一种卫星移动通信系统的集群通信业务架构及方法

技术领域

本发明涉及卫星移动通信系统技术领域，特别是一种卫星移动通信系统的集群通信业务架构及方法。

背景技术

卫星移动通信系统是一种面向大规模移动用户提供话音、短消息、数据业务的通信系统，它通过高轨卫星或低轨星座向用户提供高增益无线信号。目前世界上建设完成并投入应用的卫星移动通信系统主要有Inmarsat、Thuraya、天通等同步轨道卫星，Iridium、GlobalStar等低轨星座。典型的低轨星座卫星通信系统由空间段、地面段、应用段三部分组成，如图1所示。空间段由低轨道卫星星座组成；卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合，通常是由一些卫星按一定的方式配置组成的一个卫星网；低轨道卫星星座是若干个低轨道卫星组成的低轨卫星网，如图2所示。地面段作为低轨星座卫星通信系统的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信系统的业务处理、网络管理、运营管理、跨国业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信系统与其他系统的互联互通，主要由运行控制中心、全球运营服务中心、分布在全球各地的信关站组成；应用段由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种固定及移动终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信系统的门户和应用平台，用于建立用户与卫星间的数据传输链路，每个终端具备在波束间、卫星间、信关站间的切换能力，能够为用户提供持续不断的业务服务。

集群通信系统是按照动态信道指配的方式实现多用户共享多信道的无线电移动通信系统，一般由终端设备、基站、中心控制站等组成，具有调度、群呼、优先呼等功能。集群通信系统主要应用在专业移动通信系统，是一种用于集团调度指挥通信的移动通信系统。该系统具有的可用信道可为系统的全体用户共用，是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。

集群通信的最大特点是通信采用PTT(Push To Talk)，以一按即通的方式接续，被叫无需摘机即可接听，且接续速度较快，并能支持群组呼叫等功能。集群通信的运作方式以单工、半双工为主，主要采取信道动态分配的方式，并且用户具有不同的优先级和特殊功能，通信时可以一呼百应。集群通信通过在所有用户之间共享公共通信资源来实现，极大地提高了频率资源的使用效率。

低轨集群通信系统通常是在地面集群系统设计的基础上，沿用集群业务状态机，主要包括空闲、独白、收听等三个状态，其状态机如图3所示。空闲状态是指用户处于接收下行集群广播消息，允许用户通过集群接入信道进行接入，独白状态是指用户获得上行业务传输的权限后进行上行话音、短消息、图片等传输；收听状态是指用户进行下行业务接收，不允许用户通过集群业务信道进行接入。

为了适应卫星通信特点，定制设计卫星集群物理信道来实现低轨集群，如表1所示。卫星终端通过集群物理信道参与到集群通信业务中，集群物理信道支持下行广播、上行接入、下行业务、上行业务等逻辑信道。集群物理信道是实现集群业务的核心，为集群用户提供申请、同步、独白语音传输以及听取语音的能力。典型集群业务信道格式如下表所示，集群业务信道通常复用在集群业务资源上，由集群控制器调度实现逻辑信道到物理信道的复用。

表1典型集群通信物理信道结构

卫星集群业务通常是在已有卫星通信系统基础上来实现，集群业务需要利用已有卫星通信系统的公共控制信道，如基于GMR-1的卫星移动通信，其公共控制信道如下：

(1)系统广播信道

BCCH(Broadcast Control CHannel)：广播控制信道，下行单向，用于移动终端初始搜索和获得系统配置参数的信道。

(2)公共控制信道CCCH(Common Control CHannel)

PCH(Paging CHannel)：寻呼信道，下行单向，用于寻呼被叫移动终端。

RACH(Random Access CHannel)：随机接入信道，上行单向，用于移动终端请求系统分配专用信令信道。

AGCH(Access Grant CHannel)：接入确认信道，下行单向，系统对RACH的响应，为请求的移动终端分配专用控制信道。

(3)专用控制信道

SDCCH：(Standalone Dedicated Control CHannel)：专用控制信道，上下行双向，用于移动终端点对点向系统交互信令。

专利1(申请号201810919286.1申请日2018-08-14)提出了一种卫星集群实时话音组呼控制方法，基于现有静止轨道卫星至地面移动终端TDMA信道上进行组呼呼叫时，信关站核心网仍然以常规业务单呼流程进行信令交互，原有常规信关站控制器的接口和信令流程不变，保持话音单呼接入功能；新增集群信关站控制器，集群信关站控制器通过原有常规信关站与核心网连接的接口与信关站核心网连接，集群信关站通过信令适配实现集群组呼主、被叫移动终端组的快速进入组呼业务信道；移动终端和集群信关站均增补集群协议栈功能；专利2(申请号202111381639.5，申请日2021-11-22)提出了一种低轨星座卫星通信系统的集群通信方法，设置低轨集群通信帧结构：针对低轨星座卫星通信系统集群通信业务，在业务信道或上行共享信道上增加随路信令，对通信链路进行控制，实现卫星终端和卫星之间的同步；低轨集群通信切换流程：卫星终端在同一个信关站下的基站内或者同一个信关站下的基站之间切换；在切换过程中，集群控制器从全局出发选择匹配的频率资源来分配，实现集群控制器与基站之间的资源分配、切换协商。

按照传统的集群通信架构实现集群业务，将对集群基站、信关站等网络设备进行大幅度修改，然而，当卫星网络正式为用户提供服务后，在现网上增加集群业务将影响网络稳定性，亟需设计一种精简的集群架构，减少集群业务对现网运行的影响。

在GEO卫星集群中，通过在每个波束中配置集群信令广播信道，向全网播发当前处于激活状态集群组的资源配置及安全信息，当卫星波束数量少时，集群信令广播信道占用的资源还可以忍受，但当卫星波束数量多时，集群信令广播信道占用了大量的系统资源，亟需设计一种自适应的集群业务呼叫流程，实现按需集群信令广播。

与地面集群通信系统、GEO卫星集群通信不同，在低轨卫星通信系统中，卫星相对地面高速运动，使得地面终端发生周期性卫星间切换，如在铱星中，一个用户在一个波束的驻留时间约为1分钟，频繁的切换使得用户在不同卫星、不同波束之间进行集群信道资源切换，因此，需要设计合理的切换流程来解决集群业务切换问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种架构简单、能够在已有集群基站上升级实现、无需增加额外装置、网络稳定性高、信息安全性高的集群通信业务架构及通信方法，采用自适应的集群业务呼叫流程实现按需集群信令广播，设计合理的切换流程减少低轨卫星切换控制过程中的网络内部的交互流程。

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的集群通信业务架构，包括运控系统、集群控制器、集群基站和卫星终端，其中：

所述运控系统，根据任务需求为一个或多个集群控制器规划集群业务信道资源，实现对全网系统资源规划；根据集群控制器上报的群组运行情况，动态生成包括当前活跃集群控制器ID、集群群组ID及业务信道资源配置计划数据的全网集群业务资源计划，并下发给集群控制器；运控系统在公共服务的基础上，结合任务需求扩展支持全网集群资源计划及集群物理信道切换规划；

所述集群控制器，用于对运控系统规划的群组及资源进行管理，包括呼叫控制、资源分配、资源调度、消息转发和群组管理功能；一个低轨卫星通信系统中，配置多个集群控制器实现对不同群组的管理；

所述集群基站，用于集群业务信道处理，包括信道调制解调及编解码、业务及控制数据转发；组呼接入信道处理，从随机接入消息中识别组呼接入消息，并将组呼接入消息转发给对应的集群控卫星终端制器；将集群广播消息合并到系统广播消息并分发；

所述卫星终端，用于实现终端用户对通信状态的设置、获取，完成通信。

一种卫星移动通信系统的集群通信方法，包括自适应集群业务呼叫流程和低轨集群通信计划切换流程，具体如下：

所述自适应集群业务呼叫流程为：在无集群广播消息分发的波束下，集群组成员通过自主呼叫，触发网络侧在该波束下分发集群广播消息，实现集群广播消息的按需分发，降低集群广播消息对广播信道资源的占用；

所述低轨集群通信计划切换流程为：综合集群用户位置、卫星星历、全网资源规划信息，生成按照时间片先后的集群业务资源列表，集群控制器按照集群业务资源配置列表自动向卫星终端和集群基站配置，实现集群用户的计划切换。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)卫星移动通信集群业务架构可扩展支持多个独立的集群控制器，满足用户对集群信息的独立管控应用需求；(2)卫星集群业务架构简化了集群基站的实现复杂度，降低了与现有星载基站或信关站信道设备功能的耦合度；(3)集群业务呼叫流程可降低集群广播消息对公共控制信道的占用；(4)集群切换流程减少了低轨卫星切换控制过程中的网络内部的交互流程。

附图说明

图1是典型的卫星移动通信系统的结构示意图。

图2是低轨星座的结构示意图。

图3是典型集群业务状态机的示意图。

图4是本发明一种卫星移动通信系统的集群通信业务架构的结构示意图。

图5是本发明中自适应集群业务呼叫的流程示意图。

图6是本发明中低轨集群通信计划切换的流程示意图。

具体实施方式

本发明一种卫星移动通信系统的集群通信业务架构，包括运控系统、集群控制器、集群基站和卫星终端，其中：

所述运控系统，根据任务需求为一个或多个集群控制器规划集群业务信道资源，实现对全网系统资源规划；根据集群控制器上报的群组运行情况，动态生成包括当前活跃集群控制器ID、群组ID及业务信道资源配置计划数据的全网集群业务资源计划，并下发给集群控制器；运控系统在公共服务的基础上，结合任务需求扩展支持全网集群资源计划及集群物理信道切换规划；

所述集群控制器，用于对运控系统规划的群组及资源进行管理，包括呼叫控制、资源分配、资源调度、消息转发和群组管理功能；一个低轨卫星通信系统中，配置多个集群控制器实现对不同群组的管理；

所述集群基站，用于集群业务信道处理，包括信道调制解调及编解码、业务及控制数据转发；组呼接入信道处理，从随机接入消息中识别组呼接入消息，并将组呼接入消息转发给对应的集群控卫星终端制器；将集群广播消息合并到系统广播消息并分发；

所述卫星终端，用于实现终端用户对通信状态的设置、获取，完成通信。

作为一种具体示例，所述集群控制器配置在信关站或者业务管理站侧。

作为一种具体示例，当移动通信卫星为透明转发架构时，所述集群基站部署在信关站系统中，且集成在信关站基站处理平台上；当移动通信卫星为处理转发架构时，所述集群基站部署在卫星上或作为软件部署在集群基站中。

本发明一种卫星移动通信系统的集群通信方法，包括自适应集群业务呼叫流程和低轨集群通信计划切换流程，具体如下：

所述自适应集群业务呼叫流程为：在无集群广播消息分发的波束下，集群组成员通过自主呼叫，触发网络侧在该波束下分发集群广播消息，实现集群广播消息的按需分发，降低集群广播消息对广播信道资源的占用；

所述低轨集群通信计划切换流程为：综合集群用户位置、卫星星历、全网资源规划信息，生成按照时间片先后的集群业务资源列表，集群控制器按照集群业务资源配置列表自动向卫星终端和集群基站配置，实现集群用户的计划切换。

作为一种具体示例，所述自适应集群业务呼叫流程，包括以下步骤：

步骤1.1、卫星终端通过通用随机接入信道RACH向某个集群控制器申请组呼业务，集群基站收到组呼业务请求消息后，根据消息中携带的集群控制器ID，将消息转发给相应的集群控制器；

步骤1.2、集群控制器收到集群业务请求消息后，根据用户ID和集群组ID信息，对用户身份进行识别；

步骤1.3、集群组成员通过监听系统广播消息，获取集群组广播消息，并根据消息中的资源和密钥配置，加入到集群业务中；

步骤1.4、卫星终端在集群业务信道上使用上行断连命令发起拆线，集群控制器判断卫星终端身份，若为组长或为管理者，则集群控制器在下行广播信道方向发送断链命令，该信道下的所有卫星终端当收到下行断链命令以后，自行离开该信道，并转入空闲状态，等待下次呼叫；

步骤1.5、集群控制器清除集群组广播消息中的当前集群组的资源配置及密钥信息，并将消息配置给集群基站，集群基站根据最新集群组广播消息，更新系统广播信息。

作为一种具体示例，步骤1.2所述的集群控制器收到集群业务请求消息后，根据用户ID和集群组ID信息，对用户身份进行识别，具体如下：

步骤1.2.1、若卫星终端为集群组组长，则集群控制器通过通用公共信道AGCH向卫星终端分配集群业务信道资源；卫星终端收到集群业务信道资源后，通过集群业务信道实现集群组长与网络双向认证鉴权，并分配相应组密钥信息；

步骤1.2.2、若卫星终端为集群组成员，则查看是否当前的集群组是否激活，若激活(在其他卫星上已工作)则为卫星终端分配集群业务信道资源，同时转发组安全密钥信息；若集群组未激活则拒绝卫星终端接入；

步骤1.2.3、集群控制器生成集群组广播消息，包含集群组ID、集群业务信道资源、和组安全密钥信息，并将该消息发送给集群基站；集群基站将集群组广播消息合并到系统广播消息中，并广播给其他卫星终端。

作为一种具体示例，所述自适应集群业务呼叫流程中，当集群组成员需要发送语音、短信、数据这些信息时，按住终端上的PTT按键，移动终端在集群接入信道上发送上行信道占用请求，集群控制器在下行方向的集群广播信道发送占用确认信令，收到这个信令的讲话方用户获得上行信道使用权，其它用户则不能使用该信道直至讲话方释放上行信道；当松开PTT键时，移动终端在该信道发送上行信道释放信令，集群信关站控制器在下行信道上发送上行空闲信令；任一用户可按下PTT键申请上行占用，发送上行请求信令。

作为一种具体示例，所述低轨集群通信计划切换流程，包括以下步骤：

步骤2.1、运控系统根据全网资源配置、集群用户所在区域、低轨卫星星历数据，周期性生成全网集群业务资源计划，并分别配置给相应的集群控制器；

步骤2.2、集群控制器按照集群业务资源计划的时间生成集群切换命令，配置给相应卫星的集群基站，并通过集群广播信道传输给在网集群用户，更新集群广播消息并传输给相应集群基站；

步骤2.3、卫星收到集群切换命令和集群广播消息，分为卫星内部波束切换和卫星间切换两种情况进行处理；

步骤2.4、卫星终端通过集群广播信道获取集群切换命令，并根据命令及卫星终端位置，选择最佳卫星波束进行切换。

作为一种具体示例，步骤2.3所述的卫星收到集群切换命令和集群广播消息，分为卫星内部波束切换和卫星间切换两种情况进行处理，具体如下：

步骤2.3.1、当卫星内部波束切换时，集群基站接收到集群切换命令后，一方面，在激活时间之前的两帧前，通过集群物理信道广播集群切换命令，另一方面，按照时间信息在目标波束上生效对应的集群物理信道资源信息，回收释放的源波束集群信道资源；此外，在源波束和目标波束更新集群广播信息；

步骤2.3.2、当卫星间切换时，源卫星集群基站接收到集群切换命令后，一方面，在激活时间之前的两帧前，通过集群物理信道广播集群切换命令，另一方面，按照时间信息回收释放的集群信道资源。

作为一种具体示例，所述步骤2.3.2还包括：在源卫星更新集群广播信息；目标卫星集群基站收到集群切换命令后，按照时间信息在目标波束上生效对应的集群物理信道资源信息，并在目标波束更新集群广播信息。

下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步的详细说明。

实施例

本实施例提供一种卫星通信集群业务架构，简化集群基站实现，方便在已有集群基站(往往为卫星移动通信基站)上升级实现，并满足用户对信息安全需求，设计一种卫星移动通信通信集群业务架构。

结合图4，本发明一种卫星移动通信系统的集群通信业务架构，包括运控系统、集群控制器、集群基站和卫星终端；

所述运控系统，根据任务需求为一个或多个集群控制器规划集群业务信道资源，实现对全网系统资源规划；根据集群控制器上报的群组运行情况，动态生成包括当前活跃集群控制器ID、群组ID及业务信道资源配置计划数据的全网集群业务资源计划，并下发给集群控制器；运控系统在公共服务的基础上，结合任务需求扩展支持全网集群资源计划及集群物理信道切换规划；

所述集群控制器，用于对运控系统规划的群组及资源进行管理，包括呼叫控制、资源分配、资源调度、消息转发和群组管理功能；一个低轨卫星通信系统中，可配置多个集群控制器实现对不同群组的管理；

所述集群基站，用于集群业务信道处理，包括信道调制解调及编解码、业务及控制数据转发；组呼接入信道处理，从通用随机接入消息中识别组呼接入消息，并将组呼接入消息转发给对应的集群控卫星终端制器；将集群广播消息合并到系统广播消息并分发；

所述卫星终端，用于实现终端用户对通信状态的设置、获取，完成通信。

进一步地，所述集群控制器配置在信关站或者业务管理站侧。

进一步地，当移动通信卫星为透明转发架构时，所述集群基站部署在信关站系统中，可在集成在信关站基站处理平台上；当移动通信卫星为处理转发架构时，所述集群基站作为软件部署在星载集群基站中。

本实施例还提供一种卫星移动通信系统的集群通信方法，包括自适应集群业务呼叫流程和低轨集群通信计划切换流程。

进一步地，所述自适应集群业务呼叫流程，实现在无集群广播消息分发的波束下，集群组成员通过自主呼叫，触发网络侧在该波束下分发集群广播消息，实现集群广播消息的按需分发，降低集群广播消息对广播信道资源的占用。

进一步地，结合图5，所述自适应集群业务呼叫流程，包括以下步骤：

步骤1.1、卫星终端通过通用随机接入信道RACH向某个集群控制器申请组呼业务，集群基站收到组呼业务请求消息后，根据消息中携带的集群控制器ID，将消息转发给相应的集群控制器；

步骤1.2、集群控制器收到集群业务请求消息后，根据用户ID和集群组ID信息，对用户身份进行识别；

步骤1.3、集群组成员通过监听系统广播消息，获取集群组广播消息，并根据消息中的资源和组密钥信息，加入到集群业务中；

步骤1.4、卫星终端在集群业务信道上使用上行断连命令发起拆线，集群控制器判断卫星终端身份，若为组长或为管理者，则集群控制器在下行广播信道方向发送断链命令，该信道下的所有卫星终端当收到下行断链命令以后，自行离开该信道，并转入空闲状态，等待下次呼叫；

步骤1.5、集群控制器清除集群组广播消息中的当前集群组的资源配置及密钥信息，并将消息配置给集群基站，集群基站根据最新集群组广播消息，更新系统广播信息。

进一步地，步骤1.2所述的集群控制器收到集群业务请求消息后，根据用户ID和集群组ID信息，对用户身份进行识别，具体如下：

步骤1.2.1、若卫星终端为集群组组长，则集群控制器通过通用公共信道AGCH向卫星终端分配集群业务信道资源；卫星终端收到集群业务信道资源后，通过集群业务信道实现集群组长与网络双向认证鉴权，并分配相应组密钥信息；

步骤1.2.2、若卫星终端为集群组成员，则查看是否当前的集群组是否激活(在其他卫星上已工作)，若激活则为卫星终端分配集群业务信道资源，同时转发组安全密钥信息；若集群组未激活则拒绝卫星终端接入；

步骤1.2.3、集群控制器生成集群组广播消息，包含集群组ID、集群业务信道资源、和组安全密钥信息，并将该消息发送给集群基站；集群基站将集群组广播消息合并到系统广播消息中，并广播给其他卫星终端。

进一步地，所述低轨集群通信计划切换流程，综合集群用户位置、卫星星历、全网资源规划信息，生成按照时间片先后的集群业务资源列表，集群控制器按照集群业务资源配置列表自动向卫星终端和集群基站配置，实现集群用户的计划切换。

进一步地，结合图6，所述低轨集群通信计划切换流程，包括以下步骤：

(1)步骤2.1、运控系统根据全网资源配置、集群用户所在区域、低轨卫星星历数据，周期性生成全网集群业务资源计划，并分别配置给相应的集群控制器；某集群控制器的集群业务资源计划如表2所：

表2典型集群控制器集群业务资源计划消息格式

步骤2.2、集群控制器按照集群业务资源计划的时间生成集群切换命令，配置给相应卫星的集群基站，并通过集群广播信道传输给在网集群用户，更新集群广播消息并传输给相应集群基站；集群切换命令如表3所示：

表3典型集群切换命令消息格式

步骤2.3、卫星收到集群切换命令和集群广播消息，分为卫星内部波束切换和卫星间切换两种情况进行处理；

步骤2.4、卫星终端通过集群广播信道获取集群切换命令，并根据命令及卫星终端位置，选择最佳卫星波束进行切换。

进一步地，步骤2.3所述的卫星收到集群切换命令和集群广播消息，分为卫星内部波束切换和卫星间切换两种情况进行处理，具体如下：

步骤2.3.1、当卫星内部波束切换时，集群基站接收到集群切换命令后，一方面，在激活时间之前的两帧前，通过集群物理信道广播集群切换命令，另一方面，按照时间信息在目标波束上生效对应的集群物理信道资源信息，回收释放的源波束集群信道资源；此外，在源波束和目标波束更新集群广播信息；

步骤2.3.2、当卫星间切换时，源卫星集群基站接收到集群切换命令后，一方面，在激活时间之前的两帧前，通过集群物理信道广播集群切换命令，另一方面，按照时间信息回收释放的集群信道资源；此外，在源卫星更新集群广播信息；

目标卫星集群基站收到集群切换命令后，按照时间信息在目标波束上生效对应的集群物理信道资源信息，并在目标波束更新集群广播信息。

综上所述，本发明卫星移动通信集群业务架构可扩展支持多个独立的集群控制器，满足用户对集群信息的独立管控应用需求；卫星集群业务架构简化了集群基站的实现复杂度，降低了与现有星载基站或信关站信道设备功能的耦合度；集群业务呼叫流程可降低集群广播消息对公共控制信道的占用；集群切换流程可减少低轨卫星切换控制过程中的网络内部的交互流程。

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。