CN115065402A - 一种多波束卫星通信系统的波束选择方法及装置 - Google Patents

一种多波束卫星通信系统的波束选择方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多波束卫星通信系统的波束选择方法及装置，该方法为：根据FCCH信号的发送周期设置波束搜索窗口，比较搜索到信号的功率，选择信号功率最大的波束驻留，卫星终端完成波束选择。装置包括顺次设置的搜索窗口设置模块、MES终端FCCH信号搜索模块、第一判断模块、存储模块、第二判断模块、第三判断模块、第四判断模块。本发明解决了现有技术中由于多波束卫星移动通信系统同频组网存在波束间干扰，终端在干扰波束入网驻留的问题，避免卫星移动终端在干扰波束入网驻留，提高了终端接入网络成功率。

Description

一种多波束卫星通信系统的波束选择方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别是一种多波束卫星通信系统的波束选择方法及装置。
背景技术
地球同步轨道（GEO，Geostationary Earth Orbit）卫星移动通信利用GEO人造地球卫星作为中继为地面移动用户建立无线链接，是一种重要的移动通信方式。
典型的GEO卫星移动通信系统包括提供区域覆盖的瑟拉亚（Thuraya）卫星移动通信系统、亚洲蜂窝（ACeS）卫星移动通信系统以及提供全球覆盖的国际海事卫星（Inmarsat）移动通信系统和美军移动用户目标（MUOS）卫星系统等。卫星移动通信系统卫星多采用大口径多波束天线技术，形成上百个波束，将一块大的区域划分为多个小的波束，如果两个波束相隔足够远，则可以使用相同的频率资源，将有限的频率资源重复利用。
GEO卫星移动通信系统多基于GMR标准设计，GMR标准对物理资源进行了频率和时间上的分割，采用FDMA（频分多址）/TDMA（时分多址）多址方式。FCCH（频率校正信道）承载频率校正信息，为单向下行链路广播，由MES（移动地面站）接收并进行频率校正，同时为MES周期性接收系统广播消息提供同步定时机制。BCCH（广播控制信道）主要用于向MES广播系统消息，为单向下行链路广播。
每个点波束内定义了5个前向公共信道：FCCH，BCCH，PCH（寻呼信道），BACH（基本告警信道）和AGCH（接入允许信道），使用相同频率以超帧为周期在时间上重复发送。相邻波束的BCCH和FCCH在时间上错开，相隔时间是帧和时隙的整数倍，从而方便终端进行快速定时和频率捕获，同时将多波束的发送功率在时间上错开，减小卫星的瞬时峰值功率。
在实际多波束卫星移动通信系统中，波束之间存在着较强的干扰，为了将干扰降低到可接受的范围内，多波束之间通常采用三/四/七色复用的频率复用方案。但是受限于卫星波束成形技术和波束覆盖隔离度，多波束同频组网仍然存在有波束间干扰（IBI，InterBeam Interference）的问题。同时，多波束卫星移动通信系统中，每个卫星波束覆盖的范围和功率也不尽相同，对相邻波束的干扰也不同。终端在一个覆盖区域内，收到多个相同频率波束的FCCH信号，一般传统技术同步到波束公共广播控制信号就停止了波束搜索，导致终端有可能在干扰波束入网驻留，干扰波束并不是终端位置所在的波束。因此，对于卫星移动终端来说，在入网和驻留的过程中对于波束的选择至关重要，尤其对于处于几个波束临界边缘的终端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多波束卫星通信系统的波束选择方法及装置，避免卫星移动终端在干扰波束入网驻留，提高终端接入网络成功率。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多波束卫星通信系统的波束选择方法，包括以下步骤：
步骤1、根据多波束卫星通信系统TDMA帧结构设置一个FCCH信号搜索窗口，窗口长度大于FCCH信号发送周期；其中TDMA表示时分多址，FCCH表示频率校正信道；
步骤2、基于确定的搜索窗口，MES终端搜索上次关机驻留波束频点的FCCH信号；其中MES表示移动地面站；
步骤3、判断是否同步到FCCH信号：
如果同步到FCCH信号，存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，并进入步骤4；
如果没有同步到FCCH信号，根据相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST搜索相邻波束的FCCH信号，并重新执行步骤3；
步骤4、判断未搜索信号的帧长是否为零：
如果帧长为零，则波束选择结束；
如果帧长大于零，则进入步骤5；
步骤5、对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，判断是否同步到FCCH信号：
如果没有同步到FCCH信号，则波束选择结束；
如果同步到FCCH信号，计算未搜索信号帧长，以及新搜索到的FCCH信号功率值，并进入步骤6；
步骤6、判断新搜索到的FCCH信号功率值是否大于之前存储的FCCH信号功率值：
如果不大于，则返回步骤4，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0；
如果大于，则存储当前FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，实现终端选择信号功率最大的波束驻留，然后返回步骤4，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0。
一种多波束卫星通信系统的波束选择装置，包括顺次设置的搜索窗口设置模块、MES终端FCCH信号搜索模块、存储模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第四判断模块，其中：
搜索窗口设置模块，根据多波束卫星通信系统TDMA帧结构设置一个FCCH信号搜索窗口，窗口长度大于FCCH信号发送周期；其中TDMA表示时分多址，FCCH表示频率校正信道；
MES终端搜索FCCH信号模块，基于确定的搜索窗口，MES终端搜索上次关机驻留波束频点的FCCH信号；其中MES表示移动地面站；
第一判断模块判断是否同步到FCCH信号，存储模块保存FCCH信号功率值和未搜索信号帧长：
如果同步到FCCH信号，存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，并进入第二判断模块；
如果没有同步到FCCH信号，根据相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST搜索相邻波束的FCCH信号，并重新执行第一判断模块；
第二判断模块，判断未搜索信号的帧长是否为零：
如果帧长为零，则波束选择结束；
如果帧长大于零，则进入第三判断模块；
第三判断模块，对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，判断是否同步到FCCH信号：
如果没有同步到FCCH信号，则波束选择结束；
如果同步到FCCH信号，计算未搜索信号帧长，以及新搜索到的FCCH信号功率值，并进入第四判断模块；
第四判断模块，判断新搜索到的FCCH信号功率值是否大于之前存储的FCCH信号功率值：
如果不大于，则返回第二判断模块，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0；
如果大于，则存储当前FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，实现终端选择信号功率最大的波束驻留，然后返回第二判断模块，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）根据FCCH信号的发送周期设置波束搜索窗口，比较搜索到信号的功率，选择信号功率最大的波束，完成终端初始帧同步；（2）解决了现有技术中由于多波束卫星移动通信系统同频组网存在波束间干扰，终端在干扰波束入网驻留的问题，避免卫星移动终端在干扰波束入网驻留，提高了终端接入网络成功率。
附图说明
图1为本发明多波束卫星通信系统的波束选择方法的流程图。
图2为GMR-1 3G的逻辑信道映射示意图。
图3为多波束频率复用波束覆盖示意图。
图4为存在同频波束干扰时MES搜索FCCH信号的示意图。
图5为实施例1中MES波束选择过程中初始帧调整的示意图。
图6为实施例2中MES波束选择过程中初始帧调整的示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明多波束卫星通信系统的波束选择方法，包括以下步骤：
步骤1、根据多波束卫星通信系统TDMA帧结构设置一个FCCH信号搜索窗口，窗口长度大于FCCH信号发送周期；其中TDMA表示时分多址，FCCH表示频率校正信道；
步骤2、基于确定的搜索窗口，MES终端搜索上次关机驻留波束频点的FCCH信号；其中MES表示移动地面站；
步骤3、判断是否同步到FCCH信号：
如果同步到FCCH信号，存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，并进入步骤4；
如果没有同步到FCCH信号，根据相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST搜索相邻波束的FCCH信号，并重新执行步骤3；
步骤4、判断未搜索信号的帧长是否为零：
如果帧长为零，则波束选择结束；
如果帧长大于零，则进入步骤5；
步骤5、对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，判断是否同步到FCCH信号：
如果没有同步到FCCH信号，则波束选择结束；
如果同步到FCCH信号，计算未搜索信号帧长，以及新搜索到的FCCH信号功率值，并进入步骤6；
步骤6、判断新搜索到的FCCH信号功率值是否大于之前存储的FCCH信号功率值：
如果不大于，则返回步骤4，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0；
如果大于，则存储当前FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，实现终端选择信号功率最大的波束驻留，然后返回步骤4，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0。
作为一种具体示例，步骤1中，每个波束的FCCH信号发送周期为8帧，搜索窗口长度为8.5帧，使得在一个搜索窗口内，至少有一个完整的FCCH信号，不漏检FCCH信号。
作为一种具体示例，步骤3中所述存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，其中FCCH信号功率值以dBm为单位，未搜索信号帧长为0~8的整数。
作为一种具体示例，步骤3中MES终端帧定时器的起始位置以搜索的到FCCH信号的起始位置为基准，基于搜索到FCCH信号时间信息，改变终端帧号N，在N%8=0的时刻搜索FCCH信号。
作为一种具体示例，步骤3中，相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST包括相邻波束的频点、相对时隙偏移和相对帧偏移这些信息。
本发明还提供一种多波束卫星通信系统的波束选择装置，包括顺次设置的搜索窗口设置模块、MES终端FCCH信号搜索模块、存储模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第四判断模块，其中：
搜索窗口设置模块，根据多波束卫星通信系统TDMA帧结构设置一个FCCH信号搜索窗口，窗口长度大于FCCH信号发送周期；其中TDMA表示时分多址，FCCH表示频率校正信道；
MES终端搜索FCCH信号模块，基于确定的搜索窗口，MES终端搜索上次关机驻留波束频点的FCCH信号；其中MES表示移动地面站；
第一判断模块判断是否同步到FCCH信号，存储模块保存FCCH信号功率值和未搜索信号帧长：
如果同步到FCCH信号，存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，并进入第二判断模块；
如果没有同步到FCCH信号，根据相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST搜索相邻波束的FCCH信号，并重新执行第一判断模块；
第二判断模块，判断未搜索信号的帧长是否为零：
如果帧长为零，则波束选择结束；
如果帧长大于零，则进入第三判断模块；
第三判断模块，对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，判断是否同步到FCCH信号：
如果没有同步到FCCH信号，则波束选择结束；
如果同步到FCCH信号，计算未搜索信号帧长，以及新搜索到的FCCH信号功率值，并进入第四判断模块；
第四判断模块，判断新搜索到的FCCH信号功率值是否大于之前存储的FCCH信号功率值：
如果不大于，则返回第二判断模块，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0；
如果大于，则存储当前FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，实现终端选择信号功率最大的波束驻留，然后返回第二判断模块，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0。
作为一种具体示例，搜索窗口设置模块中，每个波束的FCCH信号发送周期为8帧，搜索窗口长度为8.5帧，使得在一个搜索窗口内，至少有一个完整的FCCH信号，不漏检FCCH信号。
作为一种具体示例，所述存储模块保存FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，其中FCCH信号功率值以dBm为单位，未搜索信号帧长为0~8的整数。
作为一种具体示例，第一判断模块中MES终端帧定时器的起始位置以搜索的到FCCH信号的起始位置为基准，基于搜索到FCCH信号时间信息，改变终端帧号N，在N%8=0的时刻搜索FCCH信号。
作为一种具体示例，第一判断模块中，相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST包括相邻波束的频点、相对时隙偏移和相对帧偏移这些信息。
以下结合附图对本发明实施例进行详细说明，以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图2是GMR-1 3G的逻辑信道映射示意图。FCCH1~FCCH7表示7个波束的频率校正信道，根据图中所示，同一个波束的FCCH信号发送周期为8帧。1每帧有24个时隙，其中FCCH信号占据3个时隙的长度。如图3所示为多波束频率复用波束覆盖示意图，波束A、B、C、D、E、F、G广播信道具有不同的频率，波束A的相邻波束频率列表存储波束B、C、D、E、F、G的广播频点号，波束A和波束H具有相同的频点。
由于MES开机搜索是在任意时刻，MES接收信号的窗口长度为8.5帧，这样可以保证在一个窗口时间内，至少有一个完整的FCCH信号，不漏检FCCH信号。
实施例1
结合图4和图5，MES关机时驻留在A波束，图4表示终端在一个搜索窗口内FCCH信号的示意图。
结合图1，MES波束选择方法的具体实施步骤如下：
步骤1，根据搜索窗口内搜索FCCH信号，在1.7帧的位置同步到波束H的FCCH信号，计算其信号功率值P并存储在存储器中，剩余帧长度
Figure 202627DEST_PATH_IMAGE001
，将波束H的FCCH信号起始位置作为MES的起始“0”帧。
步骤2，剩余帧长度大于0，继续搜索剩余窗口中的FCCH信号，在第4帧的位置同步到波束A的FCCH信号，计算其信号功率值Q，剩余帧长度
Figure 204081DEST_PATH_IMAGE002
。比较Q与P的大小，Q＞P，将波束A的FCCH信号起始位置作为MES的起始“0”帧。
步骤3，剩余帧长度大于0，继续搜索剩余窗口中的FCCH信号，没有检测到FCCH信号，波束选择结束。
实施例2
结合图6，MES关机时驻留在B波束，MES开机之后位于A波束。
结合图1，MES波束选择方法的具体实施步骤：
步骤1，MES开机搜索B波束频点的FCCH信号，在一个8.5帧长的搜索窗口内不能检测到FCCH信号。
步骤2，依据存储的相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST，接收波束A频点的一个搜索窗口长的信号，在搜索窗起始位置检测波束A的FCCH信号，计算其信号功率值P并存储在存储器中，剩余帧长度
Figure 950451DEST_PATH_IMAGE003
，将波束A的FCCH信号起始位置作为MES的起始“0”帧。
步骤3，剩余帧长度大于0，继续搜索剩余窗口中的FCCH信号，在第1帧的位置同步到波束H的FCCH信号，计算其信号功率值Q，剩余帧长度
Figure 212805DEST_PATH_IMAGE004
。比较Q与P的大小，Q＜P，不改变MES的起始“0”帧。
步骤4，剩余帧长度大于0，继续搜索剩余窗口中的FCCH信号，在第8帧的位置同步到波束A的FCCH信号，计算其信号功率值Q，剩余帧长度
Figure 940590DEST_PATH_IMAGE005
。比较Q与P的大小，Q=P，不改变MES的起始“0”帧。
步骤5，剩余帧长度等于0，波束选择结束。
综上所述，本发明根据FCCH信号的发送周期设置波束搜索窗口，比较搜索到信号的功率，选择信号功率最大的波束，完成终端初始帧同步；解决了现有技术中由于多波束卫星移动通信系统同频组网存在波束间干扰，终端在干扰波束入网驻留的问题，避免卫星移动终端在干扰波束入网驻留，提高了终端接入网络成功率。

Claims (10)

1.一种多波束卫星通信系统的波束选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据多波束卫星通信系统TDMA帧结构设置一个FCCH信号搜索窗口，窗口长度大于FCCH信号发送周期；其中TDMA表示时分多址，FCCH表示频率校正信道；
步骤2、基于确定的搜索窗口，MES终端搜索上次关机驻留波束频点的FCCH信号；其中MES表示移动地面站；
步骤3、判断是否同步到FCCH信号：
如果同步到FCCH信号，存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，并进入步骤4；
如果没有同步到FCCH信号，根据相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST搜索相邻波束的FCCH信号，并重新执行步骤3；
步骤4、判断未搜索信号的帧长是否为零：
如果帧长为零，则波束选择结束；
如果帧长大于零，则进入步骤5；
步骤5、对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，判断是否同步到FCCH信号：
如果没有同步到FCCH信号，则波束选择结束；
如果同步到FCCH信号，计算未搜索信号帧长，以及新搜索到的FCCH信号功率值，并进入步骤6；
步骤6、判断新搜索到的FCCH信号功率值是否大于之前存储的FCCH信号功率值：
如果不大于，则返回步骤4，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0；
如果大于，则存储当前FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，实现终端选择信号功率最大的波束驻留，然后返回步骤4，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0。
2.根据权利要求1所述的多波束卫星通信系统的波束选择方法，其特征在于，步骤1中，每个波束的FCCH信号发送周期为8帧，搜索窗口长度为8.5帧，使得在一个搜索窗口内，至少有一个完整的FCCH信号，不漏检FCCH信号。
3.根据权利要求2所述的多波束卫星通信系统的波束选择方法，其特征在于，步骤3中所述存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，其中FCCH信号功率值以dBm为单位，未搜索信号帧长为0~8的整数。
4.根据权利要求2所述的多波束卫星通信系统的波束选择方法，其特征在于，步骤3中MES终端帧定时器的起始位置以搜索的到FCCH信号的起始位置为基准，基于搜索到FCCH信号时间信息，改变终端帧号N，在N%8=0的时刻搜索FCCH信号。
5.根据权利要求1所述的多波束卫星通信系统的波束选择方法，其特征在于，步骤3中，相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST包括相邻波束的频点、相对时隙偏移和相对帧偏移这些信息。
6.一种多波束卫星通信系统的波束选择装置，其特征在于，包括顺次设置的搜索窗口设置模块、MES终端FCCH信号搜索模块、存储模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第四判断模块，其中：
搜索窗口设置模块，根据多波束卫星通信系统TDMA帧结构设置一个FCCH信号搜索窗口，窗口长度大于FCCH信号发送周期；其中TDMA表示时分多址，FCCH表示频率校正信道；
MES终端搜索FCCH信号模块，基于确定的搜索窗口，MES终端搜索上次关机驻留波束频点的FCCH信号；其中MES表示移动地面站；
第一判断模块判断是否同步到FCCH信号，存储模块保存FCCH信号功率值和未搜索信号帧长：
如果同步到FCCH信号，存储FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，并进入第二判断模块；
如果没有同步到FCCH信号，根据相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST搜索相邻波束的FCCH信号，并重新执行第一判断模块；
第二判断模块，判断未搜索信号的帧长是否为零：
如果帧长为零，则波束选择结束；
如果帧长大于零，则进入第三判断模块；
第三判断模块，对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，判断是否同步到FCCH信号：
如果没有同步到FCCH信号，则波束选择结束；
如果同步到FCCH信号，计算未搜索信号帧长，以及新搜索到的FCCH信号功率值，并进入第四判断模块；
第四判断模块，判断新搜索到的FCCH信号功率值是否大于之前存储的FCCH信号功率值：
如果不大于，则返回第二判断模块，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0；
如果大于，则存储当前FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，调整MES终端帧定时器的起始位置，实现终端选择信号功率最大的波束驻留，然后返回第二判断模块，继续对未搜索信号中的FCCH信号进行搜索，直到未搜索信号帧长为0。
7.根据权利要求6所述的多波束卫星通信系统的波束选择装置，其特征在于，搜索窗口设置模块中，每个波束的FCCH信号发送周期为8帧，搜索窗口长度为8.5帧，使得在一个搜索窗口内，至少有一个完整的FCCH信号，不漏检FCCH信号。
8.根据权利要求7所述的多波束卫星通信系统的波束选择装置，其特征在于，所述存储模块保存FCCH信号功率值和未搜索信号帧长，其中FCCH信号功率值以dBm为单位，未搜索信号帧长为0~8的整数。
9.根据权利要求7所述的多波束卫星通信系统的波束选择装置，其特征在于，第一判断模块中MES终端帧定时器的起始位置以搜索的到FCCH信号的起始位置为基准，基于搜索到FCCH信号时间信息，改变终端帧号N，在N%8=0的时刻搜索FCCH信号。
10.根据权利要求6所述的多波束卫星通信系统的波束选择装置，其特征在于，第一判断模块中，相邻波束列表BCCH_NEIGHBOUR_LIST包括相邻波束的频点、相对时隙偏移和相对帧偏移这些信息。
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陈亮等: "基于相位补偿的FCCH捕获及偏频估计算法", 《空间电子技术》 *

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CN115065402B (zh) 2022-11-22

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