CN1167375A - 甚小天线地球站网中的数字无线通信方法和系统结构 - Google Patents

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Abstract

在由数个VSAT用户站(3，4)及至少一个中心站或HUB(2)组成的卫星支持的VSAT网(1)中，提供了一种改进的数字无线通信的方法与系统结构。该方法的特征是用户通信被分为时限通信(ZKV)和非时限通信(ZUV)，卫星通信的传播参数的确定依赖于在单个通信线路上所存在的中心站或HUB(2)的传播条件。该系统的特征是，由一个VSAT网(1)组成，即一个中心站或HUB(2)、数个VSAT站(3a，3b，4a，4b)以及一个卫星(5)。

Description

甚小天线地球站网中的数字无线通信方法和系统结构
本发明涉及一种卫星支持的VSAT网中的改进的数字无线通信方法和系统结构，所述VSAT网包括数个VSAT用户站和至少一个中心站。
通过卫星无线通信，能够在一个具有中心式结构的封闭用户组(带有分支机构的公司，具有许多分店的连锁商店，带有终端用户的大型计算机)内良好地进行数据、语音以及图象的通信。这个网中的中继和组织功能是由一个中心站(HUB)实现的。HUB的天线口径比其余网络用户的口径大，而且发射功率也比其他网络用户的大。由于网络用户的抛物面天线直径很小(很小的孔径终端，VSAT)，因此这样一个卫星网通常被称为”VSAT网”。一种典型的VSAT网公开在《卫星通信手册：VSAT系统及地面站》增刊3(ITU-R，日内瓦1994)中。
从HUB到VSAT(出路(outroute))的数据流将被网中所有用户接收，由单个VSAT发出的信号(入路(inroute))通常是比较弱的，因VSAT站尺寸的限制，信号只能由HUB正确地接收。两个VSAT站之间的通信通常是经过HUB站进行的(“doublehop”＝双跳)，由于距离卫星很远，因此会造成信号传播时间延迟半秒。
这种VSAT网特别的优点在于：仅需一次传播就可将信息传输给数个用户，并且同时被所有的接收站接收。特别是在国际通信中，通过安装在用户附近的通信设备进行可以省去对地面联系来说必需的经过数个中继设备的弯路。
由于10GHZ以上的射频会因大气效应产生的典型的信号衰减，所以运行的相关设备必须有某种功率储备，以免通信因信号衰减而即刻崩溃。为了保证常年99.5％的利用率，对于目前通常使用的发送频率，即在12-14GHZ的所谓Ku波段，这种功率储备大约为2-3dB。所述功率储备是根据卫星网络的规模而固定设置的，并且在一年中大多数大气线路衰减很小的时间内，被作为规定的功率储备，所以在现有的系统中，这些储备并不用于附加通信的目的。
在卫星网中，给卫星通信硬性分配的衰减储备虽然为系统提供了某种程度的可靠性(利用率)，但也牺牲了系统的经济性。
本发明的任务在于，提供一种卫星支持的VSAT网中的改进的数字无线通信方法和系统结构，所述VSAT网用于一组封闭用户之间的通信。在线路衰减低于储备值的情况下，预先设定好的储备也会得到额外利用，以实现经济有效的工作。此外，运行中心站所用的设备也可得到更有效的利用。
本发明提供的方法的特征在于：用户通信被分为时限(Zeitkritisch)通信和非时限通信，卫星连接的传输参数的确定依赖于在单个的通信线路上所存在的中心站或者HUB的传播条件。
本发明提供的系统结构的特征在于：VSAT网由至少一个中心站或HUB，数个VSAT及一个卫星组成，中心站或HUB由数个地面站组成，呈明显的相互离开的排列，并且各具有工作在射频范围内的天线和传输设备，在地面站和中央控制单元即HUB站计算机之间具有地面固定连接线路。
本发明进一步的改进在于：信号通信总是经过受传播效应和/或系统组成部分失灵的影响最小的HUB的地面站或分集站传送。
中心站或者HUB在有需求的情况下分配给单个用户一个确定的频率，在这种情况下由于较低的交叉调制干扰能获得更高的传输质量。
应地面站或HUB单个用户的请求，所分配的可靠频率占用一个窄频带传输信道，在避免双跳情况下在两个用户之间直接建立电话通信。
时限通信(ZKV)具有确定的传输质量，例如在时间的P％内维持一个误码率，并例如在不超出误码率情况下，在时限通信时也进行非时限通信。
经过其他不正在工作的地面站或者分集站，不仅能进行时限通信而且能进行非时限通信。并且在达到或超出确定的误码率的情况下提供补充措施。例如，使用衰减计数测量，在质量降低的时候，如数据利用率减小的情况，以多于P％的时间维持时限通信。
对于点对多点传输，将数个有误差接收的不同的VSAT站的数据块组合成一个单个的校正单元，每个VSAT站从已经正确接收的若干数据块的内容里以及从所述的校正单元中找到所需求的信息。
在2个VSAT站之间，数据传输经过中心站或HUB进行，信息在HUB本地解调并只继续发送正确的数据块，错误的数据块立刻反馈回去，当中心站或HUB与接收的VSAT站之间的传输线路有强衰减时，在中心站或HUB站本地进行中间存储，并在稍后的有利时刻继续发送。
中心站或HUB的发送频率和允许的总数据率根据各个卫星线路上存在的传播条件确定，这个传播条件由中心站或HUB通过接收自己发送的信号以及VSAT站接收的信号电平与VSAT站传送的信号电平值比较而确定，并分配给VSAT站。
从中心站或HUB发出的信号包括HUB的系统信息，来自HUB中心计算机的数据和视听信息以及其他VSAT继续传递的信息，所述系统信息包括特定的传输参数，即将信息发射到另一个网络用户所必需的信息，如频率、数据率、纠错方法、识别方法及数据块规格，并且所收到的信号包括传输给HUB的数据或视听信息，传输给其他VSAT站的信息或者直接在VSAT站间传送的电话。
发送参数暂时存储在存储器的表格里，或者借助于一个商定的动态方法确定发送参数，该方法借助工作站计算机执行的控制程序考虑特殊的网络配置边界条件的影响。
以上所述系统结构与所述方法相结合，构成一个卫星支持的VSAT网中的改进的数字无线通信系统。
本发明的优点在于：设定的储备在线路衰减处在储备值以下时能得到额外利用，因此能经济而高效率地工作。为此目的，所建议的改进的VSAT系统可使用各种不同的传播方法，这些方法可根据当时的传播条件，最充分地利用可支配的卫星信道容量。为此而采取的补偿大气干扰的特别措施(衰减计数测量FCM)虽然基本上有一部分已是公知的，但将其组合在一起用于卫星网中，迄今还没有人提出。有效使用这些措施的前提条件是，网络中各个VSAT站的空间位置不相关连，这样，由于暴雨天气的范围(雷雨区)是有限的，所以在各个地方同时产生大雨衰减的可能性是不大的。
此外，本发明所提出的VSAT系统(方法和系统结构)这一新颖的方案可有效利用运行中心站所必要的设备，即由数个用户组共同利用同一个HUB站，例如从HUB站获取各种彼此独立互不相关的信号。此外，用两个或数个造价低廉的带有小天线的地面站来代替HUB站上的一个昂贵的带有大天线的地面站，还可使网络具有更高的可靠性和利用率。
利用本发明所述方法及系统结构，可通过使用只有少量功率储备而且价格便宜的设备达到目前的VSAT网的质量，或者在不改变现有卫星和设备的情况下容纳更多的用户，或者在用户数目不变时提高通信的质量及性能。还有一点可以做到的是，使用两个或更多的在空间上明显分开但由地面电缆连在一起的地面站，可明显降低对VSAT网内一个中心站的通常是较高的技术要求。
下面对照附图所示的实施例，对本发明加以详细说明。
图1表示本发明所述VSAT系统的一个典型结构；
图2表示在一个典型的VSAT网中通信信号的流向；
图3表示在多个VSAT网运行中，根据转发器的特性曲线得出的典型的卫星转发器的传输特性；
图4表示转发器频率安排的一个典型例子；
图5表示在卫星线路有大气效应衰减的情况下，自适应数据传输的例子；
图6表示点对多点通信中自适应传输重发(XOR-ARQ)；
图7表示控制HUB站的自适应措施的程序流程图例子。
在附图和说明书中使用了以下附图标记：
1VSAT网
2中心站或HUB
3，4VSAT站
5卫星
6，7地面站或分集站
8控制单元或HUB站计算机
9HUB站的系统信息
10HUB站的数据及视听信息
11HUB站传递的来自另外的VSAT站的信息
12从VSAT到HUB站的信息
13从VSAT通过HUB传递到其他VSAT的信息
14两个VSAT之间的电话
15入路--信道
16出路--信道
17语音传输
18图象传输
19数据传输
20压缩数据流
21线路衰减
图1示意性表示的传输系统包括一个VSAT网1。VSAT网1由一个中心站(HUB)2，数个VSAT站3a、3b、4a、4b以及一个卫星5组成。其中在同一个网内可以实现彼此独立的不同分组之间的通信，例如分组3a、4a站以及3b、4b站。卫星通信的传输参数的确定取决于各条通信线路上存在的HUB2的传输条件。VSAT站3a、3b、4a、4b能够接收HUB2在指定频率上的信号。
中心站2由一个或数个地面站6，7组成，这些站相互之间至少要有大约15km的距离(分集配置)。此外，每个地面站都包含一个工作在无线传输频率范围(HF，高频)的天线及传输设备。地面站6，7至一个中央控制单元8之间有地面固定连接线路。由于地面站6或7之一的装置失灵或由于衰减造成通信中断时，至少一部分网络的运行可通过另一个站维持，由于使用了同时运转而空间上隔开的并行地面站6，7，使得VSAT网1的运行获得了较高的可靠性。对每一个单个的地面站6，7，其可用性要求明显低于对一个单独的地面站HUB2的运行要求：这就在很大程度上避免了通常必须的高造价技术设备的使用，即以使用大功率放大器、备用件以及有逐日卫星移动校正功能的微调天线为标志的技术。由于是“分集配置”，所以不需要预设大的衰减储备，在分集配置的情况下，总是让处在较低信号衰减下的地面站(6，7)起作用，即作为“主站HUB”工作。
在长期利用率较低以及短期减少传输容量的限制下，受到强烈影响的备用站能被充分利用。在划分了时限通信ZKV和非时限通信ZUV的情况下，备用站只处理非时限通信ZUK，而主站主要传输时限通信ZKV。
图2描述了在一个VSAT网1内，HUB2与VSAT站3a及4a之间的通信联系。从HUB2发出的信号称为出路信号，包括了HUB系统信息9、主机的数据和视听信息10以及从HUB2转播的其他VSAT站的信息11，这些系统信息包括特殊的传播参数如频率、数据率、纠错方法、识别处理以及数据块长度，这些信息对于向其他网络用户发送信息(入路信号)是必需的。入路信号包括数据或传输到HUB2上的视听信息12、传输到其他VSAT站的数据13或者直接与其他VSAT站相联系的低速率电话。最后所述的电话通信按照HUB的请求，在一个专门的能被受话VSAT站接收的避免双跳的窄频带信道上进行。
本发明提出的VSAT系统方案包含的原理是，同一个VSAT网内的不同用户组经同一HUB站2通信。这个公共的HUB2不仅减少了单个系统的机器和人力费用，而且和出路信号通信线路在空间上不相关的情况相比，它也能使单个网络获得更高的利用率。这是由转发器的发送特性决定的，转发器随着输入功率的增强而进入较强的非线性饱和区(参见图3)。从而相对于功率弱的(入路)信号而言，功率强的(出路)信号被改善了。在强烈的大气衰减情况下，HUB-地面站6，7和卫星5之间的通信线路所对应的出路信号将被减弱，转发器特性曲线的工作点将偏移到较强的线性区。由于空间的不相关性，通常未被削弱的卫星入路信号将以高于正常状态的功率发射，所以到HUB2的下行线路的衰减干扰对通信的影响不大。
上面提出的分集配置以及一个公共HUB的方案能够交替地提高VSAT网的利用率。为在一个VSAT网内或者网间的更好地利用可支配的信道容量，特提出以下措施：
—区别时限通信ZKV与非时限通信ZUV，
—分配可靠的传输信道，
—根据衰减情况决定总有效数据率，
—自适应式传输重传。
以上措施优选用于VSAT站和卫星之间的通信线路上，以补偿衰减效应。
分配可靠的传输信道的方法的机理是，经相同的转发器信道传输数个信号时，存在不同的通信质量。质量的损失产生于杂散的干扰信号(所谓的交叉调制分量)，这种干扰导致信噪比降低。交叉调制分量的强度和频率抑制点基本上受功率强的出路信号的影响。干扰强时形成弱入路信号。在一种转发器配置的情况下，例如各有8个出路及入路信号总计可产生1920个3阶交叉调制分量，以及更高阶更弱的交叉调制分量。图4表示对入路信道15和出路信道16通过交叉调制所期望的信噪比极限。在这个配置中，可在约17dB信噪比的“可靠”信道与低于1dB信噪比的“非可靠”信道之间作出区分。不可靠信道的使用仅仅是为没有线路衰减的VSAT站设定的。在衰减情况下，分配一个由HUB2到VSAT站3，4的可靠信道，因此要维护通信的可分配性。对于尽管有需求但在VSAT站中已没有可靠信道的情况，从这个站只能进行非时限(ZUV)通信。
根据衰减情况决定总有效数据率的做法利用了以下事实，即由VSAT3，4发出的通信在通常的情况下并不是均匀的，如图5所示。通信既包括”实时收发”状态，如语音、图象传输17或者18(视听信号，例如视频会议、可视电话)，也包括或多或少允许延迟的数据传输19(电子邮件、文件传输、传真、远程登录)。正确传送数字信号所需的功率随着传输的比特数而增加。在线路有衰减的情况下，在维护通信质量的同时临时减少信息通过量是可能的，因为语音与图象的传输17或18一般固然需要一个较高的比特率，但由于频繁的讲话停顿及图象序列的少量运动，使实际比特率变化极大。同时传输的数据比特与视听信息共同组成具有这样的比特率的比特流20，使信号在当时存在的传播条件21下刚好能够以要求的质量进行传输。但数据通过量随着每次允许的数据比特率19而改变，同时也产生了相应的传输时间延迟。
以语音和图象传输为一方，以数据传输为另一方，其对传输质量的要求是不同的。在交互式视听信号通信中，要求尽最大可能降低时间延迟，因此在运行中容许较大的比特误码率(瞬时图象干扰是能够承受的，远程电话听不清的问题可通过询问消除)。然而数据收发却要求几乎无差错的传输，较小的时间延迟通常则无甚影响。视听通信可用通常的前向纠错措施保护，而无差错的数据传输在因衰减干扰通信的条件下可通过自适应自动重传方案得到保证，
在数据传输通常用到的ARQ方法(自动重传请求)有一个优点，就是只有在实际存在误差的情况下才需要使用补充传输容量。为进行错误识别，数据要以带有冗余校验位(奇偶性)的块结构方式传输。在识别出错误的情况下，要求自动重传(NAK不应答)，必要时也可规定附加的纠错方法。根据实际的数据率和传输质量，能够找到一个信息块长度以及错误识别措施，以便在规定的允许误码率范围内达到最大可能的数据通过量。这个方法尤其在点对点通信中的VSAT与HUB(入路)之间或者在HUB与单个VSAT站之间是适用的。在一点对多点通信的情况中，各个站接收的有多重错误的数据块被合并成唯一一个“校正块”，使每个站能够从一些已正确接收的数据块和这个校正块的内容中得出所要求的信息。这个原理见图6的说明。
在2个VSAT站之间的数据传输通过绕道HUB(双跳)进行。因此存在着这种可能，HUB对信息进行解调并且只继续发送正确的数据块；与此相反，错误的将立刻反馈回去。这样可以减少延迟时间，使收发传输线路不相关，与此同时还获得较好的数据质量和有效地利用容量。在强烈衰减的情况下，在HUB2和接收VSAT站3，4之间的传输电路上可以进行HUB本地的中间存储，以及在稍后的有利时刻发送，以此减轻信道容量负荷。卫星线路上的强衰减通常只会持续短时间，同增加的效率相比，这个附加的时间延迟可以忽略不计。
以上所述方法和系统结构涉及的是VSAT系统；在系统内，语音、图象和数据通信经卫星5在互连的网络之间进行，所述的网络至少包括一个中心站或HUB2以及更多的下属VSAT站3，4。HUB2发送信息到VSAT站3，4，并且以另一个频率接收从VSAT站3，4发送的信息。发送的频率和允许的总数据率由HUB2根据各条卫星线路上存在的传播条件的确定。所述传播条件由HUB2通过接收自己发送的信号以及将VSAT站接收的信号电平与VSAT站传送的信号电平值加以比较而确定，并分配给VSAT站。
VSAT站以HUB2指定的发送频率发送信息，其中包括传送的发送参数如总数据率、数据块长度以及纠错方法。这些参数或是从一个表格读出，或者以一种适应特殊网络结构边界条件(雨天气候情况，允许的通信中断范围或者与最佳值相比降低了的信道容量利用率)的动态方法确定。一个可在HUB2站计算机上执行的控制程序的例子见图7程序框图所示。
HUB站2在进行了正确接收的检验后，继续传输VSAT站之间的数据通信。HUB2将电话发话方VSAT站的通话请求通知给受话方，并且提供相应的窄频带卫星信道建立两者之间的通话。

Claims (13)

1.卫星支持的VSAT网中的改进的数字无线通信方法，所述VSAT网包括数个VSAT用户站和至少一个中心站，用于进行语音、图象及数据通信，其中网内的各个用户或用户组可要求使用远程通信服务，其特征是：用户通信被分为时限通信(ZKV)和非时限通信(ZUV)，卫星通信的传播参数的确定依赖于在单个的通信线路上所存在的中心站或者HUB(2)的传播条件。
2.按权利要求1所述的方法，其特征是：信号通信总是经过受传播效应和/或系统组成部分失灵的影响最小的HUB(2)的地面站或分集站(6，7)传送。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征是：中心站或者HUB(2)在有需求的情况下分配给单个用户一个确定的频率，在这种情况下由于较低的交叉调制干扰能获得更高的传输质量。
4.按权利要求3所述的方法，其特征是：应地面站或HUB(2)单个用户的请求，所分配的可靠频率占用一个窄频带传输信道，在避免双跳情况下在两个用户之间直接建立电话通信。
5.按权利要求1或2所述的方法，其特征是：时限通信(ZKV)具有确定的传输质量，例如在P％时间内维持一个误码率(BER)，并例如在不超出误码率(BER)情况下，在时限通信(ZKV)时也进行非时限通信(ZUV)。
6.按权利要求2或5所述的方法，其特征是：经过其他不正在工作地面站或者分集站，不仅能进行时限通信(ZKV)而且能进行非时限通信(ZUV)；并且在达到或超出确定的误码率的情况下提供补充措施。例如，使用衰减计数测量(FCM)，在质量降低的时候，如数据利用率减小的情况，以多于P％的时间维持时限通信(ZKV)。
7.按权利要求1到6之中任何一项所述的方法，其特征是：对于点对多点传输，将数个有误差接收的不同的VSAT站(3，4)的数据块组合成一个单个的校正单元，每个VSAT站(3，4)从已经正确接收的若干数据块的内容里以及从所述的校正单元中找到所需求的信息。
8.按权利要求1到7之中任何一项所述的方法，其特征是：在2个VSAT站(3，4)之间，数据传输经过中心站或HUB(2)进行，信息在HUB(2)本地解调并只继续发送正确的数据块，错误的数据块立刻反馈回去，当中心站或HUB(2)与接收的VSAT站之间的传输线路有强衰减时，在中心站或HUB(2)站本地进行中间存储，并在稍后的有利时刻继续发送。
9.按权利要求1到8之中任何一项所述的方法，其特征是：中心站或HUB(2)的发送频率和允许的总数据率根据各个卫星线路上存在的传播条件确定，这个传播条件由中心站或HUB(2)通过接收自己发送的信号以及VSAT站接收的信号电平与VSAT站传送的信号电平值比较而确定，并分配给VSAT站(3，4)。
10.卫星支持的VSAT网的改进的数字无线通信系统结构，其特征是：VSAT网(1)由至少一个中心站或HUB(2)、数个VSAT(3a，3b，4a，4b)及一个卫星(5)组成，中心站或HUB(2)由数个地面站(6，7)组成，呈明显相互离开的方式排列，并且各具有工作在射频范围内的天线和传输设备，在地面站(6，7)和中央控制单元即HUB站计算机(8)之间具有地面固定连接线路。
11.按权利要求10所述的系统结构，其特征是：从中心站或HUB(2)发出的信号包括HUB(2)的系统信息(9)，来自HUB(2)中心计算机(8)的数据和视听信息(10)以及其他VSAT(3，4)继续传递的信息(11)，所述系统信息包括特定的传输参数，即将信息发射到另一个网络用户所必需的信息如频率、数据率、纠错方法、识别方法及数据块规格，并且所收到的信号包括传输给HUB(2)的数据或视听信息(12)，传输给其他VSAT站(3，4)的信息(13)，或者直接在VSAT站(3，4)间传送的电话(14)。
12.按权利要求10或11所述的系统结构，其特征是：发送参数暂时存储在存储器的表格里，或者借助于一个商定的动态方法确定发送参数，该方法借助工作站计算机(8)执行的控制程序考虑特殊的网络配置边界条件的影响。
13.按以上权利要求中的一个或数个所述的系统结构，其特征是：所述系统结构与权利要求1到9所述方法相结合构成一个卫星支持的VSAT网(1)中的改进的数字无线通信系统。
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