CN114449580A - 一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法 - Google Patents

一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，包括(1)虚拟连续信道映射：层间接口界定，管控系统给终端分配载波和时隙资源，为每个终端分配一个ID来进行识别；(2)终端唯一标识及分配：卫星终端入网即分配临时身份SE‑ID；(3)物理层分段及适配：物理层突发固定插入含SE‑ID的突发指示，标记每个终端发送的突发数据；(4)数据重组：星上解调器按SE‑ID设置若干个重组缓存队列；突发解调后将分段送往指定SE‑ID的缓存队列进行链路帧重组。本发明极大提高链路带宽利用率和系统使用效能，适用于所有基于MF‑TDMA体制的无线通信尤其是卫星通信系统。

Description

一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法
技术领域
本发明涉及一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，属于星载数字处理技术领域。
背景技术
随着地面IP网络和移动互联网的快速发展，兼容和实现IP组网通信成为卫星通信系统发展的必然。在地面移动互联网以及卫星通信系统中均支持变长分组的传输，无线空口数据传输均面临将长数据分组进行分段传输后在接收端进行重组的问题。在地面LTE移动通信系统中，在无线空口协议的MAC层专门定义了一个RLC子层，负责完成数据的分段、串接和重组。
在卫星通信系统中，常用的数据分段和重组方式为网络层IP包分段重组、以及类似RLC子层的卫星MAC帧分段重组，但均存在链路带宽利用率较低的问题，传输64B-1518B随机包长的带宽利用率约为40％-70％。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，通过在物理层突发时隙中固定插入临时终端序列号的方式，终端不同载波和时隙承载的时分信道组合虚拟为一个逻辑连续信道，数据信息按连续信道进行串接后适配到物理突发上进行发送，在星载解调器完成突发解调后将对应数据段发往指定SE-ID的缓存队列进行缓存和链路帧重组，极大提高链路带宽利用率和系统使用效能，适用于所有基于MF-TDMA体制的无线通信尤其是卫星通信系统。
本发明解决技术的方案是：
一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，步骤包括：
(1)虚拟连续信道映射：层间接口界定，管控系统给终端分配载波和时隙资源，以载波编号顺序和时隙先后顺序将物理信道虚拟为逻辑连续信道，数据信息按连续信道进行串接和队列管理，并为每个终端分配一个ID来进行识别；
(2)终端唯一标识及分配：卫星终端入网即分配临时身份SE-ID，位宽大小由系统规划的终端规模和星上重组资源消耗量决定，终端退网或移动性切换时SE-ID回收，使得数据分段重组与终端编址编号解耦；
(3)物理层分段及适配：物理层突发固定插入含SE-ID的突发指示，标记每个终端发送的突发数据；在物理层按虚拟连续信道对应的突发时隙顺序将链路帧分段按序映射至各载波时隙突发中；
(4)数据重组：星上解调器按SE-ID设置若干个重组缓存队列；突发解调后将分段送往指定SE-ID的缓存队列进行链路帧重组；根据帧分段尾标识重组输出一个或多个完整的卫星链路帧，轮询所有重组缓存队列的帧分段尾标识并将重组好的卫星链路帧输出。
进一步的，步骤(1)中，层间接口界定：定义物理层与链路层之间接口协议传输完整的链路帧。
进一步的，步骤(3)中，发送的突发数据：每个物理突发时隙发送数据需包含SE-ID，顺序按逻辑连续信道的物理信道突发码块长度将串接的数据进行截取，将SE-ID添加在码块前部后进行编码调制发送。
进一步的，步骤(2)中，位宽与系统波束下支持的终端规模之间的关系为：2X≥Y，其中，X表示SE-ID的位宽，Y表示系统单个卫星波束下支持同时在网终端要求的数量。
进一步的，步骤(1)中，数据信息按连续信道进行串接和按单一队列进行管理。
进一步的，步骤(3)中，终端根据分配的时隙资源所确定的物理层帧能力，需将连续信道缓存队列的数据按时隙承载分段大小进行读取，然后根据时间顺序将不同数据分段按编号顺序先后适配到所能支配的时隙突发中。
进一步的，步骤(2)中，采用在每个物理突发起始嵌入固定长度突发指示头B-Head的方式，将每个卫星终端的数据分段均进行标记，指示源终端临时身份序列号。
进一步的，步骤(4)中，星上解调器设置若干个重组缓存队列，按SE-ID进行队列编号，卫星接收上行链路信号后按物理突发进行解调，然后根据解调出数据码块的突发指示头B-Head中临时身份SE-ID，将分段送往指定临时身份SE-ID的缓存队列；
发送时链路帧分段顺序发送，解调后得到的顺序的分段，缓存队列判断写入突发物理帧码块含帧分段尾标识后，即可重组输出一个或多个完整的卫星链路帧；根据帧分段尾标识轮询所有重组缓存队列并将重组好的链路帧输出。
进一步的，卫星网络管控在分配给终端多个载波上的时隙资源时，给各载波固定编号，同时制定顺序，在星上解调后同一时间段的的时隙按载波顺序写入指定缓存队列，确保写入任意重组缓存队列的数据分段顺序正确。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明在物理层时隙突发上插入固定开销(典型如2字节)指示分段所属的终端ID和分段头尾标识，在星上解调后根据终端SE-ID进行队列缓存和链路帧重组，实现方式简单高效、资源开销小、可用FPGA实现高带宽线速处理。
(2)本发明数据分段和重组可实现与系统无线空口物理层体制解耦，与系统的编址编号体制解耦；
(3)本发明无线链路带宽利用率可实现阶跃式提升，达98％以上。
附图说明
图1为数据分段与物理层适配方法示意图；
图2为突发指示头(B-Head)示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，步骤包括：
(1)虚拟连续信道映射：层间接口界定，管控系统给终端分配载波和时隙资源，以载波编号顺序和时隙先后顺序将物理信道虚拟为逻辑连续信道，即将MF-TDMA体制下终端不同载波和时隙承载的时分信道组合通过统一标识符虚拟为一个逻辑连续信道，数据信息按连续信道进行串接和队列管理，并为每个终端分配一个ID来进行识别；
(2)终端唯一标识及分配：卫星终端入网即分配临时身份SE-ID，位宽大小由系统规划的终端规模和星上重组资源消耗量决定，终端退网或移动性切换时SE-ID回收，使得数据分段重组与终端编址编号解耦；
(3)物理层分段及适配：物理层突发固定插入含SE-ID的突发指示，标记每个终端发送的突发数据；在物理层按虚拟连续信道对应的突发时隙顺序将链路帧分段按序映射至各载波时隙突发中；
(4)数据重组：星上解调器按SE-ID设置若干个重组缓存队列；突发解调后将分段送往指定SE-ID的缓存队列进行链路帧重组；根据帧分段尾标识重组输出一个或多个完整的卫星链路帧，轮询所有重组缓存队列的帧分段尾标识并将重组好的卫星链路帧输出。
实施例
1、层间接口界定
本发明提出的卫星链路帧分段和重组方法在卫星无线空口物理层实现，定义卫星物理层与链路层之间的接口协议传输完整的卫星链路帧。
2、唯一性标识
卫星终端入网后，由卫星网络管控给分配一个其所属卫星业务波束下的临时身份序号(SE-ID)，该序列号标示了卫星终端在该波束下的唯一身份，在卫星终端退网或切换至其他卫星业务波束时由网络管控收回。
SE-ID的长度代表了每个业务波束下支持同时在网的卫星终端数量，其位宽设置遵循公式1要求，其中X表示SE-ID的位宽，Y表示系统单个卫星波束下支持同时在网终端数量要求；例如系统要求单个波束下最大支持1000个终端同时在网，则SE-ID的位宽设置为10。
位宽与系统波束下支持的终端规模之间的关系为：
2X≥Y (1)
SE-ID的位宽同时还影响到星上基带处理实现所需的资源，主要是缓存队列资源。支持系统要求的终端数越多，SE-ID位宽更大需求的资源越大；相反资源消耗就小。因此，SE-ID的位宽设置是需对系统要求和资源消耗的综合设计结果。
3、信道映射和数据串接
卫星终端入网后，卫星网络管控系统根据其发送的上行链路资源申请，分配相应的链路载波和时隙资源。
每个卫星终端将管控系统分配的载波和时隙资源，按载波编号顺序和时隙先后顺序将物理信道虚拟为逻辑连续信道，然后将上层传递到链路层的数据信息(封装到卫星链路帧中)按连续信道要求进行串接，并按单一队列进行管理。
4、物理层数据分段与适配
定义卫星MF-TDMA无线空口体制中某一载波上的一个时隙为一个物理层突发，对应一个物理层帧，物理层帧根据载波带宽、速率档、编码调制方式等不同其大小不等。终端根据分配的时隙资源所确定的物理层帧能力，需将连续信道缓存队列的数据按时隙承载分段大小进行读取，然后根据时间顺序将不同数据分段按编号顺序先后适配到所能支配的时隙突发中。
本发明中采用在每个物理突发起始嵌入固定长度突发指示头(B-Head)的方式，将每个卫星终端的数据分段均进行标记，指示源终端临时身份序列号。
具体物理层适配方法如图1所示。B-Head定义示例：包含SE-ID、分段标识和校验字段，典型位宽16bit，如图2所示。
SE-ID(10bit)：支持单个波束下最多1024个终端同时在网。
分段标识(2bit)：T，帧分段头标识，指示物理层帧中含卫星链路帧起始段；L，帧分段尾标识，指示物理层帧中含卫星链路帧结束分段。
Figure BDA0003427281540000051
Figure BDA0003427281540000061
校验位(4bit)：主要用于SE-ID和分段标识的传输正确性校验，可采用奇偶校验或CRC校验等。
5、星上数据重组
星上解调器设置若干个重组缓存队列，按SE-ID进行队列编号。卫星接收上行链路信号后按物理突发进行解调，然后根据解调出数据码块的B-Head中SE-ID，将分段送往指定SE-ID的缓存队列。
由于发送时链路帧分段顺序发送，解调后得到的分段也是顺序的，因此缓存队列判断写入突发物理帧码块含帧分段尾标识后，即可重组输出一个或多个完整的卫星链路帧。根据帧分段尾标识轮询所有重组缓存队列并及时将重组好的链路帧输出。
卫星网络管控在分配给终端多个载波上的时隙资源时，要求给各载波固定编号，同时制定顺序，在星上解调后同一时间段的的时隙按载波顺序写入指定缓存队列。按此规则可确保写入任意重组缓存队列的数据分段顺序正确。
本发明针对无线通信系统无线空口协议体制的数据分段与重组效率不高的问题，提出一种适用于卫星MF-TDMA无线空口体制的物理层数据分段和重组方法，通过在物理层突发时隙中固定插入临时终端序列号(SE-ID，Satellite Equipment-ID)的方式，将不同载波和时隙承载的时分信道组合虚拟为一个逻辑连续信道，数据信息按连续信道进行串接后适配到物理突发上进行发送，在卫星上行接收完成突发解调后将对应数据段发往指定SE-ID的缓存队列进行缓存和链路帧重组。本发明中设计的卫星链路帧数据物理层分段和重组方法实现简单、资源消耗小、可极大的提高卫星无线空口的链路带宽利用率，经过理论计算链路带宽利用率可达98％以上。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤包括：
(1)虚拟连续信道映射：层间接口界定，管控系统给终端分配载波和时隙资源，以载波编号顺序和时隙先后顺序将物理信道虚拟为逻辑连续信道，数据信息按连续信道进行串接和队列管理，并为每个终端分配一个ID来进行识别；
(2)终端唯一标识及分配：卫星终端入网即分配临时身份SE-ID，位宽大小由系统规划的终端规模和星上重组资源消耗量决定，终端退网或移动性切换时SE-ID回收，使得数据分段重组与终端编址编号解耦；
(3)物理层分段及适配：物理层突发固定插入含SE-ID的突发指示，标记每个终端发送的突发数据；在物理层按虚拟连续信道对应的突发时隙顺序将链路帧分段按序映射至各载波时隙突发中；
(4)数据重组：星上解调器按SE-ID设置若干个重组缓存队列；突发解调后将分段送往指定SE-ID的缓存队列进行链路帧重组；根据帧分段尾标识重组输出一个或多个完整的卫星链路帧，轮询所有重组缓存队列的帧分段尾标识并将重组好的卫星链路帧输出。
2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(1)中，层间接口界定：定义物理层与链路层之间接口协议传输完整的链路帧。
3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(3)中，发送的突发数据：每个物理突发时隙发送数据需包含SE-ID，顺序按逻辑连续信道的物理信道突发码块长度将串接的数据进行截取，将SE-ID添加在码块前部后进行编码调制发送。
4.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(2)中，位宽与系统波束下支持的终端规模之间的关系为：2X≥Y，其中，X表示SE-ID的位宽，Y表示系统单个卫星波束下支持同时在网终端要求的数量。
5.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(1)中，数据信息按连续信道进行串接和按单一队列进行管理。
6.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(3)中，终端根据分配的时隙资源所确定的物理层帧能力，需将连续信道缓存队列的数据按时隙承载分段大小进行读取，然后根据时间顺序将不同数据分段按编号顺序先后适配到所能支配的时隙突发中。
7.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(2)中，采用在每个物理突发起始嵌入固定长度突发指示头B-Head的方式，将每个卫星终端的数据分段均进行标记，指示源终端临时身份序列号。
8.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，步骤(4)中，星上解调器设置若干个重组缓存队列，按SE-ID进行队列编号，卫星接收上行链路信号后按物理突发进行解调，然后根据解调出数据码块的突发指示头B-Head中临时身份SE-ID，将分段送往指定临时身份SE-ID的缓存队列；
发送时链路帧分段顺序发送，解调后得到的顺序的分段，缓存队列判断写入突发物理帧码块含帧分段尾标识后，即可重组输出一个或多个完整的卫星链路帧；根据帧分段尾标识轮询所有重组缓存队列并将重组好的链路帧输出。
9.根据权利要求8所述的一种卫星通信系统物理层数据分段和重组方法，其特征在于，卫星网络管控在分配给终端多个载波上的时隙资源时，给各载波固定编号，同时制定顺序，在星上解调后同一时间段的的时隙按载波顺序写入指定缓存队列，确保写入任意重组缓存队列的数据分段顺序正确。
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