CN114629544B

CN114629544B - 一种融合5g技术实现测控的方法

Info

Publication number: CN114629544B
Application number: CN202210223206.5A
Authority: CN
Inventors: 叶枫; 唐军; 李典; 张毅; 汤辉
Original assignee: Chengdu Days Austrian Group Co ltd
Current assignee: Chengdu Days Austrian Group Co ltd
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2042-03-09
Also published as: CN114629544A

Abstract

本发明提出了一种融合5G技术实现测控的方法，属于测控领域。将遥测数据和遥控指令作为业务数据进行调度；定义专用的遥测业务无线承载和遥控业务无线承载；第一节点识别遥控业务QoS流并映射到遥控业务无线承载；第一节点采用动态调度方式调度第二节点进行遥控业务传输；第二节点生成遥测业务QoS流并映射到遥测业务无线承载；第一节点采用半静态调度方式调度第二节点进行遥测业务传输。在卫星通信系统或者其他地面与飞行器通信的系统中，实现了5G移动通信技术与测控技术的融合，利用同一套设备和系统即能基于5G空口技术实现对飞行器等形态终端的遥测遥控，扩展了5G技术的应用场景，也为飞行器测控通信提供了融合5G技术的新技术方案。

Description

一种融合5G技术实现测控的方法

技术领域

本发明属于测控技术领域，特别是利用5G技术的测控方法。

背景技术

传统的测控(TT&C)包含了对航天/航空飞行器进行跟踪测量、遥测与遥控，包括导弹、卫星、飞船、空间站、深空探测器、临近空间飞行器、巡航导弹、无人机、飞艇、气球等都是测控的对象。测控信息系统利用跟踪测轨设备获得飞行器的轨道信息，利用各种传感器获得遥测信息，利用遥控设备产生指令信息，再将这些信息进行变换后调制在载波信号上进行远距离传输，传输到接收端后再进行解调和处理，最后进行各种相关应用。对于传统的飞行器测控通信系统，地面与飞行器的通信过程通常用来传输测控信息，或者中低速数据信息。

随着技术的发展，测控与信息传输已有机地联系在一起，密不可分。首先是出现了多副载波频分制的统一载波信号和统一数据流的扩频信号等统一信号形式；其次在设备上，测控与信息传输设备已经被综合在一起，出现了多功能的综合信道设备和多功能的综合基带设备；再是从专业领域上讲，遥测、遥控本身就是要对信息进行远距离传输，随着软件无线电技术的发展，对它们的处理更是统一到一个共用平台和软件上。虽然从上世纪60年代开始，统一S频段系统 (USB)就开始得到应用，CCSDS所定义的遥测、遥控、高级在轨系统(AOS)等统一的数据链路协议也由来已久，但从整体来看，目前在航天/航空领域通信与测控依旧是相对独立的两套系统，特别是对于类似卫星互联网系统这样的卫星宽带移动通信系统，其通信系统本身并不具备测控功能，还必须与测控系统、运行管理系统配合才能保持整个系统的运行。

在移动通信系统中，4G技术是当前应用最为广泛的陆地移动通信技术，5G的商用则在近年来开始迅速推广普及，同时，这些移动通信技术也开始与卫星通信进行技术融合。在卫星通信领域，为了实现“空天地一体化”的愿景，将5G等地面移动通信技术与卫星通信技术相融合，也必将是卫星互联网系统设计与建设的原则。随着5G的演进发展，在5G标准内支持卫星通信，推动星地融合已经势在必行。

4G/5G的空口采用基于OFDM波形的通信体制，这与传统测控通信系统中采用扩频信号的通信体制有所不同。因此，要在卫星通信或其他“空-地”、“天-地”通信系统中，在采用一套系统及设备的基础上，即实现基于5G技术的宽带通信，又要实现遥测、遥控功能，目前尚无现成的技术手段。

目前尚没有使用5G空口技术实现测控功能，传输遥测遥控数据的现有技术。相关的现有技术为基于扩频信号体制的统一载波测控系统。统一载波测控系统是将测轨、遥测、遥控信号采用时分或频分方式调制在一个载波上，实现对飞行器跟踪、测量、控制甚至是与地面的通信数传等功能。统一载波测控系统基于扩频体制，无法直接应用于基于多载波OFDM信号体制的卫星互联网系统。此外，传统的统一载波测控系统实现的数传功能通常为中低速数传，不能满足卫星互联网大带宽传输需求。

发明内容

本发明将解决在卫星通信及其他需要同时进行数据通信以及测控通信的系统中，采用基于5G 的空口体制实现飞行器遥测遥控的问题。

本发明提出了一种在基于5G技术的空口体制下实现遥测遥控的方法；定义专用的遥测业务无线承载和遥控业务无线承载；第一节点识别遥控业务QoS流并映射到遥控业务无线承载；第一节点采用动态调度方式调度第二节点进行遥控业务传输；第二节点生成遥测业务QoS流并映射到遥测业务无线承载；第一节点采用半静态调度方式调度第二节点进行遥测业务传输。

本发明技术方案为：一种融合5G技术实现测控的方法，该方法包括遥测业务传输和遥控业务传输；

所述遥测业务传输步骤包括：

步骤1：测控节点之间完成下行和上行同步，并建立RRC(无线资源控制)连接；

步骤2：测控目标节点与核心网(核心网是移动通信网络架构中的一部分，在这里是指应用本发明的测控通信系统的核心网)建立PDU(协议数据单元)会话，在PDU会话中包含面向遥测业务的QoS(服务质量)流，该QoS流具有QoS配置包含5QI、ARP、QFI、保证流比特率、最大流比特率和最大丢包率；

步骤3：RRC连接建立后，测控节点通过RRC高层信令向测控目标节点下发RRC重配置消息， RRC重配置消息中包含与上行免授权调度相关的配置的授权配置信息；

所述上行免授权调度的具体方式为以下两种方式中的一种：

方式1，上行免授权调度信息由配置的授权配置信息指示，配置的授权配置信息包括：时域资源、频域资源、调制编码方案(MCS)、天线端口、SRS资源指示、解调参考信号(DM-RS)、RV 模式；测控目标节点收到配置的授权配置信息后立即开始上行传输；

方式2，测控目标节点收到配置的授权配置信息后根据相关字段解析出免授权调度信息，不激活上行免授权传输，而是开始等待由CS-RNTI(配置调度无线网络临时标识)加扰的DCI(下行控制信息)来指示激活；终端在收到CS-RNTI加扰的DCI后激活上行免授权传输，传输时所使用的时频域资源、调制编码方案包含在CS-RNTI加扰的DCI中；

步骤4：测控目标节点实时收集节点的状态信息，包括：测控目标节点的温度、电压、电流、功率，收集完毕后生成遥测信息，并存储；

步骤5：测控目标节点将缓存的遥测信息生成遥测信息数据包，再根据预先定义的QoS规则，将这些数据包关联到遥测业务QoS流；

步骤6：测控目标节点通过SDAP(服务数据配置协议)层将遥测业务QoS流映射到遥测业务无线承载上；遥测业务无线承载在RLC(无线链路控制)层产生RLC包头、分段、添加RLC头；

步骤7：测控目标节点MAC层(介质访问控制层)根据接收到的配置的授权配置信息或者通过 CS-RNTI加扰的DCI所指示的免授权调度信息完成调度，将遥测业务无线承载对应的逻辑信道的RLC(无线链路控制)PDU映射到MAC PDU上，再将MAC PDU映射到免授权调度信息中指定的时频资源上；

步骤8：测控节点根据免授权调度的配置，在相应的时频资源上接收不同测控目标节点发送的 PUSCH(物理上行共享信道)，然后恢复出遥测信息数据包，发送给测控中心或其他网络功能实体；

所述遥控业务传输步骤包括：

步骤1：测控节点广播下行同步信号，测控目标节点检测该下行同步信号，完成与测控节点的同步，同步完成后，测控目标节点向测控节点发送随机接入前导序列，并建立RRC(无线资源控制)连接；

步骤2：测控目标节点与核心网建立PDU(协议数据单元)会话，在PDU会话中包含面向遥测业务的QoS(服务质量)流，该QoS流具有QoS配置包含5QI、ARP、QFI、保证流比特率、最大流比特率和最大丢包率；

步骤3：测控节点从测控中心或其他网络功能实体获得针对测控目标节点的遥控指令后，生成遥控信息数据包，根据预先定义的QoS规则，将这些遥控信息数据包关联到遥控业务QoS流；

步骤4：测控节点建立遥控业务无线承载，该承载专门用于遥控业务的传输；

步骤5：测控节点在SDAP协议层将遥控业务QoS流映射到遥控业务无线承载上，同时关联到该承载对应的逻辑信道；

步骤6：测控节点对测控目标节点进行动态调度，将遥控业务无线承载上的遥控信息数据包放入传输信道上的MAC PDU进行发送，当测控节点同时存在遥控业务数据和其他逻辑信道上的下行业务数据时优先调度遥控业务数据，可以与其他逻辑信道上的下行业务数据复用在同一个 MAC PDU内进行传输；

步骤7：测控目标节点在检测到测控节点通过下行控制信道下发的下行控制信息后，从资源分配指示字段指示的时频资源上检测并解调下行共享信道，再进一步从下行传输信道中提取出遥控信息数据包。

进一步的，所述测控节点为测控系统地面站点或卫星，测控目标节点为卫星、无人机或地面的用户终端。

通过本发明的技术方案，在卫星通信系统或者其他地面与飞行器通信的系统中，实现了5G移动通信技术与测控技术的融合，利用同一套设备和系统即能基于5G空口技术实现对飞行器等形态终端的遥测遥控，扩展了5G技术的应用场景，也为飞行器测控通信提供了融合5G技术的新技术方案。

附图说明

图1为本发明实施例适用的系统架构示意图；

图2为本发明实施例适用的应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的遥测业务调度流程图；

图4为本发明实施例提供的免授权调度遥测数据发送占用时频资源示意图；

图5为本发明实施例提供的遥控业务调度流程图。

具体实施方式

本发明应用的系统架构主要包括两类节点：测控节点(第一节点)与测控目标节点(第二节点)。整个系统中可能存在多个第一节点，也可能存在多个第二节点。在具体场景中，如图2所示，第一节点可能是地面系统站点，例如卫星地面关口站、地面的基站等等，也可能是能对特定目标实施测控的卫星。第二节点可能是卫星、无人机等等飞行器形态的终端，或者地面的用户终端。

本实施例所涉及场景为一种地面基站与飞行器终端之间进行通信，并由地面基站对飞行器终端实施遥测遥控的应用场景。即在该实施例中，第一节点为地面基站，第二节点为飞行器终端。其中，飞行器终端可能是卫星、无人机等等。

在本实施例中，飞行器终端上通过各类检测手段，将实时产生飞行器上装载的各类设备的工作状态参数、试验参数、科学研究参数、侦察参数、环境参数等，这些参数都属于遥测数据。终端将这些参数转换为无线电信号，及遥测信号，远距离传输到地面基站上。

在该实施例中，第一节点与第二节点之间传输的信息可划分为两类，一类是通信业务信息，即第一节点与第二节点之间的通信数据业务信息，例如视频业务、音频等；另一类是测控信息，包括第二节点向第一节点传输的遥测信息(第二节点采集到的各个设备的状态数据，如温度、电流、电压等等)，以及第一节点向第二节点上传遥控信息(主要指一些控制指令，例如点火、加速、姿态调整等等)。

在本实施例中，这两类信息都通过第一节点和第二节点之间的无线空口完成传输。具体的，这里的无线空口采用5G NR(新空口)中基于OFDM波形的空口信号体制，或继承自5G NR的、与NR高度相似的多载波空口信号体制。

以下从遥测业务传输和遥控业务传输两方面分别给出本发明实施例的步骤。

遥测业务传输步骤

步骤1：第一节点—基站和第二节点—终端完成通信过程的上下行同步。

在本实施例中，基站会以一定的规则广播特定的下行同步信号，终端通过检测该下行同步信号，完成与基站之间下行的帧、时隙和符号等不同级别的时间同步，以及频率同步。下行同步完成后，终端向基站发送随机接入前导序列，并进一步完成RRC连接建立。

终端和基站间建立遥测业务无线承载，它可以是数据无线承载中的某一个，例如DRB2，在本实施例中，该承载采用UM模式传输，以降低传输时延。

步骤2：终端与核心网建立PDU会话，在PDU会话中将包含面向遥测业务的QoS流，该QoS流具有特定的QoS配置(Qos Profile)，包含了5QI，ARP，QFI，保证流比特率，最大流比特率，最大丢包率等等。在本实施例中，遥测业务QoS流为GBR类型。

步骤3：RRC连接建立后(SRB1建立)，基站通过RRC高层信令向终端下发与免授权上行调度相关的“配置的授权配置信息”--配置的授权配置信息，它将包含在RRC重配置(RRCReconfiguration)消息中。配置的授权配置信息中将指示基站后续对终端进行上行免授权调度(即非动态调度)的具体方式和基本的调度信息。

上行免授权调度的具体方式可以有两种。

在方式1下，上行免授权所有调度信息，包括时域资源、频域资源、调制编码方案(MCS)、天线端口、SRS资源指示、解调参考信号(DM-RS)、RV模式等相关参数均由配置的授权配置信息指示，终端在收到指示后可立即开始根据调度信息进行上行传输，无需通过其他信令激活，也不需要像上行动态调度那样，每次都需要DCI进行指示，这样可节省UE(用户设备)发送调度请求、缓存状态报告(BSR)以及上行DCI进行资源指示的空口传输时间，降低空口时延。

在方式2下，与方式1不同的是，配置的授权配置信息中并不会指示时域资源、频域资源、调制编码方案等相关参数，终端在收到配置的授权配置信息后，根据相关字段解析出免授权调度采用的是方案2，便不会立即激活上行免授权传输，而是开始等待由CS-RNTI加扰的DCI(下行控制信息)，来指示激活。终端在收到CS-RNTI加扰的DCI中后才激活上行免授权传输，传输时所使用的时频域资源、调制编码方案等均包含在CS-RNTI加扰的DCI中。

步骤4：终端从所连接的各种外围设备，收集各种实时的状态参数，这些状态参数主要反映终端系统运行的各种状态，包括温度、电压、电流、功率等等，这些状态参数由终端收集后，生成遥测信息，缓存在终端中。

步骤5：终端将缓存的遥测信息根据默认的规则生成遥测信息数据包(IP包)，再根据预先定义的QoS规则，将这些数据包关联到遥测业务QoS流。

步骤6：终端通过SDAP层将遥测业务QoS流映射到遥测业务无线承载上。本实施例中，遥测业务无线承载为DRB2，采用UM模式传输，在终端的RLC层要完成产生RLC包头、根据需要分段、添加RLC头等操作。

步骤7：终端MAC层根据接收到的配置的授权配置信息或者通过CS-RNTI加扰的DCI所指示的免授权调度信息完成调度，将DRB2对应的逻辑信道的RLC PDU映射到MAC PDU上，在指定的时频资源上发送遥测业务数据，如下图所示，目标终端1发送遥测数据将从第10号系统帧开始，以500ms为周期，在每个周期传输时刻所在系统帧的时隙0、符号3发送，具体发送的PUSCH 占用10个OFDM符号、12个子载波的时频域资源。不同目标终端被调度用于发送遥测数据的时频资源周期、起始位置、占用时频资源有所不同，从而达到基站同时接收多个不同终端目标遥测数据的目的。

步骤8：基站根据免授权调度的配置，在相应的时频资源上接收不同终端发送的PUSCH，通过物理层、MAC层、RLC层、PDCP(分组数据汇聚协议)层、SDAP等协议层的解调、解码、解包、解复用、解映射等操作，最终将恢复出遥测信息，发送给测控中心或其他网络功能实体。遥控业务传输步骤：

终端和基站间建立遥控业务无线承载，它可以是数据无线承载中的某一个，例如DRB1，在本实施例中，该承载采用AM模式传输，保证传输的可靠性。

步骤2：终端与核心网建立PDU会话，在PDU会话中将包含用于传输遥控业务的QoS流，该QoS 流具有特定的QoS配置(Qos Profile)，包含了5QI，ARP，QFI，保证流比特率，最大流比特率，最大丢包率等等。遥控业务优先级高，数据量小，但具备突发性，要求时延低，在本实施例中，相应地将用于传输遥控业务的QoS流配置5QI数值为3，资源类型为保证比特率，包时延预算为30ms。

步骤3：基站从测控中心或其他网络功能实体获得针对终端的遥控指令，生成遥控信息数据包，根据预先定义的QoS规则，将这些遥控信息数据包关联到遥控业务QoS流。

步骤4：基站通过SDAP层将遥控业务QoS流映射到遥控业务无线承载上，同时关联到该承载对应的逻辑信道(DTCH)。本实施例中，遥控业务无线承载为DRB3，采用AM模式传输，在基站的RLC层要完成产生RLC包头、根据需要分段、添加RLC头等操作。

步骤5：基站对下行业务进行动态调度。由于遥控指令通常是按需实时生成的，没有固定的产生周期，因此遥控业务数据将被基站通过动态调度的方式进行下行调度。由于所在的逻辑信道将被配置为具有更高的调度优先级，当同时存在其他下行业务时，基站将优先调度遥控业务数据，但可以与其他逻辑信道上的数据复用在同一个MAC PDU内进行传输。基站向终端发送下行控制信息(DCI)，承载在PDCCH物理信道上，同时将包含遥控业务数据的MAC PDU映射到PDSCH 物理信道上下发给终端。

步骤6：终端在检测到基站通过PDCCH下发的下行控制信息(DCI)后，从资源分配指示字段指示的时频资源上接收PDSCH，并进一步完成物理层、MAC层、RLC层、PDCP、SDAP等协议层的解调、解码、解包、解复用、解映射等操作，最终将恢复出遥控信息数据包，解析出遥控指令，发送给终端搭载的其他模块，例如飞行控制模块。

Claims

1.一种融合5G技术实现测控的方法，该方法包括遥测业务传输和遥控业务传输；

所述遥测业务传输步骤包括：

步骤3：RRC连接建立后，测控节点通过RRC高层信令向测控目标节点下发RRC重配置消息，RRC重配置消息中包含与上行免授权调度相关的配置的授权配置信息；

所述上行免授权调度的具体方式为以下两种方式中的一种：

方式1，上行免授权调度信息由配置的授权配置信息指示，配置的授权配置信息包括：时域资源、频域资源、调制编码方案(MCS)、天线端口、SRS资源指示、解调参考信号(DM-RS)、RV模式；测控目标节点收到配置的授权配置信息后立即开始上行传输；

步骤7：测控目标节点MAC层(介质访问控制层)根据接收到的配置的授权配置信息或者通过CS-RNTI加扰的DCI所指示的免授权调度信息完成调度，将遥测业务无线承载对应的逻辑信道的RLC(无线链路控制)PDU映射到MAC PDU上，再将MAC PDU映射到免授权调度信息中指定的时频资源上；

步骤8：测控节点根据免授权调度的配置，在相应的时频资源上接收不同测控目标节点发送的PUSCH(物理上行共享信道)，然后恢复出遥测信息数据包，发送给测控中心或其他网络功能实体；

所述遥控业务传输步骤包括：

步骤6：测控节点对测控目标节点进行动态调度，将遥控业务无线承载上的遥控信息数据包放入传输信道上的MAC PDU进行发送，当测控节点同时存在遥控业务数据和其他逻辑信道上的下行业务数据时优先调度遥控业务数据，可以与其他逻辑信道上的下行业务数据复用在同一个MAC PDU内进行传输；

2.如权利要求1所述的一种融合5G技术实现测控的方法，其特征在于，所述测控节点为测控系统地面站点或卫星，测控目标节点为卫星、无人机或地面的用户终端。