CN116131914A - 一种卫星移动通信系统下直升机通信方法 - Google Patents

一种卫星移动通信系统下直升机通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星移动通信系统下直升机通信方法，该方法为：首先采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信；然后信关站根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式；接着直升机采用联合接收机进行业务信道的通信数据接收；最后当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送。本发明解决了旋翼叶片引起的周期性遮挡、直升机机身造成的长期遮挡、旋翼叶片以及来自地球和直升机机身的多径反射对卫星通信信号造成的影响，实现了直升机终端用户的可靠接入。

Description

一种卫星移动通信系统下直升机通信方法
技术领域
本发明涉及卫星移动通信系统的直升机通信技术领域，特别是一种卫星移动通信系统下直升机通信方法。
背景技术
卫星移动通信系统作为地面蜂窝移动通信的延伸和补充，多用于偏远地区的通信和应急通信，较好地解决了地面蜂窝移动通信系统在偏远地区以及海域中覆盖能力有限的问题。一般来说，典型卫星移动通信系统由GEO卫星、地球移动站MES、信关站GS和运控系统等元素组成，可以为用户提供网内电话、短消息、上网、传真等业务，通过与PSTN、PLMN、Internet互联，实现全球范围内业务互联。图1所示给出了GMR-1系统的元素组成图。
直升机终端与移动通信卫星之间的信号传输路径上，存在着旋翼叶片引起的周期性遮挡、直升机机身造成的长时间遮挡、旋翼叶片以及来自地球和直升机机身的多径反射等链路衰减影响因素，直接影响直升机终端与移动通信卫星之间的正常通信。
因旋翼叶片引起的周期性遮挡将导致通信信号严重失真，失真的大小取决于天线安装位置、飞行姿态、叶片数量等。在S波段中，由于旋翼叶片遮挡导致通信链路4.5～6.5dB的衰减。在对大部分直升机叶片建模仿真发现，遮挡周期短至35ms，持续时间长达15ms。由于直升机飞行姿态变化也将导致机身对无线信号的临时遮挡，造成10～20dB的链路衰减。此外，在S波段中，由于旋翼叶片、机身、地面、海面的发射，也将导致无线信号幅度和相位的变化，影响信号质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星移动通信系统下直升机通信方法，从而解决旋翼叶片引起的周期性遮挡、直升机机身造成的长期遮挡、旋翼叶片以及来自地球和直升机机身的多径反射对卫星通信信号造成的影响，实现直升机用户接入。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种卫星移动通信系统下直升机通信方法，包括以下步骤：
步骤1、采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信；
步骤2、针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤3；如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤4；
步骤3、在时间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送；
步骤4、在空间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送；
步骤5、直升机采用包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，进行业务信道的通信数据接收；
步骤6、当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送。
进一步地，步骤1所述的采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信，具体如下：
在卫星移动通信系统中，采用前返向公共控制信道作为各型卫星终端获取系统上下行同步及网络广播、寻呼信息的方式；
由于前向公共控制信道突发的持续时间大于10ms，公共控制信道需要独占一个载波并从0时隙开始发送，载波中还剩余大量时隙资源可用于后续扩展，为了实现直升机终端的初始接入，在发送完前向公共控制信道突发CCCHBurst后延迟一段时间CCCHTdelay后重复发送该控制信道的副本CCCHBurst′，公式为：
Figure BDA0004048966320000021
CCCHBurststartslot＝CCCHBurstendslot+CCCHTdelay
2*CCCHBurstduration+Tdelay≤Tperiod
其中，CCCHBusrtendslot为前向公共控制信道的突发结束时隙，TSdurtion为卫星移动通信系统配置的时隙持续时间，单位为毫秒，Max(Tduration)为各类直升机旋翼遮挡持续时间最大值，CCCHBurstduration为前向公共控制信道的持续时间，Tperiod为支持机型的旋翼遮挡最小周期；
在返向接入过程中，通过PRACH信道接入和利用RACH信道接入两种方式解决接入问题；
选择持续时间更短的PRACH信道接入方式：在直升机终端在返向随机接入过程中，通过一段时间的下行广播信道质量测量统计，可估算出旋翼遮挡周期，并在非遮挡周期内通过PRACH信道发送接入消息，在该过程中，终端需要在星地往返延时的基础上，根据旋翼遮挡周期及遮挡时间来调整PRACH信道的发送时刻，因此需要信关站分配一个上行载波专门用于用户随机接入，为PRACH信道提供更大的接收窗口；
利用RACH信道接入：由于RACH信道有更高的链路余量，即使存在旋翼遮挡情况，信关站仍能够检测并解调出相应的接入信号，因此，在直升机终端在返向随机接入过程中，直升机终端按照其他终端的接入方式进行接入，在未收到接入响应时通过随机回退再次接入。
进一步地，步骤2所述的针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤3；如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤4，具体如下：
步骤2.1、在卫星移动通信系统中，使用短突发进行业务传输，减少业务信道最小化阻塞概率，在自适应编码调制和功率控制期间，增加目标信号质量值，提高链路动态控制过程中链路余量，同时，在控制信令、分组或电路数据等传输阶段，利用卫星移动通信系统提供的RLC确认重传机制，通过错误数据包的重传，保证通信链路的可靠性；
针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式；
步骤2.2、当直升机终端使用一根天线时，信关站为终端分配同一传播路径上两个存在一定延时的突发对进行业务传输，并根据遮挡条件的不同，自适应开启或关闭双突发传输，当旋翼遮挡严重的情况下，发送端完成业务突发发送后，在同一传播路径上延时一段时间后再次重发该突发，从而保证直升机终端能够在旋翼缝隙期间接收相应的突发数据；当旋翼遮挡不严重的情况下，关闭双突发传输，通过在时间或空间上发送不同业务数据，提高单个用户业务传输速率；
对于电路专用信道来说，终端MAC层通过专用的控制信令通知信关站启动或关闭双突发分集传输方式；对于分组共享信道来说，通过突发头部的PUI传输双突发开启的时间及顺序，延时由直升机主旋翼桨叶RPM的范围和具有不同阴影深度的机载天线部署位置决定，保证即使其中一个突发完全被遮挡而无法接收的情况下，另外一个突发能够正常传输；
步骤2.3、当直升机终端使用两根天线时，信关站按照正常用户为终端分配一个突发对，信关站进行单突发对发送和接收，直升机终端利用双天线形成的独立路径进行分集接收，同时检测两个不同传输路径上的传输质量，若所有路径的传输质量均低于门限，则直升机终端采用基于STBC块的发射分集方式进行发射，否则选择其中一条传输质量较好的一条路径进行发射；信关站根据不同的发射方式采用不同的接收方法；
对于电路专用信道来说，终端MAC层通过专用的控制信令通知信关站启动或关闭突发分集传输方式；对于分组共享信道来说，通过突发头部的PUI传输终端发射分集方式。
进一步地，步，步骤3中所述的时间分集的自适应双突发传输系统，具体如下：
时间分集的自适应双突发传输系统由信关站、直升机终端、移动卫星构成，其中，信关站和直升机终端在原卫星移动通信系统的相应设备中增加双突发传输模块，相应设备为信关站的信道设备；直升机终端与信关站的自适应双突发传输机制一致，信关站中还需增加双突发信道资源分配和资源动态调度功能。
进一步地，步骤3所述的在时间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送，具体如下：
在业务建链的过程中，信关站无线资源控制层RRC为直升机终端分配双突发信道资源，并交由媒体访问控制层MAC进行双突发传输调度；在业务传输过程中，媒体访问控制层MAC对业务数据进行分段形成MAC PDU并交由物理层进行处理，物理层首先对MAC PDU数据进行循环冗余校验、速率匹配、前向纠错编码、交织、加扰处理后，形成编码后的比特流，然后再将编码后的数据进行调制、突发成形处理后，形成一个突发数据，最后该突发数据再由自适应双突发模块处理，经上行馈电链路发送到移动通信卫星中，信关站自适应双突发传输模块再根据突发是否重发要求，决定是否在延迟一段时间TCHTdelay后重发；直升机终端的接收机通过监听并解调译码两个突发，根据译码后的CRC来选择最佳的接收通道；
信关站无线资源控制层RRC在分配双突发信道资源的过程中，首先按照正常资源分配算法分配第一个突发上下行信道资源，然后再按照如下公式计算第二个突发上下行信道资源：
Figure BDA0004048966320000041
SecondBurststartslot＝(FirstBurstendslot+TCHTdelay+TCHBurstduration)modFrameslotNum2*TCHBurstduration+TCHTdelay≤Tperiod
其中，FirstBurstendslot、SecondBurststartslot分别为第一个突发结束时隙、第二个突发起始时隙，TSdurtion为卫星移动通信系统配置的时隙持续时间，单位为毫秒，Max(Tduration)为机型旋翼遮挡持续时间最大值，Frameendslot为一帧的结束时隙，TCHBurstduration为业务信道的持续时隙数，Tperiod为支持机型的旋翼遮挡最小周期；最后，分配双突发信道资源后，将资源信息配置给MAC层和卫星终端。
进一步地，步骤4所述的空间分集的自适应双突发传输系统，具体如下：
空间分集的自适应双突发传输系统由信关站、直升机终端、移动卫星构成，其中，信关站和直升机终端在原卫星移动通信系统的相应设备中增加双突发传输模块，相应设备为信关站的信道设备；信关站无需增加额外功能。
进一步地，步骤4所述的在空间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送，具体如下：
在业务建链的过程中，信关站无线资源控制层RRC按照正常终端为直升机终端分配单突发信道资源，并交由媒体访问控制层MAC进行双突发传输调度；在业务传输过程中，信关站突发传输过程与正常终端相同；直升机终端的接收机利用空间分集接收技术从两组天线接收独立的天线信号，并利用最大比率进行合并处理，同时测量两个独立接收路径的传输质量，若所有路径传输质量较差，则由终端的自适应双突发传输模块对调制后的突发数据进行时空编码，并由两个独立的天线发送出去，否则，选择传输质量较好的路径传输突发数据；
信关站和直升机终端的无线资源控制层RRC基于两个独立传输路径的链路质量进行双突发自适应传输，MAC层对双突发信道上接收到的数据进行CRC校验，并采用如下公式计算当前链路传输质量状态LQSi：
Figure BDA0004048966320000051
其中，N为滑动窗口的大小，CRCn代表滑动窗口中第n帧业务数据是否校验通过，1为数据正确并校验通过，0为数据不正确未校验通过；对于不同的业务LQSi的门限不同，实时业务要求设定为大于等于90％；
当LQSi低于通信业务要求的门限时，MAC层开启物理层双突发传输，将同样的业务数据打包成两个同样的MACPDU中，并由物理层双突发传输模块进行传输；当LQSi高于通信业务要求的门限时，MAC层关闭物理层双突发传输，将缓冲区中其他业务数据打包成两个不同的MACPDU中，并由物理层双突发传输模块进行传输。
进一步地，步骤5所述的包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，具体如下：
包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机包括分集合并接收机和双突发自适应接收机两部分；
分集合并接收机将分集接收设备的多个接收信号合并成单个增强信号，从而避免因突发严重扭曲而造成的损失，在最大比率合并MRC中，接收到的信号根据其SNR进行加权，然后求和；在选择合并中，在N个接收信号中，选择最强的信号；
分集合并接收机包括路径1、路径2、路径3多个解调译码路径，在分集合并接收机中，分组选择器可以从路径1、路径2、路径3中选择CRC正确的一路中输出；路径1和路径2按照终端正常的接收路径实现，路径3是基于路径1和路径2的最大比例合并后的接收路径；
路径1使用解调器、译码器和CRC检测器来处理时间或空间上独立的一路无线接收信号，并输出CRC通过的数据包，同时将该路径上的信号通过突发SNR进行加权来生成软判决符号；路径2使用解调器、译码器和CRC检测器来处理时间或空间上另一条独立的信号，并输出CRC通过的数据包，同时将该路径上的信号通过突发SNR进行加权来生成软判决符号；路径3使用合并器、译码器和CRC检测器以输出CRC通过的解码分组；合并器基于两条独立路径上的权重矩阵将路径1和路径2软判决符号合并输出，译码校验后输出CRC通过的数据包；
双突发自适应接收机从两条独立路径接收用户数据，若启动双突发传输，则丢弃其中一条路径上的数据，另外一个数据发送给MAC层，若关闭双突发传输，则将两条路径上CRC正确的数据发送给MAC层；记录两条路径的CRC结果，统计两条路径的下行信号传输质量，用于发送端自适应双突发发送。
进一步地，步骤5所述的直升机采用包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，进行业务信道的通信数据接收，具体如下：
步骤5.1、直升机终端接收到下行信号；
步骤5.2、对每一个下行信号产生突发SNR、软判决符号和数据包CRC；
步骤5.3、根据软判决符号及相关的SNR权重矩阵进行最大比率合并，形成合并符号并进行译码、CRC校验；
步骤5.4、从每条路径生成的数据包中，选择CRC正确的作为输出；
步骤5.5、丢弃冗余数据包。
进一步地，步骤6所述的当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送，具体如下：
步骤6.1、为了保证直升机通信的稳定性，目标信号质量SQT增加3dB余量；
步骤6.2、信关站对接收到的突发进行信号质量SQI估计，计算与SQT的差值PAR，并通过随路功率控制信道将PAR反馈给直升机终端；
步骤6.3、直升机终端利用滑动窗口机制统计近期的PAR，即获得一段时间内PAR最大和最小值，前者对应链路最差的情况，后者对应完全无遮挡情况下功率情况，两者之差即为上行链路的余量；
步骤6.4、直升机终端对接收到的突发进行信号质量SQI估计，统计最近一段时间内的信号质量最大值，该信号质量即对应完全无遮挡情况下的接收信号质量SQI；
步骤6.5、直升机终端将当前的信号质量估计结果与最高信号质量比较，计算信号质量差值，如果差值小于链路佘量，则启动发送；如果差值量大于链路佘量，则停止发送。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)在基于已有卫星移动通信系统的基础上，通过信号调度或增强终端等方式，解决旋翼叶片引起的周期性遮挡、直升机机身造成的长期遮挡、旋翼叶片以及来自地球和直升机机身的多径反射对卫星通信信号造成的影响；(2)在不影响现有卫星终端用户接入的条件下，实现了直升机终端用户的可靠接入。
附图说明
图1是典型卫星通信系统网络结构的结构示意图。
图2是本发明一种卫星移动通信系统下直升机通信方法中业务信道双突发自适应传输的流程示意图。
图3是本发明实施例中时间分集的自适应双突发传输系统的结构示意图。
图4是本发明实施例中空间分集的自适应双突发传输系统的结构示意图。
图5是本发明实施例中联合接收机的结构示意图。
图6是本发明实施例中直升机接收机信号接收过程的流程示意图。
图7是本发明实施例中短时间链路遮挡条件下的链路自适应过程的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
由于直升机终端天线部署方式、直升机飞行场景的多样性，本发明为旋翼遮挡和机身遮挡的直升机终端提供可靠的卫星移动通信接入服务，其中，旋翼遮挡是由于直升机旋翼叶片引起的周期性遮挡，其遮挡周期Tperiod为40～90ms，旋翼遮挡持续时间Tduration可以是5～10ms；机身遮挡是由于飞行姿态变化，导致直升机机身对直升机终端信号收发的短暂而大幅度的影响，其链路衰减可达10dB～30dB，信号遮挡时间可能持续数十秒；长时间机身遮挡可通过优化直升机终端天线位置或安装两付或以上的天线来最小化遮挡时间。此外，本发明也可在转子叶片的反射、地面反射、机身反射、海面反射等造成的多径衰落条件下为直升机终端提供可靠接入服务。
一般来说，卫星移动通信系统采用了基于FDD/TDMA多址接入方式，业务和控制数据以不同间隔的突发形式传输，短突发持续时间通常小于10ms，部分突发小于周期性遮挡的持续时间，长突发的持续时间可以大于10ms，大于周期性遮挡的持续时间。为了适应直升机场景下的卫星终端接入，可以利用具有较短持续时间的突发进行控制和业务数据的发送，从而降低系统最小化阻塞概率。
结合图2～图7，本发明一种卫星移动通信系统下直升机通信方法，包括以下步骤：
步骤1、采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信；
步骤2、针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤3；如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤4；
步骤3、在时间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送；
步骤4、在空间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送；
步骤5、直升机采用包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，进行业务信道的通信数据接收；
步骤6、当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送。
作为一种具体示例，步骤1所述采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信，具体如下：
在卫星移动通信系统中，采用前返向公共控制信道(包括BCCH、PCH、AGCH、RACH、PRACH等)作为各型卫星终端获取系统上下行同步及网络广播、寻呼信息的方式，大幅度修改公共控制信道的传输方式，势必破坏系统的兼容性，为此，采用基于时间分集技术的公共控制信道双突发发送机制，在兼容已有卫星终端接入的同时实现直升机终端的接入；
由于BCCH、PCH、AGCH等前向公共控制信道突发的持续时间大于10ms，公共控制信道需要独占一个载波并从0时隙开始发送，载波中还剩余大量时隙资源可用于后续扩展，为了实现直升机终端的初始接入，可以在发送完前向公共控制信道突发CCCHBurst后延迟一段时间CCCHTdelay后重复发送该控制信道的副本CCCHBurst′，公式为：
Figure BDA0004048966320000091
CCCHBurststartslot＝CCCHBurstendslot+CCCHTdelay2*CCCHBurstduration+Tdelay≤Tperiod
其中，CCCHBusrtendslot为前向公共控制信道的突发结束时隙，TSdurtion为卫星移动通信系统配置的时隙持续时间，单位为毫秒，Max(Tduration)为各类直升机旋翼遮挡持续时间最大值，CCCHBurstduration为前向公共控制信道的持续时间，Tperiod为支持机型的旋翼遮挡最小周期；
在返向接入过程中，通过PRACH信道接入和利用RACH信道接入两种方式解决接入问题；
选择持续时间更短的PRACH信道接入方式：在直升机终端在返向随机接入过程中，通过一段时间的下行广播信道质量测量统计，可估算出旋翼遮挡周期，并在非遮挡周期内通过PRACH信道发送接入消息，在该过程中，终端需要在星地往返延时的基础上，根据旋翼遮挡周期及遮挡时间来调整PRACH信道的发送时刻，因此需要信关站分配一个上行载波专门用于用户随机接入，为PRACH信道提供更大的接收窗口；
利用RACH信道接入：由于RACH信道有更高的链路余量，即使存在旋翼遮挡情况，信关站仍能够检测并解调出相应的接入信号，因此，在直升机终端在返向随机接入过程中，直升机终端按照其他终端的接入方式进行接入，在未收到接入响应时通过随机回退再次接入。
作为一种具体示例，步骤2所述针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤3；如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤4，结合图2，具体如下：
步骤2.1、在卫星移动通信系统中，使用短突发进行业务传输，减少业务信道最小化阻塞概率，在自适应编码调制和功率控制期间，增加目标信号质量值，提高链路动态控制过程中链路余量，同时，在控制信令、分组或电路数据等传输阶段，利用卫星移动通信系统提供的RLC确认重传机制，通过错误数据包的重传，保证通信链路的可靠性；
针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式；
步骤2.2、当直升机终端使用一根天线时，信关站为终端分配同一传播路径上两个存在一定延时的突发对进行业务传输，并根据遮挡条件的不同，自适应开启或关闭双突发传输，当旋翼遮挡严重的情况下，发送端完成业务突发发送后，在同一传播路径上延时一段时间后再次重发该突发，从而保证直升机终端能够在旋翼缝隙期间接收相应的突发数据；当旋翼遮挡不严重的情况下，关闭双突发传输，通过在时间或空间上发送不同业务数据，提高单个用户业务传输速率；
对于电路专用信道来说，终端MAC层通过专用的控制信令通知信关站启动或关闭双突发分集传输方式；对于分组共享信道来说，可以通过突发头部的PUI传输双突发开启的时间及顺序，延时由直升机主旋翼桨叶RPM的范围和具有不同阴影深度的机载天线部署位置决定，保证即使其中一个突发完全被遮挡而无法接收的情况下，另外一个突发能够正常传输；
步骤2.3、当直升机终端使用两根天线时，信关站按照正常用户为终端分配一个突发对，信关站进行单突发对发送和接收，直升机终端利用双天线形成的独立路径进行分集接收，同时检测两个不同传输路径上的传输质量，若所有路径的传输质量均低于门限，则直升机终端采用基于STBC块的发射分集方式进行发射，否则选择其中一条传输质量较好的一条路径进行发射；信关站根据不同的发射方式采用不同的接收方法；
对于电路专用信道来说，终端MAC层通过专用的控制信令通知信关站启动或关闭突发分集传输方式；对于分组共享信道来说，通过突发头部的PUI传输终端发射分集方式。
作为一种具体示例，步骤3所述在时间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送，具体如下：
结合图3，时间分集的自适应双突发传输系统由信关站、直升机终端、移动卫星构成，其中，信关站和直升机终端在原卫星移动通信系统的相应设备中增加双突发传输模块，如信关站的信道设备中，直升机终端与信关站的自适应双突发传输机制一致，信关站中还需增加双突发信道资源分配和资源动态调度功能。
在业务建链的过程中，信关站无线资源控制层RRC为直升机终端分配双突发信道资源，并交由媒体访问控制层进行双突发传输调度；在业务传输过程中，媒体访问控制层MAC对业务数据进行分段形成MAC PDU并交由物理层进行处理，物理层首先对MAC PDU数据进行循环冗余校验、速率匹配、前向纠错编码、交织、加扰处理后，形成编码后的比特流，然后再将编码后的数据进行调制、突发成形处理后，形成一个突发数据，最后该突发再由自适应双突发模块处理，经上行馈电链路发送到移动通信卫星中，信关站自适应双突发传输模块在根据突发是否重发要求，在延迟一段时间TCHTdelay后重发，如图中的U1和U1’；直升机终端的接收机通过监听并解调译码两个突发，根据译码后的CRC来选择最佳的接收通道；
信关站无线资源控制层在分配双突发信道资源的过程中，首先按照正常资源分配算法分配第一个突发上下行信道资源，然后再按照如下公式计算第二个突发上下行信道资源：
Figure BDA0004048966320000111
SecondBurststartslot＝(FirstBurstendslot+TCHTdelay+TCHBurstduration)modFrameslotNum2*TCHBurstduration+TCHTdelay≤Tperiod
其中，FirstBurstendslot、SecondBurststartslot分别为第一个突发结束时隙、第二个突发起始时隙，TSdurtion为卫星移动通信系统配置的时隙持续时间，单位为毫秒，Max(Tduration)为机型旋翼遮挡持续时间最大值，Frameendslot为一帧的结束时隙，TCHBurstduration为业务信道的持续时隙数，Tperiod为支持机型的旋翼遮挡最小周期。最后，分配双突发信道资源后，将资源信息配置给MAC层和卫星终端。
作为一种具体示例，步骤4所述在空间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送，具体如下：
结合图4，空间分集的自适应双突发传输系统由信关站、直升机终端、移动卫星构成，其中，信关站和直升机终端在原卫星移动通信系统的相应设备中增加双突发传输模块，如信关站的信道设备中；与时间分集不同，直升机终端与信关站的自适应双突发传输机制不一样，信关站无需增加额外功能。
在业务建链的过程中，信关站无线资源控制层RRC按照正常终端为直升机终端分配单突发信道资源，并交由媒体访问控制层进行双突发传输调度；在业务传输过程中，信关站突发传输过程与正常终端一样；直升机终端的接收机利用分集接收技术从两组天线接收独立的天线信号，并利用最大比率进行合并处理，同时测量两个独立接收路径的传输质量，若所有路径传输质量较差，则由终端的自适应双突发传输模块对调制后的突发数据进行时空编码，并由两个独立的天线发送出去，否则，选择传输质量较好的路径传输突发数据；
信关站和直升机终端的无线资源控制层基于两个独立传输路径的链路质量进行双突发自适应传输，MAC层对双突发信道上接收到的数据进行CRC校验，并采用如下公式计算当前链路传输质量状态LQSi：
Figure BDA0004048966320000121
其中，N为滑动窗口的大小，CRCn代表滑动窗口中第n帧业务数据是否校验通过，1为数据正确并校验通过，0为数据不正确未校验通过；对于不同的业务LQSi的门限不同，实时业务要求设定为大于等于90％；
当LQSi低于通信业务要求的门限时，MAC层开启物理层双突发传输，将同样的业务数据打包成两个同样的MACPDU中，并由物理层双突发传输模块进行传输；当LQSi高于通信业务要求的门限时，MAC层关闭物理层双突发传输，将缓冲区中其他业务数据打包成两个不同的MACPDU中，并由物理层双突发传输模块进行传输。
作为一种具体示例，步骤5所述直升机采用包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，进行业务信道的通信数据接收，具体如下：
包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机包括分集合并接收机和双突发自适应接收机两部分；
分集合并接收机将分集接收设备的多个接收信号合并成单个增强信号；分集合并可以避免因突发严重扭曲(例如，由于刀片遮挡)而造成的损失，在最大比率合并(MRC)中，接收到的信号根据其SNR进行加权，然后求和。在选择合并中，在N个接收信号中，选择最强的信号。
结合图5，分集合并接收机包括多个解调译码路径，如图中路径1、路径2、路径3。在分集合并接收机中，分组选择器可以从路径1、路径2、路径3中选择CRC正确的一路中输出；路径1和路径2按照终端正常的接收路径实现，路径3是基于路径1和路径2的最大比例合并后的接收路径；
路径1使用解调器、译码器和CRC检测器来处理时间或空间上独立的一路无线接收信号，并输出CRC通过的数据包，同时将该路径上的信号通过突发SNR进行加权来生成软判决符号；路径2使用解调器、译码器和CRC检测器来处理时间或空间上另一条独立的信号，并输出CRC通过的数据包，同时将该路径上的信号通过突发SNR进行加权来生成软判决符号；路径3使用合并器、译码器和CRC检测器以输出CRC通过的解码分组；合并器基于两条独立路径上的权重矩阵将路径1和路径2软判决符号合并输出，译码校验后输出CRC通过的数据包；
双突发自适应接收机从两条独立路径接收用户数据，若启动双突发传输，则丢弃其中一条路径上的数据，另外一个数据发送给MAC层，若关闭双突发传输，则将两条路径上CRC正确的数据发送给MAC层；记录两条路径的CRC结果，统计两条路径的下行信号传输质量，便于发送端自适应双突发发送。
结合图6，通信数据接收步骤具体如下：
步骤5.1、直升机终端接收到下行信号；
步骤5.2、对每一个下行信号产生突发SNR、软判决符号和数据包CRC；
步骤5.3、根据软判决符号及相关的SNR权重矩阵进行最大比率合并，形成合并符号并进行译码、CRC校验；
步骤5.4、从每条路径生成的数据包中，选择CRC正确的作为输出；
步骤5.5、丢弃冗余数据包。
作为一种具体示例，步骤6所述当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送，具体如下：
在直升机终端配置单天线的情况下，除了旋翼遮挡之外，机身还可能存在短时间遮挡，具体取决于天线与卫星的相对方向。在这种情况下，信号衰落幅度大并且持续时间较长，可能持续数十秒，基于时间分集的自适应双突发传输机制无法解决。为了避免数据包丢失，终端发射机可以通过监控下行链路信道质量SQI来确定是否适合发射，如果终端的下行链路SQI低于链路余量下，则在终端终止在上行数据传输，结合图7，具体如下：
步骤6.1、为了保证直升机通信的稳定性，目标信号质量SQT增加3dB余量；
步骤6.2、信关站对接收到的突发进行信号质量SQI估计，计算与SQT的差值PAR，并通过随路功率控制信道将PAR反馈给直升机终端；
步骤6.3、直升机终端利用滑动窗口机制统计近期的PAR，即可获得一段时间内PAR最大和最小值，前者对应链路最差的情况，后者对应完全无遮挡情况下功率情况，两者之差即为上行链路的余量；
步骤6.4、直升机终端对接收到的突发进行信号质量SQI估计，统计最近一段时间内的信号质量最大值，该信号质量即对应完全无遮挡情况下的接收信号质量SQI；
步骤6.5、直升机终端将当前的信号质量估计结果与最高信号质量比较，计算信号质量差值，如果差值小于链路佘量，则可以启动发送；如果差值量大于链路佘量，则停止发送。
本发明卫星移动通信系统下直升机通信方法，具有以下特点：
1、双突发自适应调度传输技术，设计了基于时间分集技术的公共控制信道双突发发送机制，在兼容已有卫星终端接入的同时实现直升机终端的接入；根据直升机终端搭载的天线数量不同采用不同的资源分配和自适应调度方式，当直升机终端使用一根天线时，为终端分配同一传播路径上两个存在一定延时的突发对进行业务传输，两端通过检查两个路径上的传输质量判断是否开启双突发传输，当直升机终端使用两根天线时，信关站按照正常用户为终端分配一个突发对，信关站进行单突发对发送和接收，直升机终端利用双天线形成的独立路径进行分集接收，同时检测两个不同传输路径上的传输质量，若所有路径的传输质量均低于门限，则直升机终端采用基于STBC块的发射分集方式进行发射，否则选择其中一条传输质量较好的一条路径进行发射；
2、为解决双突发自适应传输的突发信号接收问题，设计分集合并和双突发自适应的联合接收机，其中，分集合并接收将两个独立路径(时间或空间上独立)上收到的多个接收信号合并成增强信号，提高信关站到直升机终端下行链路可靠性；双突发自适应接收机从两条独立路径接收用户数据，若启动双突发传输，则丢弃其中一条路径上的数据，另外一个数据发送给MAC层，若关闭双突发传输，则将两条路径上CRC正确的数据发送给MAC层。
3、短时间链路遮挡条件下的链路自适应控制，在卫星移动通信的基础上，基于链路测量的方式决定是否上行发送，终端发射机可以通过监控下行链路信道质量SQI来确定是否适合发射，如果终端的下行链路SQI低于链路余量下，则在终端终止在上行数据传输。
综上所述，本发明在基于已有卫星移动通信系统的基础上，通过信号调度或增强终端等方式，解决旋翼叶片引起的周期性遮挡、直升机机身造成的长期遮挡、旋翼叶片以及来自地球和直升机机身的多径反射对卫星通信信号造成的影响，在不影响现有卫星终端用户接入的条件下，实现了直升机终端用户可靠接入。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信；
步骤2、针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤3；如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤4；
步骤3、在时间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送；
步骤4、在空间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送；
步骤5、直升机采用包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，进行业务信道的通信数据接收；
步骤6、当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送。
2.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤1所述的采用公共控制信道双突发固定发送机制，进行控制信道的通信，具体如下：
在卫星移动通信系统中，采用前返向公共控制信道作为各型卫星终端获取系统上下行同步及网络广播、寻呼信息的方式；
由于前向公共控制信道突发的持续时间大于10ms，公共控制信道需要独占一个载波并从0时隙开始发送，载波中还剩余大量时隙资源可用于后续扩展，为了实现直升机终端的初始接入，在发送完前向公共控制信道突发CCCHBurst后延迟一段时间CCCHTdelay后重复发送该控制信道的副本CCCHBurst′，公式为：
Figure FDA0004048966310000011
CCCHBurst′startslot＝CCCHBurstendslot+CCCHTdelay
2*CCCHBurstduration+Tdelay≤Tperiod
其中，CCCHBusrtendslot为前向公共控制信道的突发结束时隙，TSdurtion为卫星移动通信系统配置的时隙持续时间，单位为毫秒，Max(Tduration)为各类直升机旋翼遮挡持续时间最大值，CCCHBurstduration为前向公共控制信道的持续时间，Tperiod为支持机型的旋翼遮挡最小周期；
在返向接入过程中，通过PRACH信道接入和利用RACH信道接入两种方式解决接入问题；
选择持续时间更短的PRACH信道接入方式：在直升机终端在返向随机接入过程中，通过一段时间的下行广播信道质量测量统计，可估算出旋翼遮挡周期，并在非遮挡周期内通过PRACH信道发送接入消息，在该过程中，终端需要在星地往返延时的基础上，根据旋翼遮挡周期及遮挡时间来调整PRACH信道的发送时刻，因此需要信关站分配一个上行载波专门用于用户随机接入，为PRACH信道提供更大的接收窗口；
利用RACH信道接入：由于RACH信道有更高的链路余量，即使存在旋翼遮挡情况，信关站仍能够检测并解调出相应的接入信号，因此，在直升机终端在返向随机接入过程中，直升机终端按照其他终端的接入方式进行接入，在未收到接入响应时通过随机回退再次接入。
3.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤2所述的针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式，如果直升机为单天线则采用时间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤3；如果直升机为双天线则采用空间分集的自适应双突发传输方式，进入步骤4，具体如下：
步骤2.1、在卫星移动通信系统中，使用短突发进行业务传输，减少业务信道最小化阻塞概率，在自适应编码调制和功率控制期间，增加目标信号质量值，提高链路动态控制过程中链路余量，同时，在控制信令、分组或电路数据等传输阶段，利用卫星移动通信系统提供的RLC确认重传机制，通过错误数据包的重传，保证通信链路的可靠性；
针对业务传输应用需求，信关站为直升机终端选择待分配业务信道类型DTCH或PDTCH，并根据直升机终端卫星天线的数量，选择不同的分集传输方式；
步骤2.2、当直升机终端使用一根天线时，信关站为终端分配同一传播路径上两个存在一定延时的突发对进行业务传输，并根据遮挡条件的不同，自适应开启或关闭双突发传输，当旋翼遮挡严重的情况下，发送端完成业务突发发送后，在同一传播路径上延时一段时间后再次重发该突发，从而保证直升机终端能够在旋翼缝隙期间接收相应的突发数据；当旋翼遮挡不严重的情况下，关闭双突发传输，通过在时间或空间上发送不同业务数据，提高单个用户业务传输速率；
对于电路专用信道来说，终端MAC层通过专用的控制信令通知信关站启动或关闭双突发分集传输方式；对于分组共享信道来说，通过突发头部的PUI传输双突发开启的时间及顺序，延时由直升机主旋翼桨叶RPM的范围和具有不同阴影深度的机载天线部署位置决定，保证即使其中一个突发完全被遮挡而无法接收的情况下，另外一个突发能够正常传输；
步骤2.3、当直升机终端使用两根天线时，信关站按照正常用户为终端分配一个突发对，信关站进行单突发对发送和接收，直升机终端利用双天线形成的独立路径进行分集接收，同时检测两个不同传输路径上的传输质量，若所有路径的传输质量均低于门限，则直升机终端采用基于STBC块的发射分集方式进行发射，否则选择其中一条传输质量较好的一条路径进行发射；信关站根据不同的发射方式采用不同的接收方法；
对于电路专用信道来说，终端MAC层通过专用的控制信令通知信关站启动或关闭突发分集传输方式；对于分组共享信道来说，通过突发头部的PUI传输终端发射分集方式。
4.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤3中所述的时间分集的自适应双突发传输系统，具体如下：
时间分集的自适应双突发传输系统由信关站、直升机终端、移动卫星构成，其中，信关站和直升机终端在原卫星移动通信系统的相应设备中增加双突发传输模块，相应设备为信关站的信道设备；直升机终端与信关站的自适应双突发传输机制一致，信关站中还需增加双突发信道资源分配和资源动态调度功能。
5.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤3所述的在时间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送，具体如下：
在业务建链的过程中，信关站无线资源控制层RRC为直升机终端分配双突发信道资源，并交由媒体访问控制层MAC进行双突发传输调度；在业务传输过程中，媒体访问控制层MAC对业务数据进行分段形成MAC PDU并交由物理层进行处理，物理层首先对MAC PDU数据进行循环冗余校验、速率匹配、前向纠错编码、交织、加扰处理后，形成编码后的比特流，然后再将编码后的数据进行调制、突发成形处理后，形成一个突发数据，最后该突发数据再由自适应双突发模块处理，经上行馈电链路发送到移动通信卫星中，信关站自适应双突发传输模块再根据突发是否重发要求，决定是否在延迟一段时间TCHTdelay后重发；直升机终端的接收机通过监听并解调译码两个突发，根据译码后的CRC来选择最佳的接收通道；
信关站无线资源控制层RRC在分配双突发信道资源的过程中，首先按照正常资源分配算法分配第一个突发上下行信道资源，然后再按照如下公式计算第二个突发上下行信道资源：
Figure FDA0004048966310000031
SecondBurststartslot
＝(FirstBurstendslot+TCHTdelay+TCHBurstduration)mod FrameslotNum
2*TCHBurstduration+TCHTdelay≤Tperiod
其中，FirstBurstendslot、SecondBurststartslot分别为第一个突发结束时隙、第二个突发起始时隙，TSdurtion为卫星移动通信系统配置的时隙持续时间，单位为毫秒，Max(Tduration)为机型旋翼遮挡持续时间最大值，Frameendslot为一帧的结束时隙，TCHBurstduration为业务信道的持续时隙数，Tperiod为支持机型的旋翼遮挡最小周期；最后，分配双突发信道资源后，将资源信息配置给MAC层和卫星终端。
6.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤4所述的空间分集的自适应双突发传输系统，具体如下：
空间分集的自适应双突发传输系统由信关站、直升机终端、移动卫星构成，其中，信关站和直升机终端在原卫星移动通信系统的相应设备中增加双突发传输模块，相应设备为信关站的信道设备；信关站无需增加额外功能。
7.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤4所述的在空间分集的自适应双突发传输系统中，进行业务信道的通信数据发送，具体如下：
在业务建链的过程中，信关站无线资源控制层RRC按照正常终端为直升机终端分配单突发信道资源，并交由媒体访问控制层MAC进行双突发传输调度；在业务传输过程中，信关站突发传输过程与正常终端相同；直升机终端的接收机利用空间分集接收技术从两组天线接收独立的天线信号，并利用最大比率进行合并处理，同时测量两个独立接收路径的传输质量，若所有路径传输质量较差，则由终端的自适应双突发传输模块对调制后的突发数据进行时空编码，并由两个独立的天线发送出去，否则，选择传输质量较好的路径传输突发数据；
信关站和直升机终端的无线资源控制层RRC基于两个独立传输路径的链路质量进行双突发自适应传输，MAC层对双突发信道上接收到的数据进行CRC校验，并采用如下公式计算当前链路传输质量状态LQSi：
Figure FDA0004048966310000041
其中，N为滑动窗口的大小，CRCn代表滑动窗口中第n帧业务数据是否校验通过，1为数据正确并校验通过，0为数据不正确未校验通过；对于不同的业务LQSi的门限不同，实时业务要求设定为大于等于90％；
当LQSi低于通信业务要求的门限时，MAC层开启物理层双突发传输，将同样的业务数据打包成两个同样的MACPDU中，并由物理层双突发传输模块进行传输；当LQSi高于通信业务要求的门限时，MAC层关闭物理层双突发传输，将缓冲区中其他业务数据打包成两个不同的MACPDU中，并由物理层双突发传输模块进行传输。
8.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤5所述的包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，具体如下：
包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机包括分集合并接收机和双突发自适应接收机两部分；
分集合并接收机将分集接收设备的多个接收信号合并成单个增强信号，从而避免因突发严重扭曲而造成的损失，在最大比率合并MRC中，接收到的信号根据其SNR进行加权，然后求和；在选择合并中，在N个接收信号中，选择最强的信号；
分集合并接收机包括路径1、路径2、路径3多个解调译码路径，在分集合并接收机中，分组选择器可以从路径1、路径2、路径3中选择CRC正确的一路中输出；路径1和路径2按照终端正常的接收路径实现，路径3是基于路径1和路径2的最大比例合并后的接收路径；
路径1使用解调器、译码器和CRC检测器来处理时间或空间上独立的一路无线接收信号，并输出CRC通过的数据包，同时将该路径上的信号通过突发SNR进行加权来生成软判决符号；路径2使用解调器、译码器和CRC检测器来处理时间或空间上另一条独立的信号，并输出CRC通过的数据包，同时将该路径上的信号通过突发SNR进行加权来生成软判决符号；路径3使用合并器、译码器和CRC检测器以输出CRC通过的解码分组；合并器基于两条独立路径上的权重矩阵将路径1和路径2软判决符号合并输出，译码校验后输出CRC通过的数据包；
双突发自适应接收机从两条独立路径接收用户数据，若启动双突发传输，则丢弃其中一条路径上的数据，另外一个数据发送给MAC层，若关闭双突发传输，则将两条路径上CRC正确的数据发送给MAC层；记录两条路径的CRC结果，统计两条路径的下行信号传输质量，用于发送端自适应双突发发送。
9.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤5所述的直升机采用包括分集合并和双突发自适应接收的联合接收机，进行业务信道的通信数据接收，具体如下：
步骤5.1、直升机终端接收到下行信号；
步骤5.2、对每一个下行信号产生突发SNR、软判决符号和数据包CRC；
步骤5.3、根据软判决符号及相关的SNR权重矩阵进行最大比率合并，形成合并符号并进行译码、CRC校验；
步骤5.4、从每条路径生成的数据包中，选择CRC正确的作为输出；
步骤5.5、丢弃冗余数据包。
10.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统下直升机通信方法，其特征在于，步骤6所述的当存在短时间信号遮挡时，采用基于链路测量的方式决定是否上行发送，具体如下：
步骤6.1、为了保证直升机通信的稳定性，目标信号质量SQT增加3dB余量；
步骤6.2、信关站对接收到的突发进行信号质量SQI估计，计算与SQT的差值PAR，并通过随路功率控制信道将PAR反馈给直升机终端；
步骤6.3、直升机终端利用滑动窗口机制统计近期的PAR，即获得一段时间内PAR最大和最小值，前者对应链路最差的情况，后者对应完全无遮挡情况下功率情况，两者之差即为上行链路的余量；
步骤6.4、直升机终端对接收到的突发进行信号质量SQI估计，统计最近一段时间内的信号质量最大值，该信号质量即对应完全无遮挡情况下的接收信号质量SQI；
步骤6.5、直升机终端将当前的信号质量估计结果与最高信号质量比较，计算信号质量差值，如果差值小于链路佘量，则启动发送；如果差值量大于链路佘量，则停止发送。
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