CN117081640B - 基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法，能够使得不同协议体系的卫星间以及卫星和船舶间可以实现互联互通，且借助星间组网来构建空天地海一体化网络体系，实现多系统协同组网。基于本发明所提出的互联网关，通过协议转换采用统一的通信制式，使得不同协议体系的卫星间以及卫星和船舶间可以实现互联互通，且借助星间组网来构建空天地海一体化网络体系，实现多系统协同组网，解决现有各通信体系因制式不兼容无法进行数据交换以及超出同一制式卫星覆盖范围带来的服务中断问题。

Description

基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法。

背景技术

现有的船舶、卫星以及地面通信体系所采用的编码方式、频段、协议各不相同，导致各系统间因为制式不兼容而无法进行数据交换，大大降低了通信资源的利用率。其次，同一制式下的卫星和终端设备间，如果终端设备与卫星距离太远，即超出卫星的覆盖范围，也将导致服务的中断。此外，因为数据间存在冗余信息，即相邻的数据间具有相关性，存在相同的信息。且数据内也存在冗余信息，比如一些重复出现或可推测其值的字段。所以可以对数据进行压缩处理以消除或减少信息传输的冗余度，从而更加高效的利用链路资源，减少通信的传输时延，使得空天地海一体化的多系统融合通信传输更加高效，使终端用户获得更佳的业务体验和服务效果。

现有技术大多通过地面网关或地面设备来实现不同系统间的协议转换或互联互通，星地往返时延大大降低了通信效率。此外，现有的压缩技术大多针对IP数据包等上层协议，缺少对帧头进行压缩处理的方法。且大多是基于端到端的压缩和解压缩方法，对于多跳传输而言，只会增大链路开销和传输时延。现有技术中的问题如图1所示。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法，能够使得不同协议体系的卫星间以及卫星和船舶间可以实现互联互通，且借助星间组网来构建空天地海一体化网络体系，实现多系统协同组网。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法，通过互联网关，借助星间组网，构建舰载5G终端与5G核心网间的通信链路，实现5G与多系统卫星的融合一体化组网，具体如下：

舰载5G终端首先通过舰载互联网关实现5G终端协议与统一协议的转换，采用统一协议的帧格式进行封装；然后舰载5G通过临时中继卫星与5G卫星间建立组网，5G卫星接收到统一协议数据帧后通过星载互联网关实现星上协议转换，转换为5G协议；最后通过星载gNB与信关站建立通信链路，从而通过信关站接入5G核心网。

其中，所述舰载互联网关包括接入层、处理层和控制层；其中接入层包括星地链路模块和星间链路模块；处理层包括协议转换模块和帧头压缩模块；控制层包括差错控制模块和路由转发模块；舰载互联网关没有星间链路模块和路由转发模块；通过星载互联网关实现星上协议转换，使采用不同协议体系的卫星间进行通信以及不同协议体系的船舶和卫星间实现通信。

其中，传输过程中帧头压缩处理过程为：源端即为压缩方，对原始帧头进行压缩处理和CRC校验，将压缩帧头和CRC值一起打包转发出去；中间节点通过提取和识别接收到的分组中的FID，仅进行转发处理，不需要压缩和解压缩；目的端即为解压方，对压缩帧头进行解压缩还原出原始帧头，并对其进行CRC校验，将得到的校验值与发送方发送的CRC进行比较，若相同则说明解压缩正确；

其中，采用对不同类型的数据采用不同的压缩处理方法：对帧头中不同的数据类型进行分类，分为固定属性类、推测确定类、规律变化类和无规律变化类。

其中，舰载5G基于所述互联网关，通过不同协议体系的星间组网，从而接入5G核心网的流程具体如下：

第一步：建立星船链路：孤立舰载5G船通过舰载互联网关与上空非5G卫星建立星船链路，所述孤立舰载5G船为无法与附近海域、空域建立5G链路的船舶；

第二步：对数据进行处理并传输至卫星:孤立舰载5G船通过舰载互联网关对数据进行处理，包括协议转化和帧头压缩处理，向上空非5G卫星发送处理后的数据；

第三步：通过星间组网传输数据：临时中继卫星通过星载互联网关查找星间路由，与目的5G卫星通过星间组网建立传输链路，所述临时中继卫星为与孤立舰载5G船建立星船链路的上空非5G卫星；

第四步：对数据进行处理并转发：目的5G卫星接收数据后，通过星载互联网关对数据进行协议转换和解压缩处理，再通过星地链路将还原的数据发送至信关站，然后由信关站接入5G核心网。

其中，5G核心网基于所述互联网关，通过不同协议体系的星间组网，从而将数据传输至舰载5G的流程具体如下：

第一步：对数据进行转发：信关站将来自5G核心网数据通过星地链路发送至目的5G卫星；

第二步：对数据进行处理：目的5G卫星通过星载互联网关将数据重新封装为统一的帧格式，并进行帧头压缩处理；

第三步：通过星间组网传输数据：目的5G卫星通过查找路由表以及链路状态信息，通过星载互联网关进行星间组网将数据转发至临时中继卫星；

第四步：建立星船链路并传输数据：临时中继卫星通过星间链路接收到数据，并通过建立的星船链路将数据转发至孤立舰载5G船；

第五步：对数据进行处理和接收：孤立舰载5G船通过舰载互联网关将接收到的数据进行协议转换和解压缩处理，还原出原始数据。

有益效果：

1、本发明通过星间组网，可以减小星地跳数和通信传输时延，而且通过星间链路传输的信号可有效避免大气和降雨衰减带来的影响。基于本发明所提出的互联网关，通过协议转换采用统一的通信制式，使得不同协议体系的卫星间以及卫星和船舶间可以实现互联互通，且借助星间组网来构建空天地海一体化网络体系，实现多系统协同组网，解决现有各通信体系因制式不兼容无法进行数据交换以及超出同一制式卫星覆盖范围带来的服务中断问题。

2、本发明互联网关还可实现帧头压缩技术，对帧头中不同类型的字段进行不同的压缩处理，且采用基于流标识(FID，flow identification)的转发，仅需在源端和目的端进行压缩和解压缩处理，减少了数据传输时帧头信息冗余的问题，节省通信链路资源，提高多跳传输效率。

3、本发明还对压缩帧头采用了CRC校验，保障了压缩和解压缩数据传输的准确性。

附图说明

图1为现有技术存在的问题示意图。

图2为本发明最终实现的多系统融合通信示意图。

图3为本发明互联网关示意图。

图4为本发明传输过程中帧头压缩处理过程示意图。

图5为本发明上行数据传输流程图。

图6为本发明下行数据传输流程图。

图7为本发明舰载5G终端与5G核心网通过互联网关实现通信的协议栈示意图。

图8为本发明方法的具体应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法，舰载5G终端首先通过舰载互联网关实现5G终端协议与统一协议的转换，采用统一协议的帧格式进行封装。然后舰载5G通过临时中继卫星与5G卫星间建立组网，5G卫星接收到统一协议数据帧后通过星载互联网关实现星上协议转换，转换为5G协议。最后通过星载gNB与信关站建立通信链路，从而通过信关站接入5G核心网。由此通过互联网关，借助星间组网，构建了舰载5G终端与5G核心网间的通信链路，实现了5G与多系统卫星的融合一体化组网。本发明最终实现的多系统融合通信示意图如图2所示。

其中，设计本发明的互联网关包括接入层、处理层和控制层。其中接入层包括星地链路模块和星间链路模块；处理层包括协议转换模块和帧头压缩模块；控制层包括差错控制模块和路由转发模块。舰载互联网关没有星间链路模块和路由转发模块。通过星载互联网关可实现星上协议转换，使采用不同协议体系的卫星间进行通信，例如5G卫星、CCSDS卫星、VDES卫星等。此外，舰载互联网关也可使不同协议体系的船舶和卫星间实现通信。本发明互联网关如图3所示。

接入层的星地链路模块主要用于建立卫星与船舶间的通信链路、其中包括星地通信天线，捕获跟踪单元和射频处理单元。星地通信天线用以接收和发送射频信号，捕获跟踪单元具有调整星地通信天线以确保成功建立通信链路的功能，射频处理单元对信号进行调制/解调、滤波、变频、编码/解码等处理。

接入层的星间链路模块主要用于建立星间链路，使得数据可以在星间进行传输，其中包括星间通信天线，捕获跟踪单元，射频处理单元。星间通信天线用以收发星间信号，捕获跟踪单元具有调整本卫星天线以确保与目标卫星的星间通信天线成功建立通信链路的功能，射频处理单元用于对信号进行调制/解调等处理。

处理层的协议转换模块主要用于进行原始协议和统一协议间的协议转换，即数据链路层中帧的解封装和封装处理。其中包括原始协议封装单元，统一协议封装单元。两个封装单元都具有解封装和封装功能。始协议表示卫星或船舶自身携带的协议，统一协议则是表示将数据采用统一的帧格式来封装以实现不同协议间的制式融合统一。

处理层的帧头压缩模块主要用于对协议转换后的统一协议帧进行帧头压缩处理，包括压缩处理单元和FID管理单元。其中压缩处理单元对不同类型的数据字段采用不同的压缩处理方法，消除或减少数据传输的冗余度。FID管理单元具有分配管理和提取识别FID的功能，对同一数据流的数据分配唯一标识符FID，使得源端，中间节点和目的端通过提取和识别FID分别进行压缩、转发和解压缩处理。

控制层的差错控制模块主要用于对传输数据进行差错检测和重传处理，包括CRC校验单元和重传控制单元。其中CRC校验单元负责对解压缩后的帧头进行CRC校验以确保正确解压缩，以及对整个接收到的数据帧进行CRC校验以确保接收数据的准确性。重传控制单元是在当CRC校验错误时，须向发送方发送反馈信息请求重传，以及当接收到的数据包不连续，存在丢包时也需要请求重传。

控制层的路由转发模块主要用于确定星间路由，使数据可以成功传输至目的卫星。其中包括路由查找单元和链路检测单元。本发明采用基于虚拟拓扑结构的现有路由策略，通过建立星间链路状态表，生成星间路由表。路由查找单元具有对星间路由表和星间链路状态表进行周期性的更新，路由信息判断和寻路的功能。链路检测单元具有检测数据链路稳定性的功能，当检测到当前星间链路或星船链路不稳定时，须向两边连接侧的卫星或设备发送反馈信号，以提醒其更换新的星间链路，确保传输的稳定性。

接入层的星地链路模块和星间链路模块保障了不同协议体系的船舶和卫星间的物理层通用参数的统一，包括编码方式，通信频段等，使得两者间的通信链路得以建立。处理层的协议转换模块和帧头压缩模块使得不同协议体系的卫星间以及卫星和船舶间得以通信，同时减少了星船链路和星间链路数据传输的冗余度。控制层的差错控制模块和路由转发模块确保了数据传输的准确性，使得收发双方可以稳定且正确的传输数据。

传输过程中帧头压缩处理过程如图4所示。源端即为压缩方，对原始帧头进行压缩处理和CRC校验，将压缩帧头和CRC值一起打包转发出去。中间节点通过提取和识别接收到的分组中的FID，仅进行转发处理，不需要压缩和解压缩。目的端即为解压方，对压缩帧头进行解压缩还原出原始帧头，并对其进行CRC校验，将得到的校验值与发送方发送的CRC进行比较，若相同则说明解压缩正确。

帧头压缩的过程本发明采用对不同类型的数据采用不同的压缩处理方法。对帧头中不同的数据类型进行分类，分为固定属性类、推测确定类、规律变化类、无规律变化类。其中固定属性类表示同一数据流中固定不变的信息，同一源地址发送到同一目的地址的数据被定义为同一数据流。比如帧类型，源地址，目的地址等属于固定属性类，每一个数据流分配唯一的FID标识符以标记，通信双方仅需传输FID而不需要冗余传输相同的帧头信息。推测确定类表示其值可计算得到或可由其他字段的值推测得到，存在相关性冗余可被压缩。规律变化类表示其值是变化的，但变化存在一定的规律，由此可以采用WLSB(基于窗口的最低有效位，Window-based LSB Encoding)算法对其进行压缩。无规律变化类则表示其值是变化的且无规律，对这类字段不进行压缩处理。

多系统融合通信分为两个阶段：第一阶段为建链阶段，在星船建链和星间建链时传输完整帧头信息，以及FID标识，位置信息等建立通信链路所需的信息；第二阶段为数据传输阶段，在基于星间组网的多跳传输中传输消除冗余后的数据帧，实现高效数据传输。

综上，本发明方法兼容性好，识别简单，并且节省资源，具体地本发明所提出的帧头压缩技术对帧头中字段进行了分类，对不同类型的字段采用了不同的压缩处理方法。以及对帧头的CRC校验保障了压缩和解压缩过程的准确性，使得数据得以正确传输。此外，基于FID的转发使得仅需在源端和目的端分别进行压缩和解压缩处理，中间节点仅负责转发，进一步节省了链路资源，减少了通信时延，适用于卫星多跳远距离传输。

舰载5G基于本发明所提出的互联网关，通过不同协议体系的星间组网，从而接入5G核心网的流程如图5所示，具体如下：

第一步：建立星船链路。孤立舰载5G船通过舰载互联网关与上空非5G卫星建立星船链路，所述孤立舰载5G船为无法与附近海域、空域建立5G链路的船舶

第二步：对数据进行处理并传输至卫星。孤立舰载5G船通过舰载互联网关对数据进行处理，包括协议转化和帧头压缩处理，向上空非5G卫星发送处理后的数据

第三步：通过星间组网传输数据。临时中继卫星通过星载互联网关查找星间路由，与目的5G卫星通过星间组网建立传输链路，所述临时中继卫星为与孤立舰载5G船建立星船链路的上空非5G卫星

第四步：对数据进行处理并转发。目的5G卫星接收数据后，通过星载互联网关对数据进行协议转换和解压缩处理，再通过星地链路将还原的数据发送至信关站，然后由信关站接入5G核心网

5G核心网基于本发明所提出的互联网关，通过不同协议体系的星间组网，从而将数据传输至舰载5G的流程如图6所示，具体如下：

第一步：对数据进行转发。信关站将来自5G核心网数据通过星地链路发送至目的5G卫星

第二步：对数据进行处理。目的5G卫星通过星载互联网关将数据重新封装为统一的帧格式，并进行帧头压缩处理

第三步：通过星间组网传输数据。目的5G卫星通过查找路由表以及链路状态信息，通过星载互联网关进行星间组网将数据转发至临时中继卫星

第四步：建立星船链路并传输数据。临时中继卫星通过星间链路接收到数据，并通过建立的星船链路将数据转发至孤立舰载5G船

第五步：对数据进行处理和接收。孤立舰载5G船通过舰载互联网关将接收到的数据进行协议转换和解压缩处理，还原出原始数据。

舰载5G终端与5G核心网通过互联网关实现通信的协议栈示意图如图7所示。其中互联网关包括物理层的统一协议(UP-PL，unified protocol-physical layer)以及数据链路层的统一协议(UP-PL，unified protocol-link layer)。OP-UP表示原始协议和统一协议间的协议转换，此处原始协议即为5G协议。UP-PL保障了采用互联网关的各设备间物理层能进行通信，即射频处理和频率方面的制式约定。UP-LL保障了数据链路层的通信能够顺利进行，通过对原始帧进行解封装并采用统一格式进行重新封装的方式，使得不同协议体系卫星间以及卫星和船舶间得以互联互通。

本发明的一个应用实施场景如图8所示，其中包括使用不同通信协议体系的卫星(大写字母表示)和船舶(小写字母表示)，信关站，岸上基站，5G核心网和数据网(DataNetwork)。其中卫星C和船舶c表示采用5G协议的卫星和船舶。信关站与岸上基站都可通过5G核心网接入数据网。其中星间链路(ISL)表示不同制式的卫星间的通信链路，星地链路表示信关站与卫星间的通信链路，星船链路表示卫星与船舶之间的通信链路，船岸链路表示船舶与岸上基站的通信链路，船间链路表示可直接进行通信的船舶间的通信链路。现有技术仅支持采用相同协议体系的卫星间以及卫星和船舶间进行通信，而无法与岸上基站和其他船舶建立通信的孤立船，可通过互联网关与不同制式的卫星进行通信，不同制式的卫星间也可通过互联网关进行星间组网通信。

当无法与附近海域和空域建立5G通信链路的孤立舰载5G船c*，而需要再次接入5G核心网时，可通过舰载互联网关将数据进行统一的帧格式进行封装，并与非5G卫星A通过互联网关建立星船链路，不同制式的卫星间通过星载互联网关实现星间组网，并通过星间链路将数据传输至目的5G卫星C，最终成功通过信关站接入5G核心网，然后信关站再将孤立舰载5G船c*所需的数据信息通过基于互联网关建立的多系统融合组网链路发送至孤立舰载5G船c*，由此完成了孤立舰载5G船c*通过互联网关与5G核心网通信的上行和下行数据传输过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于帧头压缩的多协议星舰地一体化网关设计方法，其特征在于，通过互联网关，借助星间组网，构建舰载5G终端与5G核心网间的通信链路，实现5G与多系统卫星的融合一体化组网，具体如下：

舰载5G终端首先通过舰载互联网关实现5G终端协议与统一协议的转换，采用统一协议的帧格式进行封装；然后舰载5G通过临时中继卫星与5G卫星间建立组网，5G卫星接收到统一协议数据帧后通过星载互联网关实现星上协议转换，转换为5G协议；最后通过星载gNB与信关站建立通信链路，从而通过信关站接入5G核心网；

传输过程中帧头压缩处理过程为：源端即为压缩方，对原始帧头进行压缩处理和CRC校验，将压缩帧头和CRC值一起打包转发出去；中间节点通过提取和识别接收到的分组中的FID，仅进行转发处理，不需要压缩和解压缩；目的端即为解压方，对压缩帧头进行解压缩还原出原始帧头，并对其进行CRC校验，将得到的校验值与发送方发送的CRC进行比较，若相同则说明解压缩正确；

其中，采用对不同类型的数据采用不同的压缩处理方法：对帧头中不同的数据类型进行分类，分为固定属性类、推测确定类、规律变化类和无规律变化类；

舰载5G基于所述互联网关，通过不同协议体系的星间组网，从而接入5G核心网的流程具体如下：

第一步：建立星船链路：孤立舰载5G船通过舰载互联网关与上空非5G卫星建立星船链路，所述孤立舰载5G船为无法与附近海域、空域建立5G链路的船舶；

第二步：对数据进行处理并传输至卫星:孤立舰载5G船通过舰载互联网关对数据进行处理，包括协议转化和帧头压缩处理，向上空非5G卫星发送处理后的数据；

第三步：通过星间组网传输数据：临时中继卫星通过星载互联网关查找星间路由，与目的5G卫星通过星间组网建立传输链路，所述临时中继卫星为与孤立舰载5G船建立星船链路的上空非5G卫星；

第四步：对数据进行处理并转发：目的5G卫星接收数据后，通过星载互联网关对数据进行协议转换和解压缩处理，再通过星地链路将还原的数据发送至信关站，然后由信关站接入5G核心网。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述舰载互联网关包括接入层、处理层和控制层；其中接入层包括星地链路模块和星间链路模块；处理层包括协议转换模块和帧头压缩模块；控制层包括差错控制模块和路由转发模块；舰载互联网关没有星间链路模块和路由转发模块；通过星载互联网关实现星上协议转换，使采用不同协议体系的卫星间进行通信以及不同协议体系的船舶和卫星间实现通信。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，5G核心网基于所述互联网关，通过不同协议体系的星间组网，从而将数据传输至舰载5G的流程具体如下：

第一步：对数据进行转发：信关站将来自5G核心网数据通过星地链路发送至目的5G卫星；

第二步：对数据进行处理：目的5G卫星通过星载互联网关将数据重新封装为统一的帧格式，并进行帧头压缩处理；

第三步：通过星间组网传输数据：目的5G卫星通过查找路由表以及链路状态信息，通过星载互联网关进行星间组网将数据转发至临时中继卫星；

第四步：建立星船链路并传输数据：临时中继卫星通过星间链路接收到数据，并通过建立的星船链路将数据转发至孤立舰载5G船；

第五步：对数据进行处理和接收：孤立舰载5G船通过舰载互联网关将接收到的数据进行协议转换和解压缩处理，还原出原始数据。