其分解为多个子数据包；

S43，利用Turbo编码对各子数据包中的数据进行编码，其中Turbo编码采用并行级联卷积方案，通过两个8状态的递归系统卷积码子码和一个交织器来实现，8状态的递归系统卷积码子码的生成多项式为：

其中，g₀(D)＝1+D²+D³，g₁(D)＝1+D+D³，D为延迟算子；

S44，在Turbo编码后的子数据包中插入独特码，并形成包含遇险呼叫信息或TDM信道信息的数据帧；独特码用于标注子数据包的起始位置；

S45，对步骤S44得到的数据帧进行调制，用户终端将调制后的数据帧发送至ALOHA救生反向传输信道，信关站将调制后的数据帧发送至广播信道。

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