一种基于分组信道的卫星集群管理和共享调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于分组信道的卫星集群管理和共享调度方法，属于卫星移动通信技术领域。

背景技术

集群通信业务是指利用具有信道共用和动态分配等技术特点、为多个部门或单位等集团用户提供专用指挥调度的通信业务。

基于地面蜂窝移动通信系统的集群通信应用可以追溯到2G时代，每个小区中建立一组上行和下行专有信道，为一组终端用户提供集群服务，下行信道群组共享，上行信道通过调度分配给有业务需求的终端用户使用，信道的分配和使用是基于专有的和电路域的。该方式的特点是信道分配简单，信道分配后在本小区内不再改变，只需要逐帧调度用户终端即可，易于实现。在后续的3G和4G时代，虽然体制发展差异很大，但是集群通信原理基本上保持不变。

传统卫星通信系统（含卫星移动通信）中，集群通信的设计与实现都参考地面蜂窝移动通信系统集群通信原理，一是因为地面蜂窝移动通信集群有成熟的协议和应用经验，二是因为有集群通信需求的卫星通信系统大都是窄带系统，在信道分配和用户调度上易于使用上下行专用信道的方式。

虽然地面蜂窝移动通信和卫星移动通信都有成熟的集群通信解决方案，而且信道分配简单、易于实现，但是其最大的问题是集群通信与系统空口体制结合紧密，在系统设计之初便需要统筹考虑，物理层设备和空口协议处理设备在研发阶段就需要支持集群通信模式，否则后期再增加该集群模式，设备改造和升级难度大。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于分组信道的卫星集群管理和共享调度方法，能够满足用户在电路域信道资源紧张或者系统初期设计时没有考虑专有信道集群设计的情况下利用分组信道进行集群通信的场景需求。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于分组信道的卫星集群管理和共享调度方法，包括以下步骤：

（1）网络启动：

启动网络侧的分组交换单元和集群服务器，确保集群服务正常工作；

（2）集群注册：

卫星终端上的卫星集群客户端通过卫星终端向集群服务器注册成为合法用户；

（3）秘钥更新：

由终端发送秘钥更新请求到集群服务器，集群服务器将最新秘钥通过广播信道以秘钥更新响应消息的形式发送给卫星终端，完成秘钥更新；

（4）集群对讲：

卫星终端发送集群对讲请求消息到集群服务器，集群服务器发送集群对讲响应消息给卫星终端，同意该卫星终端进行上行讲话；

（5）集群抢话：

高优先级的卫星终端可以通过集群抢话流程将群组内当前话语权争抢过来；

（6）集群注销：

由卫星终端发送用户集群注销指示消息到集群服务器，完成卫星终端的注销过程；注销后，该终端退出集群，不再监听群内广播消息，也不能发送上行话音数据流。

进一步的，步骤（2）的具体方式为：

由卫星终端发送卫星网络注册请求消息到分组交换单元，分组交换单元判断卫星终端合法后发送卫星网络注册响应消息给卫星终端，完成卫星终端在卫星网络内的注册；然后，由卫星终端发送集群服务UE注册请求消息到集群服务器，集群服务器判定集群用户合法后发送集群服务UE注册响应消息到卫星终端，使卫星终端上的卫星集群客户端注册成为合法用户。

进一步的，步骤（4）的具体方式为：

上行方向，终端话音数据流首先到达接入网卫星基站，接入网卫星基站再将数据流通过隧道协议转发至分组交换单元，分组交换单元从隧道协议中解析出话音流，发送给集群服务器；集群服务器将上行话音流在下行广播信道上发送给群内所有终端，具体流向是，集群服务器直接发送给接入网卫星基站，接入网卫星基站通过广播信道发送给所有终端；

在话语权保持期间，话音流的上行和下行流向一直保持不变；当终端讲话完毕，发送对讲释放请求消息到集群服务器，集群服务器收到该消息后发送对讲释放响应消息给卫星终端，完成该终端的话语权释放。

进一步的，步骤（5）中，假设群内当前话语权在卫星终端A，高优先级的卫星终端B想争抢话语权，则具体流程如下：

卫星终端B发送集群对讲请求到集群服务器，集群服务器判断卫星终端B的优先级高于当前话语权所有者卫星终端A，则发送对讲释放请求消息给卫星终端A，卫星终端A收到消息后发送对讲释放响应消息到集群服务器，完成卫星终端A话语权的释放，然后集群服务器发送集群对讲响应消息到卫星终端B，将话语权授权给卫星终端B，此时卫星终端B可以开始在群内讲话。

进一步的，集群用户分为高级、普通、收听三个等级；其中，收听用户只能收听，不能申请话语权；普通用户在信道空闲的时候，可以申请话语权；高级用户在信道空闲或者普通用户讲话时，可以申请话语权。

进一步的，集群服务器具有话语权裁决能力，具体方式如下：

（A1）卫星终端根据集群用户的等级判断其是否可以发起话语权申请；

（A2）当集群服务器收到话语权请求时，对话语权进行裁决；规则为：收听用户不能申请话语权；普通用户只能在空闲时申请话语权，同级申请话语权冲突，先申请者先获得；高级用户可以在普通用户讲话时抢占话语权，同级申请话语权冲突，先申请者先获得；

（A3）话语权保持期间，用户申请话语权成功之后，如果本次话语权占用时间超过预设最大值，则自动释放话语权，若期时用户需要继续讲话，则发送续租消息进行续租。

进一步的，所述预设最大值不超过20s。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提出的集群实现方案更易于满足系统后续增加集群通信模式的需求。

2、本发明提出的集群实现方案具有与系统体制松耦合的特点，更易于灵活扩展。

3、本发明提出的基于分组共享调度的集群通信方式更易于向宽带分组系统演进。

附图说明

图1是本发明实施例中涉及的集群系统网络架构图。

图2是本发明实施例中涉及的集群系统通信流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于分组信道的卫星集群管理和共享调度方法，包括以下步骤：

（1）网络启动

首先启动网络侧的分组交换单元和集群服务器，确保集群服务正常启动和提供。

（2）集群注册

由卫星终端发送“卫星网络注册请求”消息到分组交换单元，分组交换单元判断卫星终端合法后发送“卫星网络注册响应”消息给卫星终端。

卫星终端完成在卫星网络内的注册后，开始向集群服务器注册，使终端上的卫星集群客户端注册成为合法用户。首先由卫星终端发送“集群服务UE注册请求”消息到集群服务器，集群服务器判定集群用户合法后发送“集群服务UE注册响应”消息到卫星终端。至此，完成集群注册流程。

（3）秘钥更新

秘钥更新流程由终端发送“秘钥更新请求”到集群服务器，集群服务器将最新秘钥通过广播信道发送“秘钥更新响应”消息给终端。至此完成秘钥的更新。秘钥更新流程是为了使卫星终端在集群通信过程中始终保持最新秘钥并与服务器同步，进而确保通信内容的安全性。

（4）集群对讲

集群对讲流程是集群通信的主流程，从对讲请求开始到对讲释放结束。卫星终端首先发送“集群对讲请求”消息到集群服务器，集群服务器发送“集群对讲响应”消息给卫星终端，同意该卫星终端进行上行讲话。

上行方向，终端话音数据流首先到达接入网卫星基站，卫星基站再将数据流通过隧道协议转发至分组交换单元，分组交换单元从隧道协议中解析出话音流，发送给集群服务器。集群服务器将上行话音流在下行广播信道上发送给群内所有终端，具体流向是集群服务器直接发送给卫星基站，卫星基站通过广播信道发送给所有终端。

在话语权保持期间，话音流的上行和下行流向一直保持不变。当终端讲话完毕，发送“对讲释放请求”消息到集群服务器，集群服务器收到该消息后发送“对讲释放响应”消息给卫星终端，完成该终端的话语权释放。

（5）集群抢话

高优先级的卫星终端可以通过集群抢话流程将群组内当前话语权争抢过来。假设群内当前话语权在终端A，高优先级的终端B想争抢话语权，具体流程如下。

终端B发送“集群对讲请求”到集群服务器，集群服务器判断终端B的优先级高于当前话语权所有者终端A，则发送“对讲释放请求”消息给终端A，终端A收到消息后发送“对讲释放响应”消息到集群服务器，完成终端A话语权的释放，然后集群服务器发送“集群对讲响应”消息到终端B，将话语权授权给终端B，此时终端B可以开始在群内讲话。

（6）集群注销

集群注销流程由卫星终端发送“用户集群注销指示”消息到集群服务器，完成卫星终端的注销过程。集群注销流程是群内终端退群的操作流程，注销后，该终端不再监听群内广播消息，亦不能发送上行话音数据流。

其中，集群用户可以划分成不同权限等级，从而具备不同的能力。用户等级分为“高级”、“普通”、“收听”三个等级。“收听”用户，只能收听，不能申请话语权；“普通”用户，在信道空闲的时候，可以申请话语权；“高级”用户，在信道空闲或者“普通”用户讲话时，可以申请话语权。

此外，集群服务器具有话语权裁决能力，具体方式如下：

（1）终端判断是否可以发起话语权申请，“普通”用户在信道空闲时可以发起话语权申请；“高级”用户可以在信道空闲或者“普通”用户讲话时申请话语权。

（2）当服务器接收话语权请求时，对话语权进行裁决。“收听”用户不能申请话语权；“普通”用户只能在空闲时申请话语权，同级申请话语权冲突，先申请先获得；“高级”用户可以在“普通”用户讲话时抢占话语权，同级申请话语权冲突，先申请先获得。

（3）话语权保持期间，用户申请话语权成功之后，如果本次话语权占用时间超过最大值时，会自动释放话语权（终端采取自动释放策略、服务器采取定时器超时释放策略）。用户每次通话时长（建议不超过20s）到期时用户继续讲话需发送续租消息。

本方法中，分组信道集群具有如下通信特点：

（1）体制特征：卫星通信系统体制设计中含有分组共享调度方式的通信模式；

（2）信道特点：下行方向提供一条或多条集群广播通道，上行方向终端利用分组信道单独上传集群信息。下行方向集群服务器直接发送集群控制消息和集群业务数据到接入网，上行方向集群控制消息和集群业务数据通过核心网分组交换单元发送至集群服务器；

（4）寻呼特点：集群服务器发送寻呼信息到核心网，核心网将该信息作为业务数据推送给终端，如果终端连接已经断开，则发送分组寻呼建立连接后再推送数据；

（5）终端特点：卫星终端内置集群对讲软件，在执行任务时一直开启并保持登陆状态。

以下为一个更具体的实现方式：

1、集群系统网络架构

基于分组共享调度的卫星集群通信网络架构如图1所示，集群服务器属于业务系统，与卫星通信系统的接入网、核心网共同构成卫星集群服务组网架构。下面分别介绍接入网、核心网、集群服务器的组成与功能。

接入网主要由卫星终端、卫星、卫星基站构成。卫星终端是集群业务的发起端和集群用户的使用端，卫星终端上安装有集群通信服务软件，完成卫星网络注册功能、集群服务注册功能、集群业务对讲功能、集群业务注销功能等。卫星是空中无线链路的中继器，完成用户侧无线链路与馈电侧无线链路的信号转换与中继。卫星基站是空口协议网络侧实现单元，完成空口资源分配、信道信号处理、集群业务数据交换等功能。

核心网主要由分组交换单元、移动交换控制器、媒体网关、用户位置寄存器HLR/VLR等网元组成。分组交换单元是卫星分组业务控制与交换的核心单元，完成移动用户分组上下文管理、分组移动性管理、卫星用户IP分配、分组报文隧道协议处理等功能。移动交换控制器是卫星网络电路域交换的控制单元，完成移动用户电路域上下文管理、呼叫控制、电路移动性管理、媒体控制等功能。媒体网关是电路域话音流处理单元，完成话音编解码、互联互通接口转换等功能。用户位置寄存器HLR/VLR是卫星网络的网络信息和用户信息存储单元，完成用户签约数据管理、加密鉴权管理、终端设备参数管理等功能。

集群服务器是分组卫星集群功能的主要实现单元，与集群通信过程的终端功能相对应，完成集群注册服务、集群业务对讲服务、基于优先级的集群抢话服务、集群业务注销服务等功能。

在网元连接关系方面，重点设计和实现了集群服务器和接入网卫星基站之间的接口、集群服务器与核心网分组交换单元之间接口。前者用于传输上行集群控制信令和集群业务数据，后者用户传输下行集群控制信令和集群业务数据。

2、集群业务流程

集群业务流程主要包括集群注册流程、秘钥更新流程、集群对讲流程、集群抢话流程、集群注销流程。每个流程具体的消息交互过程如图2所示。具体如下：

（1）卫星终端发送“卫星网络注册请求”消息到分组交换单元，分组交换单元判断卫星终端合法后发送“卫星网络注册响应”消息给卫星终端；

（2）卫星终端发送“集群服务UE注册请求”消息到集群服务器，集群服务器判定集群用户合法后发送“集群服务UE注册响应”消息到卫星终端。

（3）终端发送“秘钥更新请求”到集群服务器，集群服务器将最新秘钥通过广播信道发送“秘钥更新响应”消息给终端。

（4）卫星终端发送“集群对讲请求”消息到集群服务器，集群服务器发送“集群对讲响应”消息给卫星终端，同意该卫星终端进行上行讲话；

（4）上行方向，终端话音数据流首先到达接入网卫星基站，卫星基站再将数据流通过隧道协议转发至分组交换单元，分组交换单元从隧道协议中解析出话音流，发送给集群服务器。集群服务器将上行话音流在下行广播信道上发送给群内所有终端，具体流向是集群服务器直接发送给卫星基站，卫星基站通过广播信道发送给所有终端；

（5）终端发送“对讲释放请求”消息到集群服务器，集群服务器收到该消息后发送“对讲释放响应”消息给卫星终端，完成该终端的话语权释放；

（6）具有高优先级的卫星终端B发送“集群对讲请求”到集群服务器，集群服务器判断终端B的优先级高于当前话语权所有者终端A，则发送“对讲释放请求”消息给终端A，终端A收到消息后发送“对讲释放响应”消息到集群服务器，完成终端A话语权的释放，然后集群服务器发送“集群对讲响应”消息到终端B，将话语权授权给终端B，此时终端B可以开始在群内讲话。

（7）卫星终端发送“用户集群注销指示”消息到集群服务器，完成卫星终端的注销过程。集群注销流程是群内终端退群的操作流程，注销后，该终端不再监听群内广播消息，亦不能发送上行话音数据流。

总之，本发明在卫星移动通信现有体系架构基础上，对网络侧不做任何协议改动和现有设备升级，只通过修改基站控制器配置和增加集群服务器，即可完成卫星集群通信场景需求。本发明可应用于卫星移动通信系统集群业务的设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。